Recent Advances in Cofactor Engineering Applied to Modulate Esters or Higher Alcohols in Fermented Beverages of Saccharomyces cerevisiae
辅因子工程调控酿酒酵母发酵饮料中酯类与高级醇的研究进展
来源：Fermentation 2026, 12, 165
摘要
辅因子是酶促反应中电子、原子或官能团的核心载体，调控细胞氧化还原平衡与能量代谢；酿酒酵母胞内NAD (H)、NADP (H)、CoA、乙酰 - CoA等辅因子的丰度与比例，直接决定酯类、高级醇等关键香气物质的生物合成通量。本文综述辅因子工程调控酿酒酵母酯类、高级醇及 2,3 - 丁二醇合成的最新研究进展，解析相关代谢通路，总结辅因子池重塑、碳流重定向的核心研究，介绍核糖开关、精细启动子系统等精准辅因子平衡工具，提出辅因子工程在定制化风味酵母细胞工厂构建中的挑战与应用前景。
关键词
风味化合物；氧化还原平衡；乙酰辅酶 A；发酵；代谢工程
研究目的
系统梳理辅因子工程在酿酒酵母中调控发酵饮料核心风味物质（酯类、高级醇）及 2,3 - 丁二醇合成的研究进展；阐明NAD (H)/NADP (H)、CoA / 乙酰 - CoA等辅因子对香气物质合成的调控机制；总结辅因子工程的实施策略与新兴技术工具；指出当前研究瓶颈并展望应用方向，为酿酒酵母定向改造、实现发酵饮料风味定制化提供理论与技术支撑。
研究思路
以酿酒酵母发酵饮料的核心香气物质为研究对象，先解析酯类、高级醇、2,3 - 丁二醇的生物合成代谢通路；再分别阐述CoA / 乙酰 - CoA 调控、氧化还原辅因子调控两类辅因子工程策略在三类物质合成中的应用进展；随后从发酵参数优化、辅因子水平调控、合成生物学工具应用三方面梳理落地策略；最后归纳研究结论、现存挑战与未来发展方向。
研究亮点
（1）聚焦发酵饮料核心风味，首次系统关联辅因子全局代谢与酯类 / 高级醇合成的调控关系，突破单基因改造的局限性；（2）明确乙酰 - CoA/CoA、NAD (P) H/NAD (P)+两大辅因子网络对酯类、高级醇合成的差异化调控机制；
（3）整合 CRISPR 编辑、启动子工程、核糖开关等合成生物学工具，提出辅因子精准平衡、动态调控的创新方案；
（4）覆盖白酒、啤酒、葡萄酒等多类工业发酵场景，兼顾基础机制解析与产业化应用落地。
可延伸研究方向
（1）开发酿酒酵母胞质、线粒体、过氧化物酶体的细胞器特异性辅因子靶向调控技术；（2）构建辅因子响应型生物传感器，实现酯类 / 高级醇的动态自适应精准调控；（3）在木质纤维素水解液、麦芽汁等工业复杂底物中，验证辅因子工程菌株的风味调控稳定性；（4）结合多组学与基因组尺度代谢模型，实现多目标辅因子工程（同步增酯、控高级醇、调 2,3 - 丁二醇）；
（5）将辅因子工程拓展至巴氏酵母等工业酿酒酵母，适配不同发酵饮料品类的风味需求。
测定数据、对应图表及研究意义
（1）辅因子工程策略及多类生物产物合成应用概况（图 1）：直观展示辅因子工程在氨基酸、天然产物、生物燃料、风味物质合成中的应用布局，明确本综述的领域定位与研究价值；
（2）高级醇、乙酰 - CoA 与乙酸酯的代谢网络（图 2）：解析酯类、高级醇、2,3 - 丁二醇的合成通路关联，明确辅因子在各代谢节点的调控作用，为机制阐释提供核心通路框架；
（3）辅因子工程的潜在策略（图 3）：从发酵参数、辅因子水平、合成生物学工具三方面系统梳理落地路径，为工业应用提供技术指导；
（4）辅因子驱动调控风味生物合成的研究进展（表 1）：汇总菌株、目标产物、核心辅因子、调控策略及应用场景，量化辅因子工程对酯类合成的提升效果，支撑研究进展的系统性总结；
（5）辅因子工程生产 2,3 - 丁二醇的研究进展（表 2）：统计酿酒酵母工程菌株的基因修饰、培养条件、产物浓度 / 得率 / 生产强度，明确辅因子调控对 2,3 - 丁二醇合成的增效作用。
研究结论
（1）辅因子工程是酿酒酵母全局定向调控酯类、高级醇、2,3 - 丁二醇合成的核心策略，调控效果显著优于单基因改造；（2）强化 CoA / 乙酰 - CoA 供给可大幅提升乙酸酯、中链脂肪酸乙酯合成，调控 NAD (P) H/NAD (P)+ 平衡可定向优化风味谱；（3）过表达 NADH 氧化酶、阻断乙醇 / 甘油竞争通路，可显著提升 2,3 - 丁二醇的产量与得率；（4）辅因子区室化差异、动态调控工具缺失、工业底物适配性差、多目标优化复杂是当前主要研究挑战；
（5）辅因子工程结合合成生物学与系统生物学，将成为构建定制化风味酵母细胞工厂的核心技术。
芬兰 Bioscreen 仪器微生物生长曲线数据的研究意义
本文为综述论文，未直接使用 Bioscreen 开展实测；结合该仪器在辅因子工程相关研究中的标准应用场景，其微生物生长曲线数据的核心研究意义如下：（1）工程菌株生长表型精准表征：实时高通量监测酿酒酵母 OD 值，获取延滞期、对数期、最大比生长速率、稳定期生物量等参数，定量评估辅因子改造是否造成菌株代谢负担，保障工业生长适配性；（2）生长与风味合成耦合关联：将生长曲线与酯类 / 高级醇合成量联动分析，明确菌株生长阶段与香气物质合成的耦合规律，指导发酵时序与补料策略优化；（3）辅因子调控效果高通量筛选：平行检测多株辅因子工程酵母的生长差异，快速筛选生长优、风味调控效果好的目标菌株，缩短菌株改造周期；（4）发酵工艺参数优化支撑：通过不同温度、pH、底物浓度下的生长曲线，确定工程菌株最优发酵条件，匹配工业化生产需求；（5）辅因子平衡机制间接验证：生长速率、生物量稳态变化可间接反映胞内辅因子平衡状态，验证辅因子工程对中心代谢的正向调控效果。