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本文研究发现，丝状真菌（Mucor circinelloides）可利用挪威云杉水解物同时生产脂肪酸和氨基多糖。该研究为微生物油脂和生物聚合物生产提供可持续碳源，有望推动食品、饲料和油脂化工等领域发展，极具应用潜力。
Mucor circinelloides 利用挪威云杉水解物同时生产脂肪酸和氨基多糖的研究
在全球对可持续资源需求不断增长的背景下，寻找可再生、可持续的脂质和其他有价值材料的来源成为研究热点。丝状真菌作为单细胞油脂（SCOs）的潜在生产者，具有独特优势，如生长迅速、能降解多种原料、耐受环境压力，还可同时生产脂质和其他有价值化合物，像氨基多糖（如几丁质和壳聚糖）。Mucor circinelloides 就是这样一种能同时产生脂肪酸、几丁质、壳聚糖和类胡萝卜素的丝状真菌，为提高真菌 SCO 生产的可持续性提供了契机。
挪威云杉（Picea abies）是一种丰富的可再生自然资源，其低等级原木、采伐剩余物和废料可作为微生物生物炼制的原料。此前，云杉水解物已在多种微生物发酵中得到应用，如酵母发酵生产乙醇、蛋白质丰富的酵母生物质，以及用于生产生物燃料、二十二碳六烯酸（DHA）、角鲨烯、丁酸、丁二醇、聚羟基脂肪酸酯和纤维素等。然而，关于利用云杉水解物培养丝状真菌来生产 SCOs 或其他细胞内代谢物，以及与高价值多糖联合生产的研究却很少。本研究首次评估了云杉水解物作为碳源，用于 M. circinelloides 同时生产 SCOs 和氨基多糖（几丁质和壳聚糖）的可行性。
M. circinelloides 的生长和底物消耗
研究选用了两种挪威云杉水解物，即挪威生物炼制公司 Borregaard AS 生产的 Excello - 90 和来自 Borregaard AS 经 BALI?预处理云杉的内部酶解水解物，以葡萄糖为对照底物，在单独水解和发酵（SHF）工艺中，探究其作为碳源对 M. circinelloides 发酵生产富含脂肪酸和氨基多糖生物质的影响。
M. circinelloides 在三种培养基中的生长曲线显示，它们几乎在相同时间达到不同生长阶段。在 48 h 前为初始快速生长阶段，72 h 左右达到稳定期，此时氮耗尽，随后生长逐渐放缓，120 h 达到生物量最大值。Excello - 90 培养基中，2.5 - 48 h 的指数生长期生物量高于葡萄糖和 BALI?水解物发酵，这可能是因为 Excello - 90 中存在来自糖化酶的额外氮。120 h 培养后，Excello - 90 水解物发酵的生物量最高，达到 15.8 g/L，但与其他处理的差异并不显著。120 h 发酵后，所有发酵的生物量均下降，表明生长和脂肪生成终止，真菌细胞进入死亡阶段。
在葡萄糖消耗方面，葡萄糖培养基的发酵消耗速度比两种水解物培养基更快，96 h 时葡萄糖完全耗尽，与最大干细胞浓度时间一致；而两种水解物发酵中，葡萄糖持续消耗至 192 h。这可能是因为水解物中含有醋酸、糠醛和 5 - 羟甲基糠醛（HMF）等抑制物，影响了葡萄糖的消耗速率。其中，BALI?水解物中糠醛、HMF 和木质素相关酚类物质浓度极低，对葡萄糖摄取的影响主要源于较高浓度的醋酸。醋酸在 pH 6.5 时仍有部分以质子化形式存在，可自由扩散进入细胞，酸化细胞内环境并影响糖酵解。实验观察到，两种水解物发酵在最初 48 h 内醋酸被消耗。
此外，两种水解物发酵的 CO2产量高于葡萄糖发酵，且发酵后期乙醇产量增加，BALI?水解物发酵的乙醇产量更高。这可能与 BALI?发酵中较高的醋酸含量有关，醋酸导致的细胞内酸化影响了线粒体电子传递链的 pH 梯度，使部分碳源转向无氧呼吸，从而产生更多乙醇。170 h 发酵后，所有发酵的乙醇含量均下降，可能是因为乙醇生产停止且在曝气和搅拌作用下蒸发损失。
