Enhancing 2,3-butanediol and acetoin production from brewer's spent grain hemicellulosic hydrolysate through bacterial co-cultivation
- 作者
- Juan C. López-Linares, Erlinda Rama, María Teresa García-Cubero, Mónica Coca, Caroline L. Perez, Celina K. Yamakawa, Giuliano Dragone, Solange I. Mussatto
- 单位
- Department of Biotechnology and Biomedicine, Technical University of Denmark; Department of Chemical Engineering and Environmental Technology, School of Industrial Engineering, University of Valladolid; Institute of Sustainable Processes, University of Valladolid; Department of Food Science, University of Copenhagen
- 杂志
- New Biotechnology（2025）
- DOI
- 10.1016/j.nbt.2025.03.006
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
利用细菌共培养策略缓解啤酒糟半纤维素水解液中毒性化合物对产2,3-丁二醇和乙偶姻的抑制作用，避免传统脱毒步骤。
研究策略
将Paenibacillus polymyxa与Pseudomonas alloputida或Rhodococcus sp.共培养，利用后两者降解木质纤维素水解液中的酚类、糠醛、HMF和乙酸等抑制物，同时评估不同温度（30、34、37°C）和初始接种量（OD600 0.05和0.1）对发酵的影响。
研究路线图
核心内容
本研究通过细菌共培养策略，以Paenibacillus polymyxa为生产菌株，分别与Pseudomonas alloputida或Rhodococcus sp.共培养，利用后两者原位降解啤酒糟半纤维素水解液中的酚类、糠醛、HMF和乙酸等毒性抑制物，从而避免传统脱毒工序。研究系统评估了30、34和37°C三个温度以及两种初始接种量对发酵的影响。结果显示，P. polymyxa与Rhodococcus sp.共培养时糖消耗速率达1.01 g/L·h，高于单培养的0.88 g/L·h；在34°C下2,3-丁二醇产量达3.7 g/L，较单培养提高48%。在优化培养基中，共培养体系产2,3-丁二醇15 g/L、乙偶姻28.7 g/L，显著高于单培养的6.1 g/L和12.6 g/L。该共培养策略有效缓解了水解液毒性，提高了糖利用效率及目标产物产量，为利用复杂木质纤维素底物进行生物转化提供了无需脱毒的可行性方案。
创新点
首次报道利用共培养从啤酒糟半纤维素水解液生产2,3-丁二醇和乙偶姻；利用微生物原位降解抑制物，无需额外的脱毒工序。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Paenibacillus polymyxa DSM 365 | 2,3-丁二醇/乙偶姻合成途径 | — | — | 催化 | 主要生产菌，利用葡萄糖、木糖、阿拉伯糖生产2,3-BDO和乙偶姻 |
| Pseudomonas alloputida DSM 6125 | 抑制物降解 | — | — | 催化 | 共培养脱毒菌，降解呋喃和酚类化合物 |
| Rhodococcus sp. DSM 43001 | 抑制物降解 | — | — | 催化 | 共培养脱毒菌，高效去除酚类、乙酸等抑制物 |
关键发现
- 共培养（P. polymyxa + Rhodococcus sp.）的糖消耗速率为1.01 g/L·h，高于P. polymyxa单培养的0.88 g/L·h
- 在34°C下2,3-BDO浓度达3.7 g/L，产率0.14 g/g，生产力0.10 g/L·h，较单培养提高48%
- 在XAG-C-SM培养基37°C下共培养产2,3-BDO 15 g/L、乙偶姻28.7 g/L，显著高于单培养的6.1 g/L和12.6 g/L
- 在BSG-H中34°C共培养产2,3-BDO 3.7 g/L（单培养2.5 g/L）。
研究结论
共培养策略，尤其是与Rhodococcus sp.共培养，能有效减轻水解液毒性，提高糖利用率和2,3-BDO及乙偶姻产量，为复杂底物发酵提供了可行方案。