2026年2月，天津科技大学生物工程学院陈叶福教授团队在国际Top期刊《Bioresource Technology》（中科院一区，IF：9.0）发表题为“metagenomic mining and functional reconstitution of hexanoic acid biosynthetic enzymes from Baijiu pit bottom”（白酒窖底己酸生物合成酶的宏基因组挖掘与功能重构建）的研究性论文。天津科技大学生物工程学院博士研究生王新建为第一作者，天津科技大学生物工程学院武晓乐副教授和陈叶福教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金面上项目资助。
摘要
己酸是白酒中的关键风味物质，也是一种极具价值的平台化工原料，但其高效生物合成仍面临诸多挑战。为克服酿酒酵母中逆β-氧化（RBO）途径的碳链延伸瓶颈，本研究从酱香型白酒窖池底部产己酸微生物群落的宏基因组资源中开展挖掘。富集获得3组不同的己酸复合菌液，均能同时合成丁酸、己酸和辛酸。宏基因组分析表明，尽管菌群组成存在差异，但这些菌群具有相似的核心功能酶。进一步相关性分析发现，3-羟酰基-CoA脱氢酶（HBD）和乙酸辅酶A转移酶（CAT）与己酸合成呈显著正相关。随后将这些酶在构建了RBO途径的工程酵母菌株中进行异源表达，其中CAT‑1的表达可使丁酸和己酸产量分别提高25%和34%，这也是CAT首次被应用于强化酿酒酵母合成丁酸和己酸。综上，本研究创新性地从酱香型白酒窖底微生物群落中鉴定出关键酶CAT，并通过异源表达实现了己酸的高效合成。该工作不仅为高性能功能酶的挖掘提供了策略，也为己酸的高效生物合成提供了理论依据与技术参考。
研究亮点
► 酱香型白酒窖底中产己酸微生物与酶系的解析
► 碳源塑造微生物群落以调控己酸合成
► 首个在酿酒酵母逆β-氧化途径中实现碳链延长的乙酸辅酶A转移酶
► CAT‑1可使己酸和丁酸产量分别提升34%和25%
► 酱香型白酒窖底中产己酸微生物与酶系的解析
► 碳源塑造微生物群落以调控己酸合成
► 首个在酿酒酵母逆β-氧化途径中实现碳链延长的乙酸辅酶A转移酶
► CAT‑1可使己酸和丁酸产量分别提升34%和25%
研究结论
1.酱香型白酒窖底产己酸菌群的富集方法优化与产酸效能解析
研究首先明确了窖底产己酸菌群的富集策略。过去常认为热激能筛选耐热梭菌，但实验证明其产己酸功能极度依赖“耐热梭菌-非耐热共生菌”所构成的群落网络。
关键发现：热激处理虽保留了耐热孢子，却杀死了关键共生菌，导致产酸功能丧失。
环境制胜：相比试管体系，三角瓶体系因能提供更优的生态位实现最高4.58 g/L的己酸产量。
采样优化：黄水（7.10 g/L）与窖泥（6.07 g/L）是理想的富集源，而酒醅表现欠佳。此外，窖泥菌群的产酸过程高度依赖外源乙醇和乙酸。
2.不同己酸复合菌液的宏基因组分析揭示了菌群互作驱动己酸的高效合成
通过对不同富集液的宏基因组测序，发现碳源对产己酸菌的富集起到了决定性作用。
物种差异：黄水来源菌群物种更丰富，且在纲水平上就展现出独特性。
优势菌群：高产组（乙醇为碳源）富含克氏梭菌等产己酸菌；而低产组（葡萄糖为碳源）则被乳酸菌占据。
碳源决定物种组成：以乙醇为碳源的ESM培养基能构建协同代谢网络，而以葡萄糖为碳源的mCGM培养基缺乏构建协同代谢网络的能力，导致乳酸菌占据优势，产酸量较低。
