木糖发酵酒精代谢工程的研究进展

木糖发酵是生物转化木质纤维素产生酒精及其他化工产品最为重要的一环,但自然界中缺少能将上述生物质有效转化为乙醇的微生物菌种. 近年来,根据代谢工程原理,利用基因工程技术对酵母和细菌进行遗传改造,或将木糖代谢途径引入传统的酒精发酵菌酿酒酵母及高酒精产生菌运动发酵单胞菌中,从而拓展其底物利用范围;或使原本可以利用多种糖底物的细菌获得选择性产生酒精的能力,构建了各种不同类型的木糖发酵重组菌株. 虽然这些重组菌株在木糖转化酒精方面均显示出良好的应用前景,但仍存在诸多问题. 有必要在对木糖代谢调控机制深入系统研究的基础上,进一步改造现有菌株,并结合生化工程技术对重组菌株发酵条件进行优化,以实现高效生物转化木质纤维素原料制取乙醇. 本工作介绍了近年来代谢工程改造微生物菌种发酵木糖生产酒精的研究进展.     

木糖还原酶基因的克隆及其在酿酒酵母中的定向整合

酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是重要的乙醇生产菌株,但因缺少戊糖代谢途径而不能利用木糖,为了改良工业酿酒酵母利用半纤维素发酵生产乙醇的性能,利用分子生物学技术构建能够利用木糖的基因工程酵母。选取酿酒酵母染色体的rDNA重复序列作为外源基因整合位点,依此构建多拷贝染色体整合型载体pUG-LR。采用融合表达策略扩增得到含有酿酒酵母乙醇脱氢酶启动子PADH和树干毕赤酵母木糖还原酶基因xyl1的融合序列,并将其插入pUG-LR载体中,构建成含遗传霉素G418抗性标记的同源重组质粒pUG-LR-XYL1。以工业酿酒酵母ZU-01为宿主,通过优化后的电穿孔法将重组质粒导入经缓冲液处理的酵母细胞,30℃培养。通过提高YEPX复筛培养基G418浓度,得到10株生长较快的优良性状转化子。在不含G418的YEPX培养基上传代8次以上,以转化子基因组DNA为模板,进行PCR检测,均可获得目的基因片段。研究结果表明:木糖还原酶基因xyl1已定向整合于ZU-01染色体DNA上并稳定遗传,为后续构建工业酿酒酵母的木糖代谢通路、利用木糖产酒精的重组菌株奠定了基础。     

LSM蛋白增强木糖发酵重组酵母抗逆性能的研究

木质纤维素原料预处理过程中产生的弱酸、呋喃醛类和酚类化合物等对酿酒酵母的乙醇发酵有抑制作用,提高基因重组酵母对抑制物的耐受性,是利用植物秸秆水解液生产燃料乙醇的关键技术之一。研究从前期构建的戊糖、己糖共发酵重组酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae ZU-E8基因组DNA中克隆出RNA结合蛋白LSM6,将其连入含有PADH启动子的质粒构成表达载体pR-LSM,进而转入ZU-E8宿主细胞中。通过高浓度醋酸根平板筛选,得到高抗逆性木糖发酵重组酵母ZU-910。在醋酸浓度为2 g·L-1的木糖培养基中发酵96 h后,ZU-910的木糖利用率和乙醇浓度为90.2%和26.9 g·L-1,分别是出发菌株ZU-E8的8.5和10倍,并且ZU-910对糠醛和硫酸根的耐受能力也较ZU-E8大大增强。在玉米秸秆酶解液发酵中,ZU-910的木糖利用率和乙醇产量在ZU-E8基础上增加了10.5%和7.7%.证明LSM6蛋白确实能够增强木糖发酵重组酵母的抗逆能力,提高其发酵性能。该研究成果在木质纤维素替代粮食生产乙醇的产业化进程中具有良好的应用前景。     

木质纤维素水解液中酚类抑制物去除的研究进展CSCD

利用木质纤维素水解液发酵产乙醇、丁醇已成为一种极具发展前景的可再生能源生产方式。然而,木质纤维素水解液中产生的酚类物质对发酵起抑制作用并严重阻碍溶剂产生。文章系统介绍了木质纤维素水解液中产生的酚类物质含量及其对终产物发酵的影响,综述了近年来国内外利用生物法去除酚类的效果,阐述了自脱毒发酵菌株的构建。最后,对如何提高水解液中抑制物去除率提出建议与展望。     

