Nature子刊：延迟共培养策略高效生产茉莉香味分子乙酸苄酯

茉莉花香，清新淡雅，持久迷人，其独特的芬芳深受人们喜爱，被誉为世界上最受欢迎的花香之一。然而，传统的提取方法受限于高成本、低产量和季节因素，极大地限制了茉莉花香在香水、化妆品等产业的广泛应用，从而制约了相关产业的发展。

乙酸苄酯，作为茉莉花香味的核心成分，具有独特而浓郁的香气，是众多行业的关键原料。它不仅广泛应用于日用化工、油漆、纺织等行业，还是肥皂和香精的重要成分，甚至在某些食用香精中也能找到它的身影。然而，传统提取方法的局限性导致乙酸苄酯的产量难以满足市场需求，限制了其在各领域的应用。

目前，乙酸苄酯主要通过基于石油的化学合成方法生产，如甲苯的乙酰氧基化或使用无机催化剂的乙酸苄基化。尽管这种方法生产效率高、成本较低，但其可能带来的安全隐患和对环境的潜在影响仍不容忽视。

为了突破这一瓶颈，香精香料行业开始积极探索新的生产方式。随着生物技术的迅猛发展，利用工程微生物生产香味物质成为了一种可行的替代方案。工程微生物能够模拟天然生物合成过程，生产出更为纯净、接近天然的产品。通过酶促酯交换反应，工程微生物可以利用苯甲醇和酰基供体（如乙酸乙烯酯和乙酸乙酯）来高效生产乙酸苄酯。这种生产方式不仅显著提高了生产效率，还降低了对环境的影响。

近日，来自荷兰格罗宁根的两位科学家报道了 Choi 等人所采取的全新的方法，即采取“延迟共培养策略”，利用大肠杆菌来高效生产茉莉香味分子乙酸苄酯。这一策略不仅使副产物浓度降低了 3 倍，还节省了生产时间和生产成本。

该报道的作者是荷兰格罗宁根大学药学研究学院的Nika Sokolova和Kristina Haslinger，他们研究的主要研究方向是化学与药物生物学。

（来源：Nature Chemical Engineering）

在这项研究中，由于大肠杆菌本身并不自然产生这种化合物，研究者们通过采用来自不同生物体特性已知的酶，设计了两条新颖的生物合成途径。这些途径包括上游和下游模块，能够将大肠杆菌的天然芳香代谢产物转化为乙酸苄酯。

在测试新的下游模块之前，研究者们首先评估了乙酸苄酯对大肠杆菌的毒性，并实施了一种两阶段萃取培养法，以确保大肠杆菌在预期的产量范围内保持活性。

通过一系列实验，研究者们证明了在特定条件下，大肠杆菌可以生产乙酸苄酯。他们发现，当大肠杆菌只表达下游模块时，通过添加前体物质，就可以生成乙酸苄酯。同时，他们尝试使用两种大肠杆菌菌株共同培养，一种负责上游模块，另一种负责下游模块，这样可以从葡萄糖中生成乙酸苄酯。

在这个过程中，研究者们发现模块的基础设计、下游模块中酶的选择以及大肠杆菌底盘的基因型，都会影响乙酸苄酯的产量。不过，两种菌株在共同培养中的接种比例，对产量的影响最为显著。

计算机模拟的结果表明，如果一个单一的大肠杆菌能同时表达两个模块，其表现可能会优于共培养系统。但是，当研究者们尝试生成一个以苯甲酸为中间产物的大肠杆菌菌株时，他们并没有成功。对于以苯甲醇为中间产物的设计，他们需要对菌株进行额外的基因改造，以达到预期的产量。

因此，研究者们选择了对苯甲酸依赖途径模块表达最佳的两种菌株（Bn1 和 Bn-BnAc3）的共培养系统进行发酵优化，以进一步提高乙酸苄酯的产量。

然而，由于在共培养过程中乙酰转移酶的混杂活性，还产生了大量的肉桂酸乙酯作为副产物。为解决这一问题，研究者们提出了一种延迟共培养策略。这一策略分两步进行，首先单独接种 Bn1 菌株以产生目标量的苯甲酸；48 小时后，将 Bn-BnAc3 菌株添加到生物反应器中，将新形成的苯甲酸转化为乙酸苄酯。

▲图 | 延迟共培养策略生产乙酸苄酯（来源：上述论文）

实验证明，与经典的连续培养策略相比，采取延迟共培养策略使副产物的浓度降低了 3 倍，且后者将菌株 1 的无细胞培养上清液用作菌株 2 的培养输入，能够节省去除细胞的时间和成本，并且可能从微生物菌群内的协同效应中获益。在进一步优化接种延迟、接种物体积和密度后，经过 108 小时的两次发酵，乙酸苄酯的浓度达到 2238±171.9 mg/L，而副产物肉桂酸乙酯的产生量为 797.8±220.9 mg/L。

最后，研究者们评估了该过程的经济可行性。分析表明，虽然当前基础设施以及加热和冷却的成本会相当高，但随着产品产量和回收率的提升，其经济可行性有望增强。此外，当考虑到其他因素，例如与化学合成相比时生物合成对于温室气体排放的显著降低以及其生产的可持续性，其优势也将得到更广泛的肯定。

综上所述，这项研究的成功，不仅为香水、化妆品等产业提供了一种新型、可持续的原料来源，也为其他香味物质的生产提供了新的思路和方法，这对于保护生态环境、促进产业发展具有相当重要的现实意义。

素材来源官方媒体/网络新闻

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