3.基于酶功能注释的不同己酸富集液微生物群落代谢功能解析
利用KEGG、CAZy及eggNOG等数据库对富集液进行功能注释，结果表明：尽管不同来源的菌群在物种组成上存在差异，但其核心代谢功能酶具有高度的一致性。差异主要体现在碳水化合物的代谢能力上，这与菌群原始的栖息地环境及富集所用的碳源密切相关。
1.酱香型白酒窖底产己酸菌群的富集方法优化与产酸效能解析
研究首先明确了窖底产己酸菌群的富集策略。过去常认为热激能筛选耐热梭菌，但实验证明其产己酸功能极度依赖“耐热梭菌-非耐热共生菌”所构成的群落网络。
关键发现：热激处理虽保留了耐热孢子，却杀死了关键共生菌，导致产酸功能丧失。
环境制胜：相比试管体系，三角瓶体系因能提供更优的生态位实现最高4.58 g/L的己酸产量。
采样优化：黄水（7.10 g/L）与窖泥（6.07 g/L）是理想的富集源，而酒醅表现欠佳。此外，窖泥菌群的产酸过程高度依赖外源乙醇和乙酸。
2.不同己酸复合菌液的宏基因组分析揭示了菌群互作驱动己酸的高效合成
通过对不同富集液的宏基因组测序，发现碳源对产己酸菌的富集起到了决定性作用。
物种差异：黄水来源菌群物种更丰富，且在纲水平上就展现出独特性。
优势菌群：高产组（乙醇为碳源）富含克氏梭菌等产己酸菌；而低产组（葡萄糖为碳源）则被乳酸菌占据。
碳源决定物种组成：以乙醇为碳源的ESM培养基能构建协同代谢网络，而以葡萄糖为碳源的mCGM培养基缺乏构建协同代谢网络的能力，导致乳酸菌占据优势，产酸量较低。
3.基于酶功能注释的不同己酸富集液微生物群落代谢功能解析
利用KEGG、CAZy及eggNOG等数据库对富集液进行功能注释，结果表明：尽管不同来源的菌群在物种组成上存在差异，但其核心代谢功能酶具有高度的一致性。差异主要体现在碳水化合物的代谢能力上，这与菌群原始的栖息地环境及富集所用的碳源密切相关。
4.基于酶-产物关联分析筛选己酸生物合成关键酶
研究测定了不同样品中丁酸、己酸、辛酸的积累量，发现脂肪酸的组分分布具有明显差异。
产量特异性：黄水样品利于己酸积累，而窖泥样品则在辛酸合成上表现更佳。
关键酶确定：进一步的相关性分析明确了不同酶对脂肪酸链长的合成偏好性，最终锁定HBD（EC:1.1.1.35）与CAT（EC:2.8.3.8）为与己酸合成高度正相关的关键功能酶。
5. 产己酸酿酒酵母工程菌异源表达己酸生物合成关键酶以验证其功能
为验证筛选结果，研究构建了异源表达关键酶的酿酒酵母工程菌。
产量提升：引入优选酶Cat-1后，丁酸和己酸产量较出发菌株分别提升25%和34%。
机制解析：口袋匹配：相比其他组别，Cat-1的活性口袋大小更适合结合己酰-CoA。
亲和力强：分子对接显示Cat-1与己酰-CoA 结合能更低，形成了更致密的催化网络。
总结与展望
此次研究成果不仅为己酸及其中短链脂肪酸的高效生物合成提供了全新的关键酶资源和技术参考，也为构建高产工业微生物细胞工厂奠定了酶学基础；同时印证了我国传统白酒发酵体系中蕴藏着大量未被充分开发的微生物遗传资源，为传统酿造产业与现代合成生物学的交叉融合提供了范例。未来，团队将通过启动子工程、定向进化等技术进一步优化CAT-1的表达与催化性能，推动其在己酸工业化绿色生产中的应用，为白酒风味调控与平台化工原料的生物制造注入新动能。
原文链接https://doi.org/10.1016/j.biortech.2026.134231
