β-胡萝卜素是一种重要的天然类胡萝卜素，广泛应用于食品、医药和化妆品等领域。传统的生产过程通常依赖葡萄糖等粮食碳源，存在成本高、可持续性差等问题。木质纤维素作为一种丰富的可再生非粮资源，是实现绿色生物制造的重要原料。其中，木糖是木质纤维素中的主要单糖，而乙酸则是其水解过程中的主要副产物。随着CO₂制取乙酸技术的不断突破，木糖与乙酸的协同利用在低碳与可持续生物制造中展现出更加广阔的应用前景。

近日，中国科学院天津工业生物技术研究所张燕飞研究员、赵国屏院士研究团队在非粮碳源高值化利用和绿色生物制造领域取得重要进展。研究团队通过工程化改造解脂耶氏酵母 (Yarrowia lipolytica)，实现了两种来源于木质纤维素水解液的主要碳源木糖（C5）与乙酸（C2）的高效共利用，从而显著提升了β-胡萝卜素的生物合成效率。该研究以木质纤维素衍生物为原料，构建了绿色、低碳的代谢网络，充分体现了可再生资源高值化转化的优势。

在研究中，团队首先在β-胡萝卜素高产菌株中同时引入异源的木糖氧化还原脱氢 (XR-XDH) 途径和木糖异构途径 (XI) 途径，使菌株能够以木糖为唯一碳源进行生长与产物合成，β-胡萝卜素产量达到185.4 mg/L。随后，为增强乙酰辅酶A供给，研究人员引入乙酸钠作为补充碳源，并通过优化木糖与乙酸比例，在25 g/L木糖和25 g/L乙酸钠作为混合碳源的条件下，β-胡萝卜素产量提升至728.9 mg/L。进一步地，通过引入非氧化糖酵解途径（Non-Oxidative Glycolysis, NOG），有效促进了5-磷酸木酮糖向乙酰辅酶A的直接转化，提高了碳流利用效率。在优化体系下，菌株最终实现了776.9 mg/L的β-胡萝卜素产量和70.4 mg/g干细胞重的胞内含量，较单一木糖碳源提升了4.2倍。

该研究展示了木糖和乙酸向高附加值类胡萝卜素高效转化的潜力，为实现经济可行、环境友好的木质纤维素生物利用提供了新思路。研究同时证明了解脂耶氏酵母在利用木质纤维素及一碳资源生产高值化合物方面的优势，有助于降低发酵工业对葡萄糖的依赖，推动低碳循环生物制造的发展。

该研究工作得到国家重点研发计划、湖南省教育厅重点项目、国家自然科学基金、中国烟草总公司科技项目基金、天津市合成生物技术创新能力提升行动项目的资助。相关成果已发表于国际学术期刊Journal of Agricultural and Food Chemistry，并申请专利1项。中南大学客座硕士研究生林汝涛和天津工生所工程师马雨悦为论文共同第一作者，张燕飞研究员、赵国屏院士和中南大学杨宇教授为论文的共同通讯作者。

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图1 共利用木糖和乙酸高效合成β-胡萝卜素的细胞工厂策略

图2 利用木糖和乙酸的混合碳源或单一碳源所对应的细胞生长和β-胡萝卜素的产量

图3 加强NOG途径对β-胡萝卜素产量的影响