Biotechnological strategies to overcome inhibitors in lignocellulose hydrolysates for ethanol production: review
- 作者
- W. Parawira, M. Tekere
- 单位
- Department of Applied Biology, Kigali Institute of Science and Technology (KIST), Avenue de l' Armee, B.P. 3900 Kigali, Rwanda; Department of Environmental Sciences, School of Agriculture and Environmental Sciences, University of South Africa, Florida, South Africa
- DOI
- 10.3109/07388551003757816
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
木质纤维素水解液中的抑制物（弱酸、呋喃、酚类）对乙醇发酵微生物和酶有毒害作用，降低了乙醇产量和生产率，是商业化生产木质纤维素乙醇的主要挑战。
研究策略
系统综述了通过微生物脱毒（如细菌、真菌）、酶法脱毒（如漆酶）、菌株适应性进化和遗传/代谢工程（过表达解毒酶、改变辅因子平衡、异源表达漆酶）等生物技术策略来克服抑制物、提高木质纤维素水解液发酵产乙醇的效率。
核心内容
木质纤维素水解液中的弱酸、呋喃和酚类等抑制物严重制约了乙醇发酵效率。该综述系统比较了多种生物脱毒策略：微生物脱毒方面，T. reesei处理柳树水解液使乙醇生产率提高3倍、得率提高4倍，但会消耗35%可发酵糖；U. thermosphaericus可降解酚类、糠醛和HMF，且糖消耗低于5%。酶法脱毒中，漆酶处理甘蔗渣水解液使总酚降低77.5%，糖损失可忽略，并选择性去除约80%酚类。适应性进化方面，S. cerevisiae TMB3400在含17 mM糠醛条件下滞后期从90小时缩短至17小时；适应菌株D5A在15%固形物含量下乙醇浓度提高4倍，而野生型不产乙醇。基因工程手段中，过表达ADH6使HMF比摄取速率提高4倍、乙醇比生产率提高20%；异源表达T. versicolor漆酶可加速松柏醛转化并提高发酵速率，定向进化后漆酶总活性提高170倍。这些策略各有优劣，微生物脱毒效果显著但存在糖损失，酶法脱毒特异性强且条件温和，而菌株适应与遗传改造为构建高耐受菌株提供了根本性解决方案，未来需结合技术经济分析优化实际应用条件。
创新点
将多种生物脱毒策略（微生物、酶、适应、基因工程）进行综合比较，强调了漆酶在酚类脱毒中的高效性与特异性，以及通过异源表达漆酶在酵母中实现同步脱毒发酵的潜力；总结了适应性进化显著缩短滞后期、提高乙醇产量的具体案例；系统列举了ADH6、ADH7、XYL1、ZWF1等基因工程改造对抑制剂耐受性的提升效果。
研究对象（19）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 乙醇发酵 | — | — | 催化 | 主要乙醇发酵菌株，具有将HMF和糠醛还原为低毒醇类的天然能力。 |
| Ureibacillus thermosphaericus | 抑制物降解 | — | — | 催化 | 降解酚类、糠醛和HMF，消耗<5%可发酵糖。 |
| Coniochaeta ligniaria NRRL30616 | 抑制物降解 | — | — | 催化 | 代谢糠醛、HMF、芳香酸和脂肪酸，改善后续木糖利用。 |
| Trichoderma reesei | 抑制物降解 | — | — | 催化 | 去除乙酸、糠醛和苯甲酸衍生物，但消耗35%可发酵糖。 |
| Trametes versicolor | 木质素降解/酚类氧化 | — | 漆酶、木质素过氧化物酶 | 催化 | 白腐真菌，用于酶法脱毒。 |
| Pseudomonas putida Fu1 | 呋喃降解 | — | — | 催化 | 有氧降解糠醛。 |
| Issatchenkia occidentalis (Lj-3) | 抑制物降解 | — | — | 催化 | 脱毒甘蔗渣水解液，降低乙酸、糠醛和愈创木酚等。 |
| Iris orientalis (S-7) | 抑制物降解 | — | — | 催化 | 脱毒甘蔗渣水解液。 |
