Strategy for simultaneous saccharification and fermentation using a respiratory-deficient mutant of Candida glabrata for bioethanol production
- 作者
- Itsuki Watanabe, Toshihide Nakamura, Jun Shima
- 单位
- National Food Research Institute, 2-1-12 Kamomadi, Tsukuba, Ibaraki 305-8642, Japan
- 杂志
- Journal of Bioscience and Bioengineering（2010）
- DOI
- 10.1016/j.jbiosc.2010.02.003
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
同步糖化发酵（SSF）中纤维素酶最适温度（40–50°C）与酵母发酵最适温度（30–37°C）不匹配，且高搅拌充气引起的巴斯德效应会抑制乙醇产量。
研究策略
从耐热酵母Candida glabrata中分离呼吸缺陷型突变株Cgrd1，利用其不受巴斯德效应影响、不能重新同化乙醇的特点，在高温、有氧、搅拌条件下进行SSF。
核心内容
该研究针对同步糖化发酵中纤维素酶最适温度与酵母发酵温度不匹配、以及巴斯德效应抑制乙醇产量的问题，从耐热酵母Candida glabrata中筛选出呼吸缺陷型突变株Cgrd1，并评估其在高温有氧搅拌条件下的乙醇生产能力。在YPD培养基中，30°C下12小时内Cgrd1产乙醇8.6 g/L，乙醇得率0.43 g/g，略高于野生型（7.7 g/L）和酿酒酵母（8.2 g/L）；而在42°C下Cgrd1仍保持8.6 g/L产量，得率提高至0.48 g/g，野生型降至7.7 g/L，酿酒酵母仅0.7 g/L，且Cgrd1最大细胞密度约为野生型的三分之一。在同步糖化发酵实验中，42°C、150 rpm条件下，Cgrd1在48小时内产乙醇17.0 g/L，达到理论产率的66.6%，生产力为0.35 g/L/h。结果表明，呼吸缺陷突变株因不受巴斯德效应影响且不能重新同化乙醇，在高温有氧条件下仍能高效产乙醇，显著优于野生型和酿酒酵母，为同步糖化发酵工艺中在接近纤维素酶最适温度下操作提供了可行策略。
创新点
['首次使用C. glabrata呼吸缺陷突变株用于SSF生物乙醇生产', '该突变株在高温和有氧条件下仍能高效产乙醇，避免了巴斯德效应', '利用耐热特性可在接近纤维素酶最适温度下操作，提高糖化和发酵效率']
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Candida glabrata NFRI3164 (野生型) | 乙醇发酵 | — | — | 催化 | 耐热酵母，具有较高乙醇生产能力 |
| Candida glabrata Cgrd1 (呼吸缺陷突变株) | 乙醇发酵 | 线粒体DNA MtlrRNA基因 | — | 能量供给 | 线粒体DNA缺失导致呼吸缺陷，不能利用非发酵碳源，不受巴斯德效应抑制，不重新同化乙醇 |
| Saccharomyces cerevisiae NBRC0224 | 乙醇发酵 | — | — | 催化 | 对照菌株，在42°C下乙醇生产能力差 |
| Trichoderma reesei | 纤维素糖化 | — | 纤维素酶复合物 (Accellerase 1500) | 催化 | 用于SSF中纤维素水解 |
关键发现
- 在YPD培养基中，30°C下12h内Cgrd1产乙醇8.6 g/L（乙醇得率0.43 g/g），野生型产7.7 g/L（0.39 g/g），S. cerevisiae产8.2 g/L（0.41 g/g）
- 42°C下Cgrd1产8.6 g/L（0.48 g/g），野生型产7.7 g/L（0.45 g/g），S. cerevisiae仅0.7 g/L。Cgrd1最大细胞密度约为野生型的三分之一。在SSF实验中，42°C、150 rpm条件下Cgrd1在48h内产乙醇17.0 g/L，为理论产率的66.6%，生产力0.35 g/L/h。
研究结论
呼吸缺陷突变株Cgrd1在高温、有氧条件下仍能有效生产乙醇，优于其野生型和S. cerevisiae，适合用于同步糖化发酵的生物乙醇生产。