生物质水解发酵生产燃料乙醇的研究进展

生物质原料丰富多样,用其发酵生产燃料乙醇,能缓解当今世界日益凸显的能源问题.本文综述了这一领域国内外的研究概况,纤维素原料水解发酵制取燃料乙醇的生产工艺,重点介绍了水解液的脱毒,发酵有关的微生物,菌种选育和几种典型的发酵工艺;对发酵乙醇的几种典型微生物如酿酒酵母、管囊酵母、树干毕赤酵母、休哈塔假丝酵母和运动单胞菌等进行了介绍,并对当今存在的问题进行了分析和展望.     

木糖发酵菌种研究进展

综述了已发现的发酵木糖的天然微生物种类、木糖代谢途径及其机理以及近年来构建基因工程菌发酵木糖生产乙醇的研究进展.重点介绍了酿酒酵母、运动发酵单胞菌以及大肠杆菌的基因改造情况.     

不同非氧化磷酸戊糖途径基因的过表达对酿酒酵母木糖发酵性能的影响

以双拷贝过表达木糖代谢上游途径关键酶(木糖还原酶XR、木糖醇脱氢酶XDH和木酮糖激酶XKS)的酿酒酵母菌株为背景,在过表达非氧化磷酸戊糖(PP)途径中转醛酶基因TAL1的基础上,对途径中其他基因TKL1(转酮酶)、RPE1(核酮糖-5-磷酸差向异构酶)和RKI1(核酮糖-5-磷酸异构酶)进行了不同程度的过表达,以研究PP途径基因过表达对酿酒酵母木糖代谢的影响。在不同培养基条件下对重组菌株木糖代谢进行研究,结果显示,在过表达TAL1的基础上不同组合过表达PP途径其他基因不同程度改善了酿酒酵母木糖发酵性能,重组菌株能在36~48 h耗完质量分数(下同)为5%的木糖。其中,过表达PP途径全部基因比其他过表达基因组合表现出明显的优势,在8%木糖发酵条件下其乙醇产量达到了每1 g木糖0.337 g,较对照菌株提高了7.86%。这说明同步过表达PP途径基因更有利于酿酒酵母木糖发酵。     

纤维素水解液中木糖发酵制丁醇

对实验室菌种进行筛选后,得到一株能利用纤维素水解液木糖发酵生产丁醇的菌株。研究发现,该菌株不仅能利用水解液中的葡萄糖,还可以利用水解液中的木糖。对菌种生长特性探索,批式发酵中碳源、氮源以及CaCO3等条件优化后,得到最佳种子培养时间为20～24 h,并确定了木糖浓度为20 g/L的纤维素水解液用于15 L发酵罐实验,在37 ℃静置培养84 h,丁醇产量10.95 g/L,总溶剂16.78 g/L（丙酮、乙醇、丁醇三者之和）,木糖利用率达到70%以上,总溶剂转化率为39.4%。解决了纤维素水解液中木糖不能被利用而造成的经济损失问题。     

天然酵母对木糖利用的研究进展

开发能有效利用木糖的微生物是纤维素乙醇生产的关键问题之一,能发酵木糖的天然酵母得到了广泛的研究.对微生物发酵木糖的机理、天然酵母发酵木糖的特性及该领域的有关进展进行了介绍.     

过表达谷氧还蛋白基因GRX5提高酿酒酵母乙酸耐性

利用可再生的纤维素原料生产燃料乙醇是国内外研究的热点。但纤维素原料一些预处理过程产生的乙酸对酿酒酵母细胞生长和乙醇发酵产生强烈抑制,因此,提高酿酒酵母细胞的乙酸耐受性是提高纤维素乙醇发酵效率的重要手段。本文研究了谷氧还蛋白家族中GRX5p的编码基因的过表达对酿酒酵母在乙酸胁迫条件下细胞生长和发酵性能的影响。结果表明,过表达GRX5的重组菌株在含有5 g·L^-1乙酸的平板中生长优于对照菌株;在含有5 g·L^-1乙酸的培养基中进行乙醇发酵,过表达GRX5的重组菌株可在48 h基本消耗培养基中所有的葡萄糖,发酵周期比对照菌株缩短了12 h。过表达GRX5菌株的乙醇生产强度为0.897 g·L^-1·h^-1,比对照提高了28.5%。代谢物分析结果表明,过表达GRX5的重组菌株可产生更多的保护性物质海藻糖和甘油,有利于增强菌株胁迫耐受性。     

