Characterization of a Recombinant Flocculent Saccharomyces cerevisiae Strain that Co-ferments Glucose and Xylose: I. Influence of the Ratio of Glucose/Xylose on Ethanol Production
- 作者
- Akinori Matsushika, Shigeki Sawayama
- 杂志
- Applied Biochemistry and Biotechnology（2012）
- DOI
- 10.1007/s12010-012-0013-1
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
研究重组絮凝酵母MA-R4在葡萄糖/木糖不同比例下共发酵生产乙醇时，糖比例对细胞生长、底物利用、乙醇产量及副产物生成的影响。
研究策略
基于絮凝工业酵母IR-2，通过染色体整合表达XYL1、XYL2和XKS1基因构建重组菌MA-R4，在不同葡萄糖/木糖比例（总糖90 g/L）下进行厌氧分批发酵，系统分析发酵参数。
核心内容
以絮凝工业酵母IR-2为底盘，通过染色体整合表达XYL1、XYL2和XKS1基因构建重组菌MA-R4，系统考察了总糖90 g/L下不同葡萄糖/木糖比例对厌氧分批发酵的影响。结果显示，葡萄糖比例越高，细胞生长越快，葡萄糖消耗和乙醇生成速率越高，副产物（木糖醇、甘油、乙酸）含量越低。以90 g/L葡萄糖为唯一碳源时72 h乙醇浓度达41.6 g/L，产率为0.454 g/g，而纯木糖条件下仅产21.9 g/L乙醇，产率降至0.335 g/g。最大葡萄糖消耗速率达1.224 g/g biomass/h，最大乙醇生成速率为0.493 g/g biomass/h。木糖消耗的最佳糖比例为2:3，此时最大木糖消耗速率0.209 g/g biomass/h，最高细胞浓度达19.08 g/L。研究发现高葡萄糖比例能提升乙醇选择性并减少副产物，而木糖比例升高则降低选择性，控制胞外葡萄糖浓度对实现高效共发酵至关重要。
创新点
首次系统评价了重组絮凝酵母MA-R4在多种葡萄糖/木糖比例下的共发酵性能，发现葡萄糖比例高时乙醇选择性提高，并确定了木糖消耗最佳糖比例为2:3。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae MA-R4 | 木糖利用途径 | XYL1 | XR | 催化 | 木糖还原酶，来自Scheffersomyces stipitis，整合于aur1位点 |
| Saccharomyces cerevisiae MA-R4 | 木糖利用途径 | XYL2 | XDH | 催化 | 木糖醇脱氢酶，来自S. stipitis |
| Saccharomyces cerevisiae MA-R4 | 木糖利用途径 | XKS1 | XK | 催化 | 木酮糖激酶，内源基因，受PGK启动子控制 |
关键发现
- 最大葡萄糖消耗速率为1.224 g/g biomass/h，最大乙醇生成速率为0.493 g/g biomass/h
- 木糖消耗最佳比例为葡萄糖:木糖=2:3，最大木糖消耗速率0.209 g/g biomass/h
- 以90 g/L葡萄糖为唯一碳源时72 h乙醇浓度达41.6 g/L，而以90 g/L木糖为唯一碳源时仅21.9 g/L，乙醇产率分别为0.454和0.335 g/g
- 副产物（木糖醇、甘油、乙酸）随葡萄糖比例增加而降低，最高细胞浓度为19.08 g/L（表2为19.8 g/L）
- 葡萄糖比例高时副产物（甘油和乙酸）减少与高乙醇产率相关。
研究结论
葡萄糖比例高时，细胞生长快，葡萄糖消耗和乙醇生成速率高，乙醇浓度和产率提高，副产物减少，乙醇选择性高；木糖比例高时乙醇选择性降低。控制细胞外葡萄糖浓度对有效实现葡萄糖/木糖共发酵至关重要。