Ethanolic fermentation of acid pre-treated starch industry effluents by recombinant Saccharomyces cerevisiae strains
- 作者
- Jesus Zaldivar, Christophe Roca, Caroline Le Foll, Bärbel Hahn-Hägerdal, Lisbeth Olsson
- 单位
- Center for Microbial Biotechnology, Technical University of Denmark, BioCentrum-DTU, Building 223, DK-2800 Kgs, Lyngby, Denmark; Applied Microbiology, Lund University, P.O. Box 124, SE-221 00 Lund, Sweden
- 杂志
- Bioresource Technology（2005）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2004.12.034
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
利用小麦淀粉工业生产废液作为底物，评估不同代谢工程改造的木糖利用酿酒酵母菌株在工业基质中的乙醇发酵性能，解决木糖利用效率低、副产物积累等关键问题。
研究策略
对小麦淀粉工业的预发酵和后发酵废液进行酸预处理和酶解，以三种代谢工程木糖利用酿酒酵母菌株（TMB3001、CPB.CR1、CPB.CR2）和参考菌株CEN.PK113-7D进行厌氧分批发酵，比较糖消耗、乙醇产量、副产物形成及关键动力学参数。
研究路线图
核心内容
本研究以小麦淀粉工业预发酵和后发酵废液为底物，经酸预处理和酶解后，对比三种代谢工程改造的木糖利用酿酒酵母菌株（TMB3001、CPB.CR1、CPB.CR2）与参考菌株CEN.PK113-7D的厌氧乙醇发酵性能。预发酵废液含葡萄糖120 g/L、木糖54.1 g/L，后发酵废液含葡萄糖13.5 g/L、木糖29.5 g/L。结果显示，所有菌株均能发酵产乙醇，但木糖消耗速率远低于葡萄糖，总比乙醇生产率在葡萄糖上较木糖高6至15倍。关键发现是缺失GDH1基因的CR1菌株生长速率最低（0.24–0.27 h⁻¹），但在后发酵废液中乙醇得率较其他重组菌株提高18%，达最高乙醇浓度6.6 g/L；而参考菌株乙醇得率分别达0.47和0.46 g/g，显著高于各重组菌株。甘油（最高19 g/L）和木糖醇为主要副产物。研究表明，通过GDH1缺失调节氧化还原代谢可在无铵盐工业底物中改善乙醇得率，但需进一步精细平衡氧化还原以提升木糖利用速率和乙醇产量。
创新点
首次将代谢工程改造的具有不同调控策略（氧化还原调节、葡萄糖去阻遏）的木糖利用重组菌株应用于工业淀粉废液发酵；发现后发酵废液中GDH1缺失菌株（CR1）乙醇得率提高18%，拓宽了代谢工程策略在复杂工业底物中的适用性理解。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae TMB3001 | 木糖利用和乙醇发酵 | XYL1 | 木糖还原酶 | 催化 | 来自Pichia stipitis，催化木糖还原为木糖醇 |
| Saccharomyces cerevisiae TMB3001 | 木糖利用和乙醇发酵 | XYL2 | 木糖醇脱氢酶 | 催化 | 来自Pichia stipitis，催化木糖醇氧化为木酮糖 |
| Saccharomyces cerevisiae TMB3001 | 木糖利用和乙醇发酵 | XKS1 | 木酮糖激酶 | 催化 | 内源基因，磷酸化木酮糖进入磷酸戊糖途径 |
| Saccharomyces cerevisiae CPB.CR1 | 氮代谢/氧化还原平衡调节 | GDH1 | 谷氨酸脱氢酶1 | 调控 | 敲除GDH1以改变铵同化途径，调节胞内NADPH/NADH平衡，影响木糖发酵产物分布 |
| Saccharomyces cerevisiae CPB.CR2 | 碳代谢/葡萄糖阻遏 | MIG1 | MIG1转录因子 | 调控 | 敲除MIG1解除葡萄糖阻遏，但未显著提高木糖消耗速率或实现葡萄糖和木糖同步利用 |
| Saccharomyces cerevisiae CEN.PK113-7D | 乙醇发酵 | — | — | 催化 | 参考菌株，不能利用木糖，仅利用葡萄糖进行乙醇发酵 |
关键发现
- 预发酵废液中葡萄糖浓度为120 g/L、木糖为54.1 g/L
- 后发酵废液中葡萄糖为13.5 g/L、木糖为29.5 g/L。预发酵废液中总比乙醇生产率在葡萄糖上比木糖高6倍，后发酵废液中高15倍。CPB.CR1（gdh1Δ）生长速率最低（预发酵0.24 h⁻¹、后发酵0.27 h⁻¹），但在后发酵废液中乙醇得率较其他重组菌株提高18%（基于消耗糖计算）。最高乙醇浓度：预发酵废液中REF 56 g/L、TMB 59 g/L、CR1 46 g/L、CR2 53 g/L
- 后发酵废液中分别为6.2、6.9、6.6、6.9 g/L。参考菌株乙醇得率在预发酵和后发酵废液中分别为0.47和0.46 g/g，重组菌株在预发酵废液中为0.27-0.34 g/g、后发酵废液中为0.15-0.16 g/g。最高木糖消耗速率：预发酵废液中CR2为0.038 g/(g·h)，后发酵废液中TMB为0.065 g/(g·h)。木糖醇最终浓度以TMB最高，预发酵废液6.0 g/L、后发酵废液6.6 g/L
- 木糖醇得率（每克木糖）TMB为0.12和0.24 g/g，CR1为0.14和0.17，CR2为0.09和0.18。甘油浓度在发酵结束时可高达16.6-19.0 g/L（预发酵废液）和3.0-4.3 g/L（后发酵废液）。
研究结论
代谢工程改造的木糖利用酿酒酵母菌株能在酸预处理的小麦淀粉工业废液中发酵产生乙醇，但木糖消耗速率低，甘油和木糖醇为主要副产物。通过对GDH1的缺失调节氧化还原代谢可在无铵盐的工业底物中提高乙醇得率，但需要进一步精细调节氧化还原平衡以实现更高的乙醇产量和木糖消耗速率。