Modeling of Xanthophyllomyces dendrorhous Growth on Glucose and Overflow Metabolism in Batch and Fed-Batch Cultures for Astaxanthin Production
- 作者
- Yuan-Shuai Liu, Jian-Yong Wu
- 单位
- Department of Applied Biology and Chemical Technology, The Hong Kong Polytechnic University, Hung Hom, Kowloon, Hong Kong, China
- 杂志
- Biotechnology and Bioengineering（2008）
- DOI
- 10.1002/bit.21978
- 所属领域
- 发酵工程 / 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
Xanthophyllomyces dendrorhous是产虾青素的酵母，但在高葡萄糖浓度下存在溢流代谢产生乙醇，抑制细胞生长并降低虾青素产量。缺乏描述该过程的动力学模型，难以优化补料策略。
研究策略
构建修正Monod动力学模型，引入葡萄糖和乙醇抑制项，耦合Luedeking-Piret方程描述虾青素形成；通过批量发酵实验数据拟合参数，并应用于补料分批培养优化补料方案。
核心内容
针对产虾青素的酵母Xanthophyllomyces dendrorhous在高浓度葡萄糖下因溢流代谢产生乙醇、抑制生长并降低产量的难题，研究者构建了修正Monod动力学模型。模型引入葡萄糖和乙醇的抑制项，并耦合Luedeking-Piret方程描述虾青素形成，通过批量发酵数据拟合参数后，用于补料分批培养的补料策略优化。在50 g/L初始葡萄糖的发酵中，乙醇指数期峰值达3.5 g/L，耗尽后被细胞重新利用；最终生物量和虾青素产量分别为16.8 g/L和15.3 mg/L。模型参数显示，最大比生长速率在葡萄糖和乙醇上分别为0.129和0.0184 h⁻¹，葡萄糖与乙醇抑制常数分别为178和7.64 g/L。模型在25–75 g/L葡萄糖范围内与实验数据拟合良好（R²=0.944），显著优于基本Monod模型（R²=0.787），并能准确预测不同初始浓度下的动态过程。基于模型优化的补料策略使虾青素体积产率达到28.6 mg/L（产率5.36 mg/L/day），为当时最高报告值。该模型为工业虾青素发酵的补料优化提供了定量工具。
创新点
首次针对X. dendrorhous建立包含溢流代谢、底物和产物抑制的动力学模型；模型成功预测不同初始葡萄糖浓度下的批量培养动态，并优化出补料策略，显著提高虾青素产率。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Xanthophyllomyces dendrorhous ENM5 | 葡萄糖代谢与溢流代谢 | — | — | 调控 | Crabtree阳性酵母，高葡萄糖浓度下溢流代谢产生乙醇；模型考虑葡萄糖和乙醇的抑制效应。 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous ENM5 | 虾青素生物合成 | — | — | 催化 | 虾青素合成部分生长关联，用Luedeking-Piret方程描述；优化补料策略提高产量。 |
关键发现
- 在50 g/L葡萄糖初始浓度的搅拌发酵罐中，乙醇在指数生长期积累至峰值3.5 g/L，葡萄糖耗尽后乙醇被消耗
- 生物量和虾青素产量分别达16.8 g/L和15.3 mg/L。模型参数：最大比生长速率在葡萄糖上为0.129 h^-1、在乙醇上为0.0184 h^-1
- 葡萄糖抑制常数178 g/L，乙醇抑制常数7.64 g/L
- 生物量得率0.372 g/g葡萄糖、0.324 g/g乙醇。模型在25-75 g/L葡萄糖范围内与实验数据良好拟合（R^2=0.944），优于基本Monod模型（R^2=0.787）。补料分批优化策略获得虾青素体积产率28.6 mg/L（正文表III为26.8 mg/L）和产率5.36 mg/L/day，为当时最高报告值。
研究结论
所建立的修正Monod模型能够充分描述X. dendrorhous在25-75 g/L葡萄糖范围内的生长、底物消耗、乙醇形成与消耗及虾青素合成，并可有效应用于补料分批培养的补料策略优化，为工业化虾青素发酵提供理论依据。