《Process Biochemistry》：Simultaneous yeast oil production and
in-situ recovery from
Rhodotorula toruloides using oil-capturing agents for eco-friendly biolubricant synthesis
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本研究利用红酵母TISTR 5186在甘油基础上的同步生产与油捕获剂（OCA）现场回收工艺，提升酵母油产量与回收效率。实验对比Sepabeads? SP70与Amberlite? XAD-16两种OCA，发现前者更优，通过分批补料发酵结合在线回收，使总油量提升1.95倍，油含量提高1.36倍。提取的酵母油经酯化反应后获得85.9%的TMP酯产率，证实该工艺作为可持续生物润滑剂生产的前景。
Kessuda Ngernsombat|Sasitorn Khuntong|Parichat Koedprasong|Thidarat Samranrit|Utt Eiamprasert|Witsanu Srila|Sujaya Ritthisorn|Siritorn Teeravet|Chatrudee Suwannachart|Jantima Teeka|Chiu-Hsia Chiu|Atsadawut Areesirisuk
泰国Pathum Thani 12110的Rajamangala技术大学（RMUTT）科学与技术学院生物系
摘要
酵母油作为一种可持续的生物润滑油原料正受到越来越多的关注。本研究通过使用Rhodotorula toruloides TISTR 5186菌株同时生产甘油基酵母油，并结合原位油捕获剂（OCAs）进行油回收工艺，以提高酵母油的产量和下游加工效率。Sepabeads? SP70 OCA在酵母油的同步生产和回收方面比Amberlite? XAD-16更为适用。与批处理操作相比，在线油回收的连续培养工艺使生物量产量、总油产量和油含量分别提高了2.83倍、1.95倍和1.36倍。提取的酵母油可有效转化为三甲基醇丙烷酯，产率为85.9%，证明了其作为生物润滑油前体的潜力。这种方法展示了在不破坏细胞的情况下同时生产与回收酵母油的可行性，为环保型生物润滑油的合成提供了一种可持续且经济高效的生物工艺。
引言
随着环境问题的日益严重和全球变暖，人们对生物润滑油的兴趣日益增加，因为它们具有可生物降解和环保的特性，可以替代化石基产品[1],[2]。植物油作为生物润滑油的主要原料，具有良好的可生物降解性和低生态毒性[2]。转向植物基生物润滑油是减少环境影响的重要一步，同时保持了其功能性，这与全球减缓气候变化和促进可持续工业实践的努力相一致。
生物润滑油通常使用多种植物油来源进行配制，包括大豆油、棕榈油、椰子油、麻疯树油和废弃食用油[3],[4]。先前的研究表明，原材料成本占生物润滑油总生产成本的75%以上[3]。食品制造过程中产生的废弃食用油是一种潜在的工业利用资源，可用于生物柴油生产和肥皂制造[5],[6]。据估计，全球每年产生的废弃食用油量约为1654万吨[7]。对废弃食用油的需求不断增长，尤其是在生物柴油生产方面，导致了资源竞争[8]。这些油存在质量挑战，如成分不一致、污染物含量高和脂肪酸组成多样，需要复杂的净化过程[11],[12]。相比之下，微生物油具有可控的生产条件、稳定的质量、可定制的脂肪酸组成和可扩展性等优势[9],[10]。然而，可持续原料的成本和可用性仍然是生物润滑油广泛采用的重大障碍。
产油微生物（如酵母、真菌和微藻）可以产生占其生物量20%以上的油脂[11],[12]。这些微生物已被广泛用于工业生物产品的生产。其中，酵母因其高效性而在微生物油生产方面受到了特别关注[13]。Rakkitchanpun等人利用Pseudozyma parantarctica的油脂合成了生物柴油[14]，而Samranrit等人则利用稻草水解物中的酵母油制备了生物聚氨酯泡沫[15]。Papadaki等人使用Rhodosporidium toruloides和Cryptococcus curvatus的酵母油合成了三甲基醇丙烷（TMP）多元醇酯作为生物润滑油[16]。产油酵母的优势在于其较高的产油率以及与油料植物相似的脂肪酸组成[17],[18]。此外，酵母油的生产所需资源较少，生产周期也更短。因此，产油酵母是替代植物油生产各种生物油产品的有前景的选择[19]。
