《Algal Research》：Use of
Palmaria palmata and
Fucus vesiculosus hydrolysates for
Yarrowia lipolytica biomass and erythritol production
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本研究成果發表于《Algal Research》，為解決海洋藻類生物質價值提升和可持續轉化問題，研究人員利用掌狀紅皮藻和墨角藻水解物作為解脂耶氏酵母的發酵底物，開展了酵母生物質、蛋白質、油脂及赤蘚糖醇聯產的研究。研究不僅證實了該酵母能高效利用多種藻源碳源（包括首次報道的巖藻糖和葡萄糖醛酸利用），還發現其在低葡萄糖/木糖比例下可高效同化木糖并生產赤蘚糖醇，為基于海藻的藍色生物煉制提供了新的微生物平臺和工藝策略。
在追求可持續發展的全球浪潮中，海洋——這片覆蓋地球表面70%以上的藍色疆域，正成為挖掘新型生物資源的寶庫。大型海藻，或稱為巨藻，因其生長快速、不占用耕地和淡水、并能吸收二氧化碳和過量營養鹽等優點，被視為極具潛力的可再生生物質原料。然而，并非所有海藻都生而平等。例如，常見的墨角藻和掌狀紅皮藻，雖然富含碳水化合物，但其蛋白質含量相較于其他海藻品種則相對較低。這就像一個營養不均衡的“食材”，直接食用或用作飼料，其營養價值有限。如何將這些“低蛋白、高碳水”的海藻變廢為寶，轉化為高附加值的生物產品，是當前藍色生物煉制領域面臨的一個關鍵挑戰。與此同時，現代生物技術正在尋找能夠“點石成金”的微生物工匠。其中，一種名為解脂耶氏酵母的非傳統酵母進入了研究者的視野。這種酵母不僅能利用多種碳源，還能高效生產油脂、蛋白質以及像赤蘚糖醇（一種零熱量的甜味劑）這樣的高價值代謝產物。更重要的是，它的生物質已被歐洲食品安全局批準作為新型食品，安全性有保障。那么，能否將這兩種看似不相關的“材料”與“工匠”結合起來，打造一條高效、可持續的“海洋-微生物”聯合生產線呢？這正是發表于《Algal Research》上的一項研究旨在探索的問題。
研究人員主要采用了以下幾項關鍵技術方法：首先，對墨角藻和掌狀紅皮藻（包括一種經過水洗處理的變體）進行了化學成分表征，包括灰分、蛋白質、脂質、碳水化合物及礦物質分析。其次，利用水熱預處理結合商業酶Cellic CTec3進行酶解，制備了三種不同的海藻水解物。最后，在攪拌罐生物反應器中，使用這些水解物作為唯一碳源，培養解脂耶氏酵母 NCYC 2904菌株，系統監測了其生長、底物消耗、以及目標產物（生物質、脂質、蛋白質、赤蘚糖醇）的合成情況，并對最終酵母生物質的脂質脂肪酸組成和氨基酸譜進行了分析。
3.1. 海藻成分
研究人員首先分析了兩種海藻的基本組成。掌狀紅皮藻的蛋白質含量是墨角藻的1.9倍，但兩者的脂質含量均很低，符合海藻的一般特征。碳水化合物譜則顯示出明顯差異：墨角藻含有葡聚糖、巖藻聚糖、甘露醇和糖醛酸；而掌狀紅皮藻則富含木聚糖。礦物質分析表明，未清洗的海藻含有高濃度的鈉和鉀等離子。考慮到高鹽分可能抑制酵母發酵，研究額外設置了一組對掌狀紅皮藻進行水洗的預處理，結果顯著降低了其灰分和礦物質含量。
3.2. 水熱預處理和酶解
通過121°C、30分鐘的水熱預處理和后續酶解，成功從海藻中釋放出可發酵糖。掌狀紅皮藻水解物主要含有木糖和葡萄糖，而墨角藻水解物則成分更為復雜，包含葡萄糖、木糖、巖藻糖、甘露醇、葡萄糖醛酸等。水洗步驟有效降低了掌狀紅皮藻水解物中的甲酸以及鈉、鉀濃度。
3.3. 攪拌罐生物反應器實驗
這是本研究最核心的發現部分。解脂耶氏酵母在三種水解物中均能良好生長，并展現了非凡的底物利用廣度：