嗜单宁管囊酵母木糖酒精发酵的研究

综合利用丰富、廉价且可再生的农作物秸秆资源生产酒精的研究已经渐渐成为全球范围的热点之一。文章研究了嗜单宁管囊酵母木糖酒精发酵的发酵性能,分离、筛选、驯化培养出一株高效木糖酒精发酵菌株 g-13,在最适条件下其木糖酒精发酵的转化率为 0.446 g/g(酒精/消耗的糖),为发酵秸秆纤维水解液中的戊糖生产燃料酒精提供菌种支持。     

Xylose Fermentation by Saccharomyces cerevisiae: Challenges and Prospects

Many years have passed since the first genetically modified Saccharomyces cerevisiae strains capable of fermenting xylose were obtained with the promise of an environmentally sustainable solution for the conversion of the abundant lignocellulosic biomass to ethanol. Several challenges emerged from these first experiences, most of them related to solving redox imbalances, discovering new pathways for xylose utilization, modulation of the expression of genes of the non-oxidative pentose phosphate pathway, and reduction of xylitol formation. Strategies on evolutionary engineering were used to improve fermentation kinetics, but the resulting strains were still far from industrial application. Lignocellulosic hydrolysates proved to have different inhibitors derived from lignin and sugar degradation, along with significant amounts of acetic acid, intrinsically related with biomass deconstruction. This, associated with pH, temperature, high ethanol, and other stress fluctuations presented on large scale fermentations led the search for yeasts with more robust backgrounds, like industrial strains, as engineering targets. Some promising yeasts were obtained both from studies of stress tolerance genes and adaptation on hydrolysates. Since fermentation times on mixed-substrate hydrolysates were still not cost-effective, the more selective search for new or engineered sugar transporters for xylose are still the focus of many recent studies. These challenges, as well as under-appreciated process strategies, will be discussed in this review.     

发酵抑制物对葡萄糖发酵产乙醇的影响

在纤维素乙醇研究中,木质纤维原料在酸性预处理过程中会产生甲酸、乙酸、乙酰丙酸、糠醛和5-羟甲基糠醛等发酵抑制物,这些发酵抑制物会影响葡萄糖发酵生产乙醇的收率。本文考察了发酵液中各种发酵抑制物含量对高温超级酿酒酵母发酵乙醇收率的影响。研究结果表明,多种发酵抑制物的协同作用对乙醇发酵的影响要高于单一种类发酵抑制物对乙醇发酵的影响。发酵液中发酵抑制物总量一般控制在3.0g/L以内时,对葡萄糖发酵生产乙醇的抑制作用不明显。     

木糖利用融合子D2的制备与乙醇发酵特性

以树干毕赤酵母（Pichia stipitis）1960（Ps1960）与酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）AADY（ScAADY）为亲本菌株,采用双亲灭活原生质体技术制备木糖利用融合子,并对其制备条件进行了优化。优化后的原生质体制备条件为Ps1960采用2%蜗牛酶和1%纤维素酶在28℃酶解45 min,20W紫外灯距离10 cm照射3 min灭活;ScAADY采用1.5%蜗牛酶和1%纤维素酶28℃酶解50 min,55℃水浴50 min灭活;均采用0.6 mol/L山梨醇为渗透压稳定剂。在该条件下,共得到22株融合子。通过测定各融合子在不同培养基条件下的生物量来评价其木糖代谢和乙醇耐受能力,最终获得能利用木糖高效发酵产乙醇、遗传性状稳定的融合子D2,并进行乙醇发酵条件优化。结果表明,在混合糖质量分数8%、木糖和葡萄糖质量比6：1、5%接种量、30℃、160 r/min、培养72 h条件下,融合子D2发酵产乙醇的产量为40.58 g/L。     

Bioconversion of corn stover hydrolysate to ethanol by a recombinant yeast strain

