Non-Conventional Yeasts Whole Cells as Efficient Biocatalysts for the Production of Flavors and Fragrances
- 作者
- Luca Forti, Simone Di Mauro, Maria Rita Cramarossa, Sara Filippucci, Benedetta Turchetti, Pietro Buzzini
- 单位
- Department of Life Sciences, University of Modena & Reggio Emilia; Department of Agricultural, Environmental and Food Sciences, Industrial Yeasts Collection DBVPG, University of Perugia
- 杂志
- Molecules（2015）
- DOI
- 10.3390/molecules200610377
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
消费者对天然风味和香精香料的需求日益增长，需要开发绿色、可持续的生物催化方法，非传统酵母全细胞作为生物催化剂生产风味和香精香料化合物。
研究策略
系统综述非传统酵母全细胞生物催化生产风味和香精香料的研究进展，按化合物类别（醛酮、醇、内酯、萜烯、烯烃、酚类）总结各类底物生物转化实例、菌株筛选、工艺优化及代谢途径调控策略。
核心内容
该研究系统综述了非传统酵母全细胞作为生物催化剂在风味与香精香料生产中的应用进展，按化合物类别（醛酮、醇、内酯、萜烯、酚类等）归纳了底物生物转化、菌株筛选和工艺优化策略。通过利用全细胞催化避免辅酶添加、提高稳定性并降低环境影响，研究者展示了多种酵母物种的转化能力，例如马克斯克鲁维酵母补料分批发酵生产2-苯乙醇达26.5 g/L，解脂耶氏酵母经敲除Aox后γ-癸内酯产量提高10倍，优化条件下积累达496 mg/L。此外，浅白隐球菌还原香芹酮产率超过95%且副反应低于1%，汉逊德巴利酵母转化阿魏酸生产4-乙烯基愈创木酚达1470 mg/L，摩尔产率95%。这些结果表明，非传统酵母凭借丰富的底物谱和立体选择性，是合成天然风味化合物高效且经济可行的替代路线；未来结合合成生物学与代谢工程，可进一步提升产量并拓展产物多样性。
创新点
首次系统总结非传统酵母全细胞作为生物催化剂在风味和香精香料生产中的应用；强调全细胞催化相比纯酶和化学合成的优势（无需辅酶添加、稳定性高、环境友好）；涵盖多种酵母物种和多种化合物类别，并讨论了结合合成生物学和代谢工程的前景。
研究对象（16）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Candida sorbophila | 酮还原 | — | ketoreductase | 催化 | 不对称还原生产(R)-羟基酰胺，ee>98% |
| Yarrowia lipolytica | 脂肪酸氢过氧化物裂解 | HPO lyase（来自绿甜椒） | fatty acid hydroperoxide lyase | 催化 | 表达HPO lyase生产C6-醛类 |
| Kluyveromyces marxianus | Ehrlich途径 | — | — | 催化 | 分批和补料分批生产2-苯乙醇分别达5.23和26.5 g/L，2-苯乙醇乙酸酯5.85和6.1 g/L |
| Pichia fermentans | Ehrlich途径 | — | — | 催化 | 生产2-苯乙醇0.5 g/L，摩尔产率71%-74% |
| Schwannomyces etchellsii | 苯甲酰甲酸缩合 | — | — | 催化 | 生产(R)-苯乙酰基甲醇高达10 g/L |
| Ogataea glucozyma | 芳香酮/酮酯不对称还原 | — | carbonyl reductase | 催化 | 还原产生(S)-醇，具有高产率和选择性 |
| Lipomyces lipofer | γ-氧化（内酯合成） | — | — | 催化 | 从油酸生产γ-十二内酯，转化率76%，产率1.5 g/L·h |
| Sporidiobolus salmonicolor | γ-氧化/内酯降解 | — | Baeyer-Villiger单加氧酶 | 催化 | 转化蓖麻油衍生物生产γ-癸内酯；研究γ/δ-内酯降解途径 |
| Yarrowia lipolytica | β-氧化 | AOX1-5 | acyl-CoA oxidases | 催化 | 敲除Aox活性后γ-癸内酯产量提高10倍；Doehlert优化得γ-癸内酯496 mg/L、3-羟基-γ-癸内酯660 mg/L |
| Arxula adeninivorans | 萜烯羟基化 | — | hydroxylase | 催化 | 转化(+)-柠檬烯至紫苏酸0.06 g/L，产率3% |
| Yarrowia lipolytica | 萜烯羟基化 | — | hydroxylase | 催化 | 转化(+)-柠檬烯至紫苏酸1.0 g/L，产率50% |
| Cryptococcus gastricus | 烯还原 | — | ene reductase | 催化 | (4S)-香芹酮不对称还原产率>95%，副反应<1% |
| Hanseniaspora guilliermondii | 烯还原 | — | ene reductase | 催化 | (4R)-香芹酮还原转化率约63%，d.e.=98% |
| Kazachstania naganishii | 烯还原/羰基还原 | — | ene reductase; carbonyl reductase | 催化 | 还原(4S)-香芹酮转化率近100%；还原(S)-紫苏醛>60% |
| Kazachstania spencerorum | 烯还原/羰基还原 | — | ene reductase; carbonyl reductase | 催化 | 还原α-甲基肉桂醛>60%；还原酮异佛尔酮生成6R-二氢氧代异佛尔酮>80% |
| Debaryomyces hansenii | 阿魏酸代谢 | — | decarboxylase | 催化 | 转化阿魏酸生产4-乙烯基愈创木酚1470 mg/L（摩尔产率95%），优化后达1.2 g/L |
关键发现
- Kluyveromyces marxianus补料分批生产2-苯乙醇达26.5 g/L，2-苯乙醇乙酸酯6.1 g/L
- Lipomyces lipofer从油酸生产γ-十二内酯转化率76%，产率1.5 g/L·h
- Yarrowia lipolytica敲除Aox后γ-癸内酯产量提高10倍，优化条件下γ-癸内酯积累达496 mg/L，3-羟基-γ-癸内酯达660 mg/L
- Yarrowia lipolytica转化(+)-柠檬烯至紫苏酸达1.0 g/L（产率50%）
- Cryptococcus gastricus还原(4S)-香芹酮产率>95%，副反应<1%
- Hanseniaspora guilliermondii还原(4R)-香芹酮转化率约63%，非对映体过量98%
- Kazachstania naganishii还原(4S)-香芹酮转化率近100%
- Debaryomyces hansenii转化阿魏酸生产4-乙烯基愈创木酚1470 mg/L（摩尔产率95%），优化后达1.2 g/L。
研究结论
非传统酵母全细胞生物催化是生产天然风味和香精香料的高效、环保且经济的方法，其巨大的生物多样性为开发新工艺提供了广阔前景；未来结合合成生物学和代谢工程可进一步提高产量和扩大产物谱。