高级醇 · 代谢工程文献库

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Direct fermentation of xylan by Clostridium strain BOH3 for the production of butanol and hydrogen using optimized culture medium

作者
Gobinath Rajagopalan, Jianzhong He, Kun Lin Yang
单位
Department of Chemical and Biomolecular Engineering, National University of Singapore; Department of Civil and Environmental Engineering, National University of Singapore
杂志
Bioresource Technology（2014）
DOI
10.1016/j.biortech.2013.11.094
所属领域
发酵工程
关键词
ABE fermentationBiohydrogenClostridium spp.Response surface methodologyXylanase
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解决的核心问题

Clostridium strain BOH3能利用10 g/L木聚糖，但当木聚糖浓度提高到30 g/L时，由于木聚糖酶表达不足（活性仅为27.5 U/mg），丁醇和氢气产量并未随底物浓度增加而提高，限制了高浓度木聚糖的直接利用。

研究策略

采用响应面法优化培养基中的甘蔗渣水解液（SBH）、硫酸铵和氯化铁浓度，提高Clostridium strain BOH3的木聚糖酶表达水平，使该菌株能够直接高效发酵高浓度木聚糖（30和50 g/L）生产丁醇和氢气，实现一体化生物工艺。

研究路线图

100%
问题：高浓度木聚糖利用率低
限速因素：木聚糖酶表达不足（27.5 U/mg）
策略：响应面法优化培养基组分（SBH、硫酸铵、氯化铁）
关键改造：木聚糖酶活性提高1.6倍（44.05±0.25 U/mg）
验证：外源酶对照确认限速环节
结果：30 g/L木聚糖→丁醇12.05 g/L，氢气1.78 L/L
结果：50 g/L木聚糖→丁醇14.80 g/L，氢气2.65 L/L
结论：一体化生物工艺（CBP）直接发酵高浓度木聚糖可行
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核心内容

针对Clostridium strain BOH3直接发酵木聚糖时因木聚糖酶活性不足而限制高浓度底物利用的问题，本研究采用响应面法优化培养基中甘蔗渣水解液、硫酸铵和氯化铁的浓度。优化后木聚糖酶活性由27.5 U/mg提升至44.05±0.25 U/mg，提高约1.6倍。在优化培养基中，30和50 g/L木聚糖发酵的丁醇产量分别达12.05±0.15和14.80±0.15 g/L，氢气产量为1.78±0.08和2.65±0.15 L/L，与以木糖为底物的对照（12.95/16.05 g/L丁醇，1.90/3.10 L/L氢气）基本相当，细胞密度也接近木糖发酵水平。补充外源木聚糖酶的实验证实酶活不足是主要限制因素。该研究首次实现不外加酶或预处理的木聚糖直接发酵，展示了一体化生物工艺利用木质纤维素原料生产生物燃料的可行性。

创新点

['首次报道利用溶剂性梭菌自身产生的木聚糖酶直接发酵木聚糖生产丁醇和氢气，无需外加木聚糖酶或底物预处理。', '通过响应面法优化培养基，使木聚糖酶活性提高约1.6倍（从27.5 U/mg增至44.05±0.25 U/mg）。', '在优化培养基中，高浓度木聚糖（30和50 g/L）发酵的丁醇和氢气产量接近以木糖为底物时的水平。']

研究对象（2）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Clostridium strain BOH3 ABE发酵 — — 催化 作为全细胞催化剂，利用木聚糖/木糖进行丙酮-丁醇-乙醇发酵并产氢
Clostridium strain BOH3 木聚糖降解 xynb 木聚糖酶 催化 水解β-1,4-木糖苷键，将木聚糖降解为可发酵糖；其表达受培养基组分（氮源、铁离子等）调控

关键发现

  1. ['在未优化的RCM中，30 g/L木聚糖仅产生2.5 g/L丁醇和0.98 L/L氢气，木聚糖酶活性为27.5 U/mg。', '补充外源木聚糖酶（约2 U/mL）后，丁醇和氢气分别达到10.1 g/L和1.65 L/L，与木糖发酵结果接近，证实木聚糖酶不足是主要限制因素。', '响应面优化获得最佳培养基组分：甘蔗渣水解液11.75 g/L、硫酸铵8.92 g/L、氯化铁1.45 mM
  2. 预测木聚糖酶活性为43.85 U/mg，实际为44.05±0.25 U/mg（R²=0.9985）。', '在OCM中，30 g/L和50 g/L的灭菌木聚糖发酵分别产生12.05±0.15和14.80±0.15 g/L丁醇，以及1.78±0.08和2.65±0.15 L/L氢气
  3. 对应木糖对照为12.95±0.15/16.05±0.20 g/L丁醇和1.90±0.05/3.10±0.10 L/L氢气。', '对于未灭菌的原生木聚糖，30 g/L和50 g/L时分别产生7.15±0.10和8.85±0.25 g/L丁醇，以及1.39±0.10和1.95±0.15 L/L氢气。', '在OCM中，木聚糖发酵的细胞密度（OD600）达到5.50-5.70，与木糖发酵的5.94-6.24相近。']

研究结论

优化培养基显著增强了Clostridium strain BOH3的木聚糖酶表达，使该菌株能够直接高效发酵高浓度木聚糖，丁醇和氢气产量接近使用木糖的水平。该研究展示了一体化生物工艺（consolidated bioprocess）利用木聚糖生产生物燃料的可行性。