高级醇 · 代谢工程文献库

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Fermentation Process and Metabolic Flux of Ethanol Production from the Detoxified Hydrolyzate of Cassava Residue

作者
Xingjiang Li, Yongdong Deng, Ying Yang, Zhaojun Wei, Jieshun Cheng, Lili Cao, Dongdong Mu, Shuizhong Luo, Zhi Zheng, Shaotong Jiang, Xuefeng Wu
单位
Department of Biological Engineering, School of Food Science and Engineering, Hefei University of Technology; Key Laboratory for Agricultural Products Processing of Anhui Province, Hefei University of Technology; Department of Environment Engineering, School of Environment and Energy Engineering, Anhui Jianzhu University
杂志
Frontiers in Microbiology（2017）
DOI
10.3389/fmicb.2017.01603
所属领域
发酵工程
关键词
Candida tropicalisethanolfermentationoxygenxylose
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解决的核心问题

如何高效利用木薯渣水解液中的葡萄糖和木糖等混合糖发酵生产乙醇，尤其是提高木糖的利用效率。

研究策略

通过紫外诱变筛选出高效利用木糖的Candida tropicalis突变株CICC1779-Dyd，研究不同初始体积氧传递系数(kLa)下的发酵表现，并耦合控制通气量与搅拌转速以优化溶氧曲线，最后通过代谢通量分析解析发酵机制。

研究路线图

100%
研究问题：
如何高效利用木薯渣水解液
混合糖发酵产乙醇
策略：紫外诱变筛选
高效木糖利用突变株
Candida tropicalis CICC1779-Dyd
关键改造1：
获得突变株CICC1779-Dyd
（木糖还原酶/脱氢酶活性↑）
关键改造2：
耦合控制通气量与搅拌转速
优化溶氧曲线（kLa=120 h⁻¹）
关键改造3：
构建53反应代谢流模型
计算关键通量F3
结果1：
突变株乙醇产量24.85 g/L
（野生型仅17.58 g/L）
结果2：
优化溶氧后乙醇产量26.56 g/L
木糖利用率91%（野生型55.8%）
结果3：
脱毒水解液发酵72h产乙醇23.24 g/L
未脱毒仅17.56 g/L；
代谢通量F3=1.287 mmol/(g DWh)
结论：
紫外诱变+溶氧优化
实现高效混合糖发酵产乙醇
为木质纤维素原料产业化奠定基础
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核心内容

该研究针对木薯渣水解液中混合糖发酵生产乙醇时木糖利用率低的问题，通过紫外诱变获得一株高效利用木糖的热带假丝酵母突变株CICC1779-Dyd。在体积氧传递系数为120 h-1条件下，突变株72小时乙醇产量达24.85 g/L，糖转化为乙醇的得率为0.447 g/g葡萄糖，而野生型仅产17.58 g/L；突变株木糖利用率达91%，野生型仅为55.8%，且突变株的木糖还原酶和木糖脱氢酶活性均高于野生型。进一步耦合控制通气量与搅拌转速以优化溶氧曲线，乙醇产量提升至26.56 g/L。利用含53个代谢反应的代谢流模型分析发现，溶氧水平显著影响碳代谢流向。在脱毒木薯渣水解液中进行发酵，72小时乙醇产量为23.24 g/L，而未脱毒水解液仅17.56 g/L，表明脱毒处理可有效解除抑制。该突变株结合溶氧优化策略为木质纤维素原料大规模生产乙醇提供了可行方案。

创新点

获得一株木糖利用能力显著提高的突变株CICC1779-Dyd；建立了基于溶氧优化的通气-搅拌耦合控制策略；构建了包含53个代谢反应的代谢流模型并计算关键通量。

研究对象（4）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Candida tropicalis CICC1779-Dyd 木糖代谢途径 — 木糖还原酶 催化 UV诱变突变株，木糖还原酶活性显著高于野生型，催化木糖还原为木糖醇
Candida tropicalis CICC1779-Dyd 木糖代谢途径 — 木糖脱氢酶 催化 UV诱变突变株，木糖脱氢酶活性显著高于野生型，催化木糖醇氧化为木酮糖
Candida tropicalis CICC1779-Dyd 乙醇发酵途径 — 丙酮酸脱羧酶 催化 突变株中活性较高，催化丙酮酸脱羧生成乙醛
Candida tropicalis CICC1779-Dyd 乙醇发酵途径 — 乙醇脱氢酶 催化 突变株中活性较高，催化乙醛还原为乙醇

关键发现

  1. 野生型Candida tropicalis CICC1779在kLa为120 h-1时乙醇产量为17.58 g/L
  2. 突变株在同样kLa下乙醇产量达24.85 g/L（72 h），糖转化为乙醇的得率为0.447 g/g葡萄糖（木糖理论得率0.46 g/g，葡萄糖理论得率0.51 g/g）
  3. 优化溶氧控制后乙醇产量进一步提高到26.56 g/L。突变株木糖利用率达91%，而野生型仅55.8%（72 h后残余木糖13.25 g/L）。脱毒木薯渣水解液发酵72 h得到乙醇23.24 g/L（对应代谢通量F3=1.287 mmol/(g DWh)），未脱毒水解液乙醇仅17.56 g/L。突变株木糖还原酶和木糖脱氢酶活性均高于野生型。

研究结论

通过紫外诱变获得了能高效利用木糖的Candida tropicalis突变株CICC1779-Dyd；在kLa=120 h-1并优化溶氧控制后，乙醇产量达26.56 g/L。代谢通量分析表明溶氧显著影响代谢流向，该策略为木薯渣等木质纤维素原料大规模生产乙醇奠定了基础。