Designing simultaneous saccharification and fermentation for improved xylose conversion by a recombinant strain of Saccharomyces cerevisiae
- 作者
- Kim Olofsson, Andreas Rudolf, Gunnar Lidén
- 单位
- Department of Chemical Engineering, Lund University, Box 124, SE-221 00 Lund, Sweden
- 杂志
- Journal of Biotechnology（2008）
- DOI
- 10.1016/j.jbiotec.2008.01.004
- 所属领域
- 代谢工程/发酵工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
麦草秸秆作为木质纤维素原料生产乙醇时，由于富含木聚糖，必须同时发酵葡萄糖和木糖以提高乙醇总收率，但重组酿酒酵母在同步糖化发酵（SSF）过程中木糖转化效率低，且高固含量下抑制物和传质问题突出。
研究策略
利用重组木糖发酵酿酒酵母TMB3400，在蒸汽预处理麦草的SSF过程中，比较批量与补料分批策略、不同水不溶物（WIS）含量（7%和9%）及温度（30、34、37°C）对木糖消耗、乙醇生成和副产物形成的影响，并通过模型SSF实验进一步解析温度效应。
核心内容
本研究以重组木糖发酵酿酒酵母TMB3400为菌株，系统考察了蒸汽预处理麦草在同步糖化发酵（SSF）中葡萄糖与木糖的共发酵性能。通过比较批量与补料分批策略、不同水不溶物含量（7%和9%）及温度（30、34、37°C）的影响，发现补料分批模式在高固含量下显著优于批量发酵：9% WIS时乙醇收率由理论值的59%（0.29 g/g）提升至71%（0.36 g/g），而7% WIS下收率接近80%（0.40 g/g），木糖消耗达74%。TMB3400的乙醇收率（0.38 g/g）显著高于亲本菌株USM21（0.30 g/g）。温度实验确定34°C为最适发酵温度，37°C时9% WIS条件下收率骤降至0.18 g/g。模型SSF实验揭示温度显著影响木糖摄取速率及木糖醇产率，37°C时木糖消耗率比30°C高25%，但副产物木糖醇积累也更严重。研究表明，通过优化加料方式和温度，可在高固含量下实现麦草高效乙醇生产，补料分批有效缓解抑制物并维持低葡萄糖水平以促进木糖共发酵。
创新点
['首次系统研究麦草SSF中葡萄糖与木糖的共发酵过程条件', '发现补料分批策略在高WIS含量（9%）下显著优于批量模式，乙醇收率从59%提升至71%', '确定34°C为所研究原料和菌株的最适SSF温度', '通过模型SSF实验揭示温度对木糖摄取速率和木糖醇产率的显著影响']
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae TMB3400 | 木糖代谢途径 | XYL1, XYL2, XKS1 | 木糖还原酶（XR）、木糖醇脱氢酶（XDH） | 催化 | 重组木糖发酵菌株，将木糖转化为乙醇，但存在木糖醇副产物 |
| Saccharomyces cerevisiae USM21 | 木糖还原途径 | GRE3 | 非特异性醛糖还原酶 | 催化 | TMB3400的亲本非木糖发酵菌株，木糖仅转化为木糖醇 |
| — | 纤维素水解 | — | 纤维素酶、β-葡萄糖苷酶 | 催化 | 来自Xylanase XL和Novozyme 188，用于SSF中的糖化步骤 |
| Saccharomyces cerevisiae | 糖转运 | — | 己糖/戊糖转运蛋白 | 转运 | 葡萄糖和木糖共享转运系统，葡萄糖竞争性抑制木糖摄取，需维持低葡萄糖浓度 |
关键发现
- 在9% WIS下，补料分批SSF乙醇收率为理论值的71%（0.36 g/g），而批量仅为59%（0.29 g/g）
- 在7% WIS下，补料分批乙醇收率接近80%（0.40 g/g，乙醇浓度35 g/L），木糖消耗达74%。TMB3400在7% WIS批量SSF中乙醇收率0.38 g/g（75%理论值），显著高于亲本菌株USM21的0.30 g/g（59%）。最佳温度为34°C，37°C在9% WIS时乙醇收率仅0.18 g/g。模型SSF中，定义培养基下37°C时木糖消耗率最高达0.39 g xylose/g cells/h，比30°C高25%
- 定义培养基中的木糖醇产率约为水解液中的3倍。
研究结论
通过精心设计SSF的温度与加料策略，可以在高WIS含量（9%）下利用重组酿酒酵母实现麦草的高效乙醇生产，补料分批模式是降低抑制物浓度、维持低葡萄糖水平以促进木糖共发酵的有效手段，34°C为最优温度。