燃料乙醇生產(chǎn)中提高酵母發(fā)酵能力方法概述

張譯之，王慧中

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065)

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燃料乙醇生產(chǎn)中提高酵母發(fā)酵能力方法概述

張譯之，王慧中

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065)

木質(zhì)纖維素水解液含有許多抑制性物質(zhì)降低了發(fā)酵效率，為了提高發(fā)酵效率，提高釀酒酵母耐受性，使之在環(huán)境迫脅條件下可以有效地進(jìn)行發(fā)酵。本文對(duì)提高酵母發(fā)酵性能的方法進(jìn)行概述。

燃料乙醇；酵母；耐受性

前言

木質(zhì)纖維素水解液中主要有葡萄糖、木糖、半乳糖和阿拉伯糖，但酵母只能利用己糖發(fā)酵，降低生產(chǎn)效率[1]。微生物利用木質(zhì)纖維素發(fā)酵產(chǎn)乙醇的過程中不利的因素大致分為三類，第一是溫度及pH不在酵母的最適范圍內(nèi)。第二，木質(zhì)纖維素水解糖化過程中產(chǎn)生的小分子環(huán)狀有毒化合物，對(duì)酵母的生長及發(fā)酵有抑制作用。第三，木質(zhì)纖維素糖化發(fā)酵中高濃度糖和乙醇對(duì)酵母的生長發(fā)酵有抑制作用。我們只有通過提高酵母的耐受性，使之對(duì)各種環(huán)境迫脅條件的適應(yīng)范圍提升，才能有效解決生產(chǎn)成本與生產(chǎn)效率的問題。

1 隨機(jī)突變

有研究通過反復(fù)紫外誘變且在含有木質(zhì)纖維素水解液平板上進(jìn)行篩選，得到了對(duì)該水解液有耐受性的酵母。該實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)過三輪紫外誘變的酵母突變菌株可以在75%(v/v)的木質(zhì)纖維素水解液中生長。突變子在60%的水解液中發(fā)酵，野生型發(fā)酵不進(jìn)行。同樣是紫外誘變，又有人獲得了優(yōu)秀的突變菌株在加入乙酸的合成培養(yǎng)基中，突變子可以在含8g/L乙酸中生長，野生型僅能在含7g/L乙酸中生長，但發(fā)酵性能優(yōu)于突變子[2]。紫外誘變可以加快突變發(fā)生的概率，但突變的方向不確定，突變菌株在某些性能方面優(yōu)于出發(fā)菌株，還需通過其他手段賦予突變菌株其他優(yōu)良性能。

2 基因重組

有人利用原生質(zhì)體融合技術(shù)將分別具有好的乙醇和抑制劑耐受菌株與高效利用木糖菌株融合，產(chǎn)生兼具兩者優(yōu)勢的雜合子。將S.cerevisiae NCIM-3090分別與三種不同的戊糖發(fā)酵菌株S.shehatae NCIM-3500、P.tannophilus NCIM-3502和S.stipitis NCIM-3507融合得到可利用己糖和戊糖的菌株，對(duì)其進(jìn)行發(fā)酵評(píng)價(jià)，三種雜合子在混合糖的發(fā)酵液中發(fā)酵性能均比出發(fā)菌株好，乙醇產(chǎn)率均高于出發(fā)菌株[3]。雜交和原生質(zhì)體融合都可以快速獲得我們想要的菌株表現(xiàn)型，相比較隨機(jī)突變目的性較強(qiáng)，反復(fù)原生質(zhì)體融合獲得的雜合子，性能可以快速改善，但它的染色體倍數(shù)很可能是不確定的，這樣的雜合子即使擁有了優(yōu)良的性能，也很有可能在今后的傳代過程中丟失其性能，具有不穩(wěn)定性。

3 代謝工程

釀酒酵母乙醇生產(chǎn)中提高釀酒酵母的乙醇耐受性是提高發(fā)酵效率的關(guān)鍵。ATH1是編碼酸性海藻糖的基因，海藻糖能穩(wěn)定細(xì)胞膜和蛋白質(zhì)，保護(hù)細(xì)胞抵御脅迫。有研究將ATH1基因分別與ADH1、CYC1和ATH1啟動(dòng)子融合，插入到質(zhì)粒中并導(dǎo)入釀酒酵母。含有ATH1基因的3株重組釀酒酵母菌的酸性海藻糖酶表達(dá)水平均有所降低，與出發(fā)菌相比，釀酒酵母重組菌的乙醇產(chǎn)量更高，乙醇生成速率也更快。所以說抑制海藻糖酶的表達(dá)水平可以提高釀酒酵母對(duì)乙醇的抗性[4]。傳統(tǒng)的代謝工程的確有目的性更明確的優(yōu)點(diǎn)，但是這種方法也具有一定的局限性，微生物體內(nèi)的代謝網(wǎng)絡(luò)是十分復(fù)雜的，我們?cè)诨蚋脑鞎r(shí)會(huì)忽略了基因間的相互作用，使得難以達(dá)到預(yù)期的效果。

釀酒酵母有其獨(dú)有的乙醇產(chǎn)率高，收率高、乙醇耐受性好的特點(diǎn)，且具有食品安全性，這使得其廣泛用于燃料乙醇的工業(yè)生產(chǎn)，但是以木質(zhì)纖維素水解液為原料的燃料乙醇生產(chǎn)中，有很多因素都抑制了釀酒酵母的發(fā)酵，所以釀酒酵母耐受性的提升很有必要。每一種技術(shù)手段都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在優(yōu)化釀酒酵母的時(shí)候，應(yīng)結(jié)合酵母本身的特性，多種技術(shù)手段相結(jié)合，優(yōu)化工程菌。

[1] Jeffries TW,Jin Y-S(2004)Metabolic engineering for improved fermentation of pentoses by yeasts.Appl Microbiol Biotechnol 63(5):495-509.

[2] Harner NK,Bajwa PK,Habash MB,Trevors JT,Austin GD,Lee H(2014)Mutants of the pentose-fermenting yeast Pachysolen tannophilus tolerant to hardwood spent sulfite liquor and acetic acid.Antonie van Leeuwenhoek 105:29-43.

[3] Kumari R,Pramanik K(2012)Improved bioethanol production using fusants of Saccharomyces cerevisiae and xylose-fermenting yeasts.Appl Biochem Biotechnol 167:873-884.

[4] Jung YJ,Park HD.Antisense-mediated inhibition of acid trehalase(ATH1)gene expression promotes ethanol fermentation and tolerance in Saccharomyces cerevisiae.Biotechnol Lett,2005,27:1855-1859.

張譯之(1992-)，女，漢族，陜西西安人，碩士在讀，四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，研究方向：環(huán)境微生物工程。

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1671-1602(2016)20-0033-01