Adaptation of a recombinant xylose-utilizing Saccharomyces cerevisiae strain to a sugarcane bagasse hydrolysate with high content of fermentation inhibitors
- 作者
- Carlos Martín, Marcelo Marcet, Oscar Almazán, Leif J. Jönsson
- 单位
- Applied Microbiology, Lund University/Lund Institute of Technology, P.O. Box 124, SE-22100 Lund, Sweden; Department of Chemistry and Chemical Engineering, University of Matanzas, 44740 Matanzas, Cuba; Department of Bioengineering, Cuban Research Institute of Sugarcane Derivatives (ICIDCA), Apdo. 4026 Havana, Cuba; Biochemistry, Division for Chemistry, Karlstad University, SE-651 88, Karlstad, Sweden
- 杂志
- Bioresource Technology（2006）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2006.07.021
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
重组木糖利用酿酒酵母菌株在含高浓度抑制物（酚类、呋喃醛和脂肪酸）的甘蔗渣水解液中发酵产乙醇性能差，需要解毒处理，增加了成本
研究策略
通过连续培养（353小时）使重组木糖利用酿酒酵母TMB 3001逐步适应抑制剂浓度不断升高的甘蔗渣水解液培养基，然后将适应菌株与非适应亲本菌株在3种不同抑制剂浓度的水解液（SA50、SA75、SA100）中进行分批发酵比较
研究路线图
核心内容
该研究针对重组木糖利用酿酒酵母TMB 3001在含高浓度抑制物的甘蔗渣水解液中发酵产乙醇性能差的问题，采用连续培养策略，在353小时内逐步提高培养基中水解液比例，使菌株适应高抑制物环境。随后在三种不同抑制剂浓度的水解液（SA50、SA75、SA100）中将适应菌株与亲本菌株进行分批发酵比较。结果显示，适应显著提升了发酵性能：在SA50中，24小时乙醇产率从0.18 g/g总糖提高到0.38 g/g总糖，最大比乙醇生产力从1.15 g乙醇/(g初始生物量·h)增至2.55 g/(g·h)；在SA75中，适应菌株的比生产力和乙醇产率分别为非适应菌株的3倍和2倍；在SA100中，适应菌株仍能产生少量乙醇，而非适应菌株几乎不产。此外，适应菌株对糠醛的最大转化速率为非适应菌株的2倍，对抑制物的转化更彻底，且木糖醇生成极少，表明消耗的木糖主要转化为乙醇。该适应策略有效增强了菌株对木质纤维素水解液抑制物的耐受性，缩短发酵时间，减少解毒需求，为经济可行的纤维素乙醇生产提供了重要技术路径。
创新点
首次报道对重组木糖利用酿酒酵母菌株进行甘蔗渣水解液适应；适应化显著提高乙醇产率和生产力，加快糠醛和HMF的转化，且不影响木糖利用能力
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae TMB 3001 | 木糖利用途径 | XYL1 | 木糖还原酶 (xylose reductase) | 催化 | 来自Pichia stipitis，染色体整合表达 |
| Saccharomyces cerevisiae TMB 3001 | 木糖利用途径 | XYL2 | 木糖醇脱氢酶 (xylitol dehydrogenase) | 催化 | 来自Pichia stipitis，染色体整合表达 |
| Saccharomyces cerevisiae TMB 3001 | 木糖利用途径 | XKS1 | 木酮糖激酶 (xylulokinase) | 催化 | 内源基因过表达 |
关键发现
- 适应培养353h后，残糖木糖浓度从进料中的11 g/L降至5.2 g/L，约50%木糖被消耗；在最低抑制剂浓度的水解液SA50中，24h乙醇产率从非适应菌株的0.18 g/g总糖提高到适应菌株的0.38 g/g总糖，最大比乙醇生产力从1.15 g乙醇/(g初始生物量·h)提高到2.55 g/(g·h)；在SA75中，适应菌株的比生产力和乙醇产率分别为非适应菌株的3倍（0.45 vs
- 15 g/(g·h)）和2倍（0.07 vs
- 03 g/g）；在SA100中，适应菌株仍能产生少量乙醇（最大产率0.09 g/g），非适应菌株几乎为零；适应菌株对糠醛的最大转化速率（0.150 g/L/h）为非适应菌株（0.075 g/L/h）的2倍，且在SA75中48h后适应菌株转化了74%的糠醛和40%的HMF，非适应菌株仅转化22%和20%；整个适应和发酵过程中木糖醇生成极少，表明消耗的木糖主要转化为乙醇
研究结论
适应化培养可显著提高重组木糖利用酿酒酵母对甘蔗渣水解液中抑制物的耐受性和发酵性能，缩短发酵时间，减少解毒需求，是改善木质纤维素水解液乙醇生产的经济可行策略