奇数链脂肪酸（OCFAs）微生物生产技术综述

一、市场重要性、分类与应用背景

脂肪酸是化学工业中至关重要的基础材料，因其多功能性、可再生性以及作为高度功能化的前体，可转化为表面活性剂、润滑剂、聚合物等众多产品。通过调整链长和饱和度，可以精准调控产品的物理特性（如熔点、黏度）。

虽然自然界和工业中以偶数链脂肪酸为主，但奇数链脂肪酸（OCFAs）因其独特的化学结构（末端丙酰基单元）在反应活性和物理特性上具有独特优势，正日益受到重视。

1. OCFAs的分类与市场现状

根据链长，OCFAs分为短链（SOCFAs, C3-C7）和长链（LOCFAs, C15-C19）两类：

○ 短链OCFAs (SOCFAs)：

• 丙酸 (C3)：用途最广，用作防腐剂、溶剂和共聚单体。全球市场规模约35-40万吨/年，年复合增长率（CAGR）为5-6%。

• 戊酸 (C5)：主要用于农用化学品和香料，市场规模较小（2-4万吨/年），CAGR约5-7%。

• 庚酸 (C7)：产量最低（约1万吨/年），主要用于香水、香精及合成润滑油。

○ 长链OCFAs (LOCFAs)：

• 如十五烷酸（C15:0）和十七烷酸（C17:0），天然存在于反刍动物脂肪和某些微生物中。

• 具有潜在的健康益处（抗炎、心脏保护），并用于生物燃料和特种化学品。

• 市场增长迅速，预计C15和C17的年复合增长率分别为5%和6.5%。

2. 生产方式的转变

传统生产主要依赖石化工艺（如乙烯氢羧基化制丙酸）。目前，利用微生物发酵和代谢工程进行生产，因其可持续性（利用可再生碳源）和减少对石化产品依赖的优势，已成为研究热点。

• 丙酸：可由Acidipropionibacterium acidipropionici（原Propionibacterium acidipropionici）通过Wood-Werkman循环，利用葡萄糖或乳酸合成；也可由部分梭菌（Clostridium spp.）通过丙烯酸途径，以乳酸为底物经脱水生成丙烯酸，再还原为丙酸。

• 戊酸与庚酸：通常由链延长细菌（如Clostridium kluyveri、Megasphaera elsdenii）以丙酰辅酶A为引物，通过反向β-氧化逐步添加C2单元（乙酰辅酶A）实现。

• 代谢工程改造：对于非天然产OCFA的微生物（如大肠杆菌 Escherichia coli、解脂耶氏酵母 Yarrowia lipolytica），可通过引入或过表达丙酰辅酶A合成途径，或敲除竞争性乙酰辅酶A途径，实现OCFA的异源生产。

二、混合培养体系中短链OCFAs (SOCFAs) 的生产

利用厌氧微生物群落（开放培养）生产SOCFAs是一种极具前景的生物工艺，尤其适合处理复杂底物和废弃物。

1. 厌氧发酵（AF）条件与原料

○ 核心机制：利用厌氧微生物群落（细菌和古菌）分解有机物。关键在于抑制产甲烷过程，以促进短链脂肪酸的积累。

○ 底物选择：

• 乳酸和糖类是促进丙酸生成的主要底物。乳酸通过丙烯酸途径转化为丙酸。

• 废弃物转化：富含碳水化合物的废弃物（如柳枝稷、纸张废弃物）生物转化率可达50% COD-SOCFAs，优于富含蛋白质的废弃物（约30%）。

• 气体原料：合成气（CO2/CO）也可通过伍德-朗达尔途径被某些梭菌转化为丙酸。

○ 运行参数：

• pH值：控制在6～7有利于SOCFAs生成；pH低于4.5会导致酸化障碍。

• 其他因素：较高的有机负荷率、较低的氧化还原电位（还原性环境）以及微量元素（如钴、锌）有助于提高产量。

2. 关键微生物群落

厌氧发酵中SOCFAs的产量与微生物群落结构密切相关，受接种物、底物、反应器构型和操作条件共同影响。

• 与丙酸正相关的菌群：Paludibacter、Parabacteroides、Acidaminococcaceae科成员，以及在碱性pH（10）条件下富集的Desulfovibrio、Acinetobacter等。