| Saccharomyces cerevisiae mutant | 乙酸代谢 | — | — | 催化 | 选择性去除亚硫酸盐废液中的乙酸。 |
| Saccharomyces cerevisiae (encapsulated) | 乙醇发酵 | — | — | 催化 | 包埋细胞在连续培养中原位脱毒并发酵，乙醇产量0.44 g/g。 |
| Saccharomyces cerevisiae | 呋喃醛还原 | ADH6 | 乙醇脱氢酶6 | 催化 | 过表达使HMF比摄取速率提高4倍，乙醇生产率提高20%。 |
| Saccharomyces cerevisiae TMB3000 | 呋喃醛还原 | MUT-ADH1 | 突变乙醇脱氢酶1 | 催化 | HMF摄取提高4倍，乙醇生产率提高18%。 |
| Saccharomyces cerevisiae | 呋喃醛还原 | ADH7 | 乙醇脱氢酶7 | 催化 | 在40 mM HMF下94 h脱离滞后期，对照156 h不生长。 |
| Saccharomyces cerevisiae | 戊糖磷酸途径 | ZWF1, GND1, RPE1, TKL1 | 葡萄糖-6-磷酸脱氢酶等 | 催化 | 与糠醛耐受相关，提供NADPH。 |
| Saccharomyces cerevisiae | 木糖代谢/HMF还原 | XYL1 | 木糖还原酶 | 催化 | 来自Pichia stipitis，异源表达增加体内HMF还原。 |
| Escherichia coli LYO1 | 糠醛还原 | FFR | 糠醛还原酶 | 催化 | 将糠醛还原为糠醇，降低毒性。 |
| Saccharomyces cerevisiae | 苯丙烯酸脱羧 | PAD1 | 苯丙烯酸脱羧酶（Pad1p） | 催化 | 过表达使乙醇生产率提高24–29%，增强对阿魏酸和肉桂酸的耐受。 |
| Saccharomyces cerevisiae | 漆酶分泌 | LCC1, LCC2, PO1, PO2, LAC1, LAC2, LAC3, MtL, Ery3, POXC, POXA1b | 漆酶 | 催化 | 异源表达多种漆酶基因用于酚类脱毒，如LCC2表达使漆酶活性增强2倍，MtL活性0.66 U/L（ABTS），定向进化提高170倍，Ery3在固定化酵母中产量139 mU/mL。 |
| Saccharomyces cerevisiae | 分泌途径 | SSO2 | t-SNARE Sso2p | 转运 | 过表达Sso2p增强漆酶分泌。 |
关键发现
- 疏理关键数据：T. reesei对柳树水解液脱毒使乙醇生产率提高3倍、乙醇得率提高4倍
- U. thermosphaericus脱毒可降解酚类、糠醛和HMF，且消耗<5%可发酵糖，效果与石灰处理相当
- T. reesei处理云杉水解液虽有效但消耗35%可发酵糖
- 包裹的S. cerevisiae在连续培养中可处理毒性极高的云杉水解液，稀释率可达0.5/h（游离细胞仅0.1/h），乙醇得率为0.44 g/g，HMF转化48–71%，糠醛在低稀释率下完全转化
- 经适应进化的S. cerevisiae TMB3400在含17 mM糠醛培养基中滞后期从90 h缩短至17 h
- 适应菌株D5A和K-1在15%固形物含量下产乙醇，体积产率约0.41 g/L/h（前24 h），乙醇浓度提高4倍，而野生型不产乙醇
- 过表达ADH6使HMF比摄取速率提高4倍、乙醇比生产率提高20%
- 过表达MUT-ADH1使HMF摄取提高4倍、乙醇生产率提高18%
- 过表达ADH7的菌株94 h后脱离滞后期而对照156 h仍不生长
- 过表达Pad1p使乙醇生产率提高24–29%
- 漆酶处理甘蔗渣水解液使总酚降低77.5%，且糖损失可忽略
- 漆酶可选择性去除约80%酚类化合物
- 异源表达T. versicolor漆酶可加速松柏醛转化并提高发酵速率
- Myceliophthora thermophila漆酶在酵母中分泌活性0.66 U/L（ABTS），定向进化后总活性提高170倍
- P. eryngii漆酶Ery3在固定化酵母中产量139 mU/mL，是游离酵母的1.6倍。
研究结论
采用微生物或漆酶进行生物脱毒能够有效提高木质纤维素水解液的乙醇产量和产率；菌株适应和遗传工程（如过表达解毒酶、异源表达漆酶）是获得高耐受、低成本生产乙醇菌株的有前景策略；实际应用需进一步优化条件并进行技术经济分析。