尽管微生物油生产具有潜力，但要将其成功转化为商业化规模的技术仍需先进的生物技术。在提高细胞内油脂合成效率和优化传统收获方法方面已取得显著进展[20]。然而，微生物油的下游加工仍然是一个重大的经济挑战。细胞内油脂的提取是生物精炼过程中的关键步骤，它将上游和下游工艺结合在一起[21]。油脂提取效率显著影响基于油脂产品的成本[22]。传统的提取方法（如索氏提取、加压流体提取和原位反应提取）主要适用于小规模应用[23],[24]。从干燥的产油生物质中提取油脂比从湿润生物质中提取更高效，但传统的提取方法需要细胞收获和脱水，这在大规模应用中因能耗过高而具有经济障碍[25],[26]。因此，迫切需要开发更高效、可扩展且经济的油脂提取工艺。与下游加工相关的经济限制是微生物油工业化应用的主要障碍[27]，细胞内油脂生产的可行性在很大程度上取决于下游产品回收技术的效率。这些工艺依赖于破坏细胞的方法，而这些方法占总生产成本的约70%[28]。
先前的研究成功开发了一种生物技术工艺，可以在不破坏细胞的情况下，利用非离子表面活性剂促进Rhodotorula toruloides（旧称Rhodosporidium toruloides）TISTR 5186菌株向培养基中分泌细胞内油脂[29]。添加Tween-20可诱导细胞内油脂释放到细胞外环境中，使R. toruloides的酵母油分泌量增加了约77.3%。然而，从水相中回收细胞内油脂需要大量的溶剂。也有研究探索了从大型培养基-水相中回收油脂的方法。先前的研究调查了微生物油生产的潜力以及在发酵过程中添加吸附树脂作为油捕获剂（OCAs）的影响[27],[30]。吸附树脂主要由与二乙烯基苯交联的聚苯乙烯骨架组成，在发酵和生物加工应用中发挥着关键作用[31]。这些疏水性材料通过疏水相互作用或π-π键与类似化合物结合，非离子聚合物吸附剂对不太疏水的代谢物具有特别的效果[30],[32],[33]。通过引入功能基团（羟基、氨基、氰基）可以增强吸附选择性，以适应不同的应用。在发酵过程中，这些树脂通过捕获化合物、防止降解、反馈抑制和细胞毒性来显著提高产物产量[31]。吸附树脂是提高产物提取效率和浓度的主流回收技术，同时减少降解和细胞毒性。这种方法简化了后续分离步骤，提高了发酵和回收过程的总体效率。选择高吸附能力的OCA基质从水相中分离有机化合物，在早期纯化步骤中已被证明是有效的[31],[34]。这些方法大多应用于发酵和细胞收获后的下游加工阶段。
章节摘录
酵母菌株和接种物制备
本研究中使用的产油酵母R. toruloides TISTR 5186来源于泰国科学技术研究院。该菌株保存在含有75% v/v甘油的酵母麦芽（YM）培养基中，并在-80°C下保存作为主库存培养物。首先将1毫升主库存酵母培养物在30 mL的YM培养基中活化，并在30°C下进行24小时的厌氧培养，同时以200 rpm的速度搅拌。随后，将此活化培养物的5%扩大到YM培养基中
利用R. toruloides TISTR 5186同时生产酵母油并使用油捕获剂进行原位回收
在批处理过程中研究了使用不同OCAs的同时生产酵母油和原位回收的方法。R. toruloides TISTR 5186产生的细胞内油脂通过添加Tween-20在72小时后被分泌到培养基中[29]。Tween-20的表面活性剂特性增加了细胞膜的通透性，促进了营养物质的吸收和油脂的分泌[29],[37]。细胞外油脂的回收
结论
本研究成功地将甘油生产酵母油与使用OCA的原位油回收以及随后的生物润滑油合成相结合。在R. toruloides培养过程中，使用SP70 OCA时获得了最高的油回收率。连续培养和在线油回收的结合显著提高了酵母油的产量效率。在初步条件下，甘油基酵母油被有效地转化为生物润滑油。研究结果表明，OCA
CRediT作者贡献声明
Kessuda Ngernsombat：撰写——初稿、可视化、方法论、研究、数据分析。Sasitorn Khuntong：撰写——审阅与编辑、方法论。Parichat Koedprasong：撰写——审阅与编辑、方法论。Thidarat Samranrit：撰写——审阅与编辑、方法论。Utt Eiamprasert：撰写——审阅与编辑、研究、数据分析。Witsanu Srila：撰写——审阅与编辑、研究。Sujaya Ritthisorn：撰写——审阅与编辑
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了泰国国家科学技术研究创新基金（TSRI）通过Rajamangala技术大学（RMUTT）（[Grant no. FRB660012/0168]）的支持。作者感谢RMUTT科学与技术学院生物系提供的科学仪器和实验室支持。