• 与戊酸正相关的菌群：Bacteroides、Parabacteroides、Zoogloea、Megasphaera，以及极端pH条件下的特定类群。

• 蛋白类底物：可富集梭菌纲（Clostridia）和韦荣氏菌科（Veillonellaceae），后者可将乳酸转化为丙酸和戊酸。

• 难降解底物：如橄榄油废渣，在碱性条件下可富集Tissierella、Soehngenia等。

需警惕的消耗性菌群：

• 互养丙酸氧化菌（如Syntrophobacter、Smithella）会降解丙酸。

• 互养β-氧化菌（如Syntrophomonas）可协同氢营养型产甲烷菌降解丙酸和戊酸。

• Desulfobulbus和Desulfovibrio可通过硫酸盐还原途径消耗SCFAs。

为抑制这些不利菌群，可采取短HRT、高氨氮浓度和优化pH/温度等策略。

3. 工艺优化与生物强化

○ 生物强化：向本地群落中添加特定菌株以提升性能。

• 添加丙酸杆菌可使丙酸产量从1 g COD/L提升至近4 g COD/L。

• 添加乙酸梭菌（Clostridium aceticum）也能显著提高丙酸和丁酸产量。

○ 策略：通过调控水力停留时间（HRT）、氨浓度和pH值，可以有效抑制竞争菌，富集目标菌群。

三、单一菌株体系中长链OCFAs (LOCFAs) 的生产

长链OCFAs（C15, C17, C19）主要通过微生物脂质合成积累，通常利用丙酰辅酶A替代乙酰辅酶A作为起始单元。

1. 酵母（Yeast）

○ 主要菌株：解脂耶氏酵母（Y. lipolytica）、托鲁红酵母（R. toruloides）、弯曲皮肤毛孢子菌等。

○ 碳源：利用丙酸（HPro）或1-丙醇作为前体。

• 丙酸浓度是关键，5 g/L HPro可使LOCFA含量增至68%，但高浓度会抑制生长。

• 采用分批补料或与葡萄糖/乙酸共发酵可缓解抑制。

○ 代谢工程：

• 敲除PHD1基因（阻断丙酰辅酶A代谢）可使LOCFA含量提升至47%。

• 过表达丙酰辅酶A转移酶（Repct）或合成酶（SeprpE），并优化碳源比例（丙酸:乙酸:葡萄糖），可使产量达到60%以上。

• 最新进展：通过过表达苏氨酸合成途径基因，实现了仅利用葡萄糖无需补充丙酸即可合成OCFAs。

2. 细菌（Bacteria）

○ 特点：采用II型脂肪酸合成系统（FAS），易于进行基因工程改造。

○ 主要菌株：罗德西亚菌（Rhodosiae）、大肠杆菌（E. coli）。

○ 表现：

• 罗德西亚菌YHY01在优化培养基下可积累69%（w/w）的脂肪酸，其中LOCFA占比达85%。

• 工程化大肠杆菌利用葡萄糖和丙酸可生产0.276 g/L的LOCFAs。

• 通过代谢工程平衡乙酰辅酶A与丙酰辅酶A的比例是提高产量的核心。

3. 微藻（Microalgae）

○ 现状：研究较少，通常以CO2为碳源主要生成偶数链脂肪酸。

○ 潜力：异养或兼养菌株（如裂殖壶藻 Schizochytrium）利用有机底物（SCFAs）表现出巨大潜力。

• 在真实废弃物消化液中培养，LOCFAs浓度可达2.5 g/L。

• 敲除甲基丙二酰辅酶A变位酶（MCM）基因可阻断丙酰辅酶A的消耗，使LOCFAs滴度提升至6.8 g/L。

四、基于废弃碳源生产LOCFAs的新策略

1. 合成生物学路径优化

通过增强丙酰辅酶A供给，可有效提高LOCFA占比。常用方法包括：

• 过表达丙酰辅酶A合成酶（如SeprpE）或丙酰辅酶A转移酶（如Repct），促进丙酸活化。

• 敲除丙酰辅酶A消耗通路（如PHD1基因），减少其进入TCA循环的流量。

2. 代表性工程菌株成果

表1. 各类工程菌株中LOCFAs占总脂质比例的比较

3. 非外源丙酸途径

通过强化苏氨酸合成途径，可从葡萄糖直接生成丙酰辅酶A，在Y. lipolytica中实现无需外源丙酸的LOCFA生产（LOCFA占比5.6%）。类似策略在S. cerevisiae中也已实现（LOCFA占比51.9%）。

4. 微藻工程

在Schizochytrium中，敲除甲基丙二酰辅酶A变位酶（MCM）可阻断丙酰辅酶A进入TCA循环，使LOCFA比例提升至20.2%（2.82 g/L），结合补料分批策略可达6.8 g/L。

图1. 解脂耶氏酵母（Y. lipolytica）高产脂菌株（obese strains）中合成奇数链脂肪酸（OCFA）的工程化代谢途径

注：图中以红色箭头和“×”分别标示被过表达和敲除的酶。用于促进丙酰辅酶A（propionyl-CoA）积累的工程化酶以橙色椭圆表示，而用于提高总脂质含量（即高产脂菌株）的工程化酶则以蓝色椭圆表示。

五、挑战与未来展望

1. 当前面临的主要挑战

• 前体供应限制：丙酰辅酶A等关键前体的供应有限，且存在竞争性代谢途径。

• 产物抑制与毒性：高浓度的丙酸和长链脂肪酸对微生物细胞具有毒性，限制了发酵浓度。

• 下游处理成本高：

- SOCFAs：需从复杂的消化液（含氮、磷）中分离回收，步骤繁琐（离心、膜分离、萃取）。

- LOCFAs：主要存在于细胞内，需细胞破碎（高压均质、超声波）和溶剂萃取（氯仿/甲醇或绿色溶剂）。

- 分离纯化：奇数链与偶数链脂肪酸性质相似，分离困难，常需尿素络合或分级结晶。

• 经济性：目前生物工艺的成本与传统石化工艺相比竞争力不足。

2. 未来发展方向

• 系统代谢工程：

- 利用CRISPR基因编辑、AI和机器学习优化菌株。

- 构建合成微生物群落（SynComs），分工协作（如一种菌降解底物，另一种菌合成产物）。

• 工艺创新：

- 开发连续发酵系统和实时监测自动化。

- 结合动态代谢调控（生物传感器、反馈控制）。

• 原料多样化：深入挖掘木质纤维素、工业废料等非粮原料，推动循环生物经济。

• 一体化生物炼制：将OCFAs生产与下游高附加值产品转化结合，提升整体经济可行性。

图2. 推进微生物奇数链脂肪酸（OCFAs）生产的替代发展路径

六、结论

✅ 微生物生产OCFAs是替代石化产品的可持续路径。虽然目前仍处于起步阶段，但随着合成生物学和生物工艺的进步，利用混合培养处理废弃物生产SOCFAs，以及利用工程化单一菌株生产高价值LOCFAs，正展现出巨大的工业化潜力。

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更新日期：2026-06-30

编制人：思琪

审稿人：叶凡