近日，Bioresources and Bioprocessing在线发表了江南大学未来食品科学中心和生物工程学院陈坚院士团队周景文教授课题组的研究成果“Production of pyruvic acid with Candida glabrata using self-fermenting spent yeast cell dry powder as a seed nitrogen source” (Lu, et al. Bioresources and Bioprocessing. 2022, 9:109)。江南大学2020级硕士生卢其圆为论文第一作者，周景文教授和曾伟主助理研究员为论文通讯作者，论文作者还包括单小玉科研助理。
丙酮酸是一种重要的工业原料，广泛应用于各个领域。在农业领域，丙酮酸可以用于合成多种农用化学品；在食品领域，丙酮酸可以用作食品添加剂；在化妆品领域，丙酮酸用于抗痤疮和抗皮肤老化治疗。微生物细胞可以通过糖酵解途径从葡萄糖中产生丙酮酸，并伴随着辅因子ATP和NADH的产生，真核生物中糖酵解产生的丙酮酸主要进入线粒体，参与TCA循环，为细胞生长提供能量和碳源。目前，丙酮酸的合成方法主要包括化学合成、生物转化和微生物发酵。化学合成法的成本较高且伴随严重的环境污染；生物转化法的原料通常很昂贵，不适合广泛的工业应用。与它们相比，微生物发酵具有原料丰富、产品质量好以及对环境友好等特点，通过微生物发酵生产丙酮酸的产量、产率和生产强度已经得到很好的统一，但工业化生产丙酮酸的成本仍然很高，研究人员越来越关注如何降低工业化生产丙酮酸的成本。
针对此问题，江南大学食品合成生物学与生物制造团队研究人员通过回收丙酮酸发酵后的废酵母细胞制备酵母粉，代替大豆蛋白胨做种子氮源回用丙酮酸的生产，降低了丙酮酸的生产成本（图1）。首先，比较大豆蛋白胨和废酵母细胞干粉做种子氮源生产丙酮酸的潜力，发现两种氮源都适合菌体生长和丙酮酸的积累，在此基础上，进一步比较了不同处理方式得到的废酵母细胞干粉对菌体生长和产酸的影响，得到最佳处理方法为喷雾干燥（图2）。然后，优化了喷雾干燥的废酵母细胞干粉的添加量，当使用30 g/L喷雾干燥的废酵母细胞干粉作为种子氮源时，获得了高产量的丙酮酸（图3）。此外，所使用的光滑球拟酵母是一种四重维生素（硫胺素、生物素、吡哆醇、烟酸）营养缺陷型菌株，维生素的添加量对菌株生长至关重要，因此研究人员优化了维生素组合的添加量，发现当培养基中添加15 mL/L的维生素时，最适合丙酮酸的生产，进一步优化Mg2+的添加量，当添加1.2 g/L的Mg2+时，丙酮酸产量达到63.4 g/L，产率为0.59 g/g（图4）。与大豆蛋白胨相比，喷雾干燥的废酵母细胞干粉使5 L发酵罐中丙酮酸的产量提高了11.4%。最后，为了实现丙酮酸工业化生产的目标，使用废酵母细胞干粉作为种子氮源在50 L发酵罐上进行了放大验证，分批发酵丙酮酸产量达到65.1 g/L，产率为0.61 g/g（图5）。此研究表明喷雾干燥的废酵母细胞干粉作为丙酮酸生产的种子氮源具有工业潜力。
这一工作不但减少了由于有机氮源价格较高导致的产品成本增加，而且解决了大量酵母菌体需要复杂生物处理才能达到排放要求的问题，对其他类似的发酵产品的工业化实施也有一定的指导意义。
上述研究工作得到了国家自然科学基金创新研究群体项目(32021005)的资助。
图1 利用废酵母细胞制备干粉做种子氮源生产丙酮酸
图2 评估废酵母细胞干粉生产丙酮酸的潜力
图3 优化喷雾干燥的废酵母细胞干粉添加量
图4 优化维生素和Mg2+添加量促进丙酮酸合成
图5 在50 L发酵罐中放大验证
（编辑：潘梦妍）
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/gXWRj2_1ZjYpypM0zy7QOA
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