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木糖的高效同化：在掌狀紅皮藻水解物中，酵母表現出了前所未有的、與葡萄糖同步消耗木糖的能力，且木糖的消耗速率高達葡萄糖的3倍。這與以往認為野生型解脂耶氏酵母木糖利用能力弱的認知不同，研究者推測低葡萄糖/木糖比例可能激活了其固有的木糖代謝途徑。
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新型碳源的利用：研究首次報道了野生型解脂耶氏酵母菌株能夠利用墨角藻水解物中的巖藻糖和葡萄糖醛酸。
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赤蘚糖醇的生產：使用未水洗的掌狀紅皮藻水解物培養時，酵母生產了高達40 g·L-1的赤蘚糖醇。這是首次報道從海藻水解物生產赤蘚糖醇。高鹽分（鈉離子）帶來的滲透壓脅迫被認為是誘導赤蘚糖醇合成的關鍵因素，因為在水洗后的低鹽分水解物中，赤蘚糖醇產量顯著下降。
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產物導向性差異：不同水解物引導代謝流向不同產物。未水洗的掌狀紅皮藻水解物（高鹽）有利于赤蘚糖醇和蛋白質合成；水洗后的掌狀紅皮藻水解物（低鹽）則促進了最高的脂質積累；而含有現成甘露醇的墨角藻水解物，其碳源主要流向生物質生長，未檢測到赤蘚糖醇生成。
3.4. 解脂耶氏酵母生物質表征
對發酵結束后的酵母細胞進行分析發現：
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脂質與脂肪酸：在所有條件下，酵母積累的脂質含量（7.1%-14.9%）均遠高于原始海藻（1%-2%），實現了脂質富集。脂質中富含單不飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸。
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蛋白質與氨基酸：在未水洗掌狀紅皮藻水解物中獲得的酵母生物質蛋白質含量最高（29.1%），且氨基酸譜均衡，包含所有必需氨基酸，營養價值高。
結論與討論
本研究成功驗證了墨角藻和掌狀紅皮藻水解物作為解脂耶氏酵母生產高價值生物產品的可行性。其重要意義體現在多個層面：
- 1.
拓展了底物譜：首次系統證實了野生型解脂耶氏酵母能夠高效利用海藻水解物中的木糖、巖藻糖和葡萄糖醛酸，極大拓寬了該酵母可利用的可再生資源范圍。
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發現了新代謝現象：明確了低葡萄糖/木糖比例可促使野生型菌株高效同化木糖，并首次實現了從海藻水解物生產赤蘚糖醇，為利用木糖-rich原料生產甜味劑開辟了新途徑。
- 3.
實現了產物多元化與定向調控：通過選擇不同的海藻原料及簡單的預處理（如水洗），可以調控發酵過程，定向生產富含蛋白質的酵母生物質、富含不飽和脂肪酸的微生物油脂或高價值的赤蘚糖醇。這為構建靈活的“海藻-微生物”聯產工藝提供了科學依據。
- 4.
提升資源價值：將蛋白質含量相對較低的海藻，轉化為蛋白質、脂質含量更高且氨基酸均衡的酵母生物質，并副產高值化合物，顯著提升了海藻生物質的整體經濟價值。
- 5.
支撐藍色生物經濟：該研究將海藻養殖與微生物發酵技術緊密結合，為開發環境友好、可持續的藍色生物煉制工藝提供了具體案例，有助于推動循環經濟和海洋資源的綜合利用。
總之，這項工作不僅深化了對解脂耶氏酵母代謝能力的理解，更展示了一條將低值海藻高效轉化為食品、飼料及食品添加劑等高價值產品的潛在工業化路徑，為可持續的藍色生物經濟發展貢獻了重要的技術方案。