在其他糖类消耗方面，葡萄糖优先被摄取，受碳分解代谢物阻遏（CCR）效应调控。但对于 Mucor 物种，一些糖类可与葡萄糖同时摄取，如甘露糖，但速率较低；而木糖在葡萄糖耗尽后才开始被消耗。在两种水解物发酵中，甘露糖在 48 h 后开始消耗，摄取速率随葡萄糖减少而增加；木糖在整个发酵期基本保持不变，168 h 葡萄糖接近耗尽时才开始少量消耗。Excello - 90 发酵中，纤维二糖和龙胆二糖在 168 h 后开始被消耗，而 BALI?水解物中不含这些寡聚葡萄糖，这是由于两者糖化条件不同，BALI?水解物糖化时纸浆固体含量较低。
脂肪酸的生产和积累脂肪酸的谱图
通过显微镜观察发现，M. circinelloides 的菌丝中含有大量脂滴，表明存在脂质积累。在 72 h 及以后对脂肪酸积累进行分析，因为已知脂肪生成在氮耗尽的稳定期速率最高。纯葡萄糖培养基中，72 h 时脂肪酸含量达到细胞干重的 52.4%，与之前报道相符。两种云杉水解物发酵在 72 h 时脂质积累略低于葡萄糖发酵，96 - 120 h 达到最大值，且与葡萄糖发酵无显著差异。进入死亡期后，葡萄糖发酵的脂肪酸甲酯（FAME）含量下降，而两种水解物发酵相对稳定，这是因为水解物中有其他糖类可满足细胞能量需求，无需氧化脂质供能。
M. circinelloides 产生的脂肪酸谱以油酸（C18:1n9c）、棕榈酸（C16:0）、亚油酸（C18:2n6c）和 γ - 亚麻酸（C18:3n6c）为主，与文献报道一致。油酸在所有发酵中含量最高，在云杉水解物培养基中生长的细胞，其油酸含量略高于葡萄糖培养基，相应地，C18:2n6c 和 C18:3n6c 含量较低，可能是因为油酸作为前体，影响了 Δ12 去饱和酶的活性。两种云杉水解物培养的细胞脂质谱几乎相同，表明它们在总 FAME 含量和脂肪酸谱方面表现相似。
氨基多糖的伴随生产
通过测定 M. circinelloides 生物质中的总葡萄糖胺（GlcN）来估算几丁质和壳聚糖的含量。分析方法是先制备碱不溶性部分，再用强酸处理转化为单体 GlcN。所有发酵中，总葡萄糖胺含量在培养 120 h 内达到约 8%（w/w）并保持稳定。葡萄糖发酵中，真菌生物质的 GlcN 含量在 48 - 168 h 持续增加，而云杉水解物发酵中相对稳定，但处理间差异不显著。Excello - 90 发酵在 144 h 后 GlcN 含量下降。M. circinelloides 在挪威云杉水解物中可产生高达细胞干重 8.5% 的氨基多糖，与其他真菌相比，产量相似或更优，显示出其利用木质纤维素基底物的优势。
研究的局限性与展望
本研究虽证明了挪威云杉水解物作为碳源同时生产微生物脂肪酸和氨基多糖的潜力，但存在一定局限性。水解物的酶解效率和成分变异性可能影响可重复性和可扩展性；研究仅针对单一微生物菌株，探索其他产油真菌或微生物群落可能发现更高效的生物转化途径；未来还需研究工艺放大、生物反应器配置和下游处理策略，以提高整体生产力和经济可行性；将研究结果扩展到其他木质纤维素原料，如农业残留物或硬木物种，可拓宽该方法的适用性，支持更可持续的生物炼制概念。
研究结论
本研究表明，M. circinelloides 在单独水解和发酵过程中，能够将挪威云杉衍生的糖类转化为富含脂肪酸和氨基多糖的微生物生物质。云杉水解物的使用在生物质、脂质和葡萄糖胺产量上与葡萄糖发酵相当，细胞质量浓度可达 15.8 g/L，脂肪酸约占干重的 50%，氨基多糖约占 8%。这突出了木质纤维素水解物作为传统碳源可持续替代品，用于微生物油脂和生物聚合物生产的可行性。未来研究应聚焦于放大发酵过程，将水解和发酵整合到生物炼制模型中，探索基因和工艺工程策略，以进一步提高脂质和氨基多糖的产量，提升经济可行性，推动挪威云杉水解物在食品、饲料和油脂化工等生物基应用领域的发展。