Three corn stover hydrolysates, enzymatic hydrolysates prepared from acid and alkaline pretreatments separately and hemicellulosic hydrolysate prepared from acid pretreatment, were evaluated in composition and fermentability. For enzymatic hydrolysate from alkaline pretreatment, ethanol yield on fermentable sugars and fermentation efficiency reached highest among the three hydrolysates; meanwhile, ethanol yield on dry corn stover reached 0.175 g/g, higher than the sum of those of two hydrolysates from acid pretreatment. Fermentation process of the enzymatic hydrolysate from alkaline pretreatment was further investigated using free and immobilized cells of recombinant Saccharomyces cerevisiae ZU-10. Concentrated hydrolysate containing 66.9 g/L glucose and 32.1 g/L xylose was utilized. In the fermentation with free cells, 41.2 g/L ethanol was obtained within 72 h with an ethanol yield on fermentable sugars of 0.416 g/g. Immobilized cells greatly enhanced the ethanol productivity, while the ethanol yield on fermentable sugars of 0.411 g/g could still be reached. Repeated batch fermentation with immobilized cells was further attempted up to six batches. The ethanol yield on fermentable sugars maintained above 0.403 g/g with all glucose and more than 92.83% xylose utilized in each batch. These results demonstrate the feasibility and efficiency of ethanol production from corn stover hydrolysates.     

微生物共利用木糖和葡萄糖生产化学品研究进展

木质纤维素生物质是储量丰富的可再生资源，在能源、化工及医药领域具有广阔的应用前景。木质纤维素各组分因氢键和共价键的存在而结合紧密，需经酸、碱、高温、有机溶剂等预处理后才能高效酶解利用，其水解产物的主要成分为己糖（60%～70%，葡萄糖为主）和戊糖（30%～40%，木糖为主）的混合物。本文主要针对水解液中木糖和葡萄糖的共利用效率相关问题，以基因工程改造微生物利用木糖和葡萄糖共发酵生产醇类、生物油脂、γ-聚谷氨酸及有机酸等生物基化学品为主线，从代谢途径重构、基因水平调控及发酵技术优化等方面综述了近年来的研究进展。最后，从菌株筛选、基因与代谢工程调控、细胞固定化、产物处理及发酵工艺等层面总结了该领域目前的研究特点、技术瓶颈和未来的研究方向与思路。     

木质纤维素类生物质制取燃料及化学品的研究进展

木质纤维素类生物质含有丰富的纤维素和半纤维素多糖,通过微生物发酵将它们转化为能源及高附加值的化学品,对于缓解全球能源危机带来的压力和解决环境污染问题具有重要意义。介绍了木质纤维素类生物质的结构特征;评述了预处理方法,包括稀酸、高温液态水蒸气爆破、CO2爆破、氨爆、碱法、有机溶剂法、生物处理法;重点介绍由生物质生产乙醇、丁醇及生物柴油的研究现状。指出开发高效环保的预处理方法、构建耐毒高产菌株和应用连续发酵或补料批式发酵方式等是加快木质纤维素类生物质发酵利用工业化进程的关键所在。     

五碳糖和六碳糖共发酵生产酒精菌株选育的研究进展

利用纤维质原料发酵生产燃料酒精是目前研究的热点。综述了五碳糖和六碳糖共发酵生产酒精菌株选育的研究进展。主要介绍了利用自然微生物、重组运动发酵单胞菌（Zymomonas mobilis）、重组大肠杆菌（Escherichia coli）和重组酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae） 酒精发酵的进展情况。指出定向进化或改变多个相关基因群,使细胞整体满足木糖的代谢需求,以及对重组菌进行随机突变、进化选育并结合现代高通量筛选等技术是未来研究工作的重点。     

纤维质酒精预处理液中抑制剂脱毒方法研究进展

利用纤维质原料生产燃料酒精是目前研究的热点。综述了纤维质原料预处理液中抑制物脱毒方法的研究进展。介绍了抑制物形成、抑制机理、抑制物对微生物生长和酒精发酵的影响以及脱毒方法的进展情况。指出选择适宜的预处理及脱毒方法、尤其选育耐抑制物的菌株是实现纤维质原料生产燃料酒精工业化研究的重点。