Xylose Isomerase Improves Growth and Ethanol Production Rates from Biomass Sugars for Both Saccharomyces Pastorianus and Saccharomyces Cerevisiae
- 作者
- Kristen P. Miller, Yogender Kumar Gowtham, J. Michael Henson, Sarah W. Harcum
- 单位
- Dept. of Bioengineering, Clemson University; Dept. of Biological Sciences, Clemson University
- 杂志
- Biotechnology Progress（2012）
- DOI
- 10.1002/btpr.1535
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
柳枝稷等纤维素生物质水解液含有大量木糖，但酿酒酵母等传统菌株不能有效将木糖转化为乙醇。本研究考察外源固定化木糖异构酶对低细胞密度培养的Saccharomyces pastorianus和Saccharomyces cerevisiae生长及乙醇生产速率的影响，以提升纤维素乙醇的经济可行性。
研究策略
在低细胞密度（0.05 OD）培养体系中加入固定化木糖异构酶，系统比较不同葡萄糖（0.5、80、160 g/L）和木糖（0、40、80 g/L）浓度组合下的生长与乙醇生产；通过果糖单碳源对照、失活酶对照以及两个酵母种的平行比较，解析木糖异构酶的作用机制。
研究路线图
核心内容
本研究在低细胞密度（0.05 OD）培养体系中，向酿酒酵母Saccharomyces pastorianus和Saccharomyces cerevisiae添加固定化木糖异构酶，系统考察不同葡萄糖（0.5、80、160 g/L）与木糖（0、40、80 g/L）组合下的生长和乙醇生产，并设果糖单碳源及失活酶对照以解析机制。结果显示，木糖异构酶显著促进两菌株生长与乙醇生产：在160 g/L葡萄糖培养中，最大乙醇浓度提高12%；在80和160 g/L糖浓度下，最大细胞密度分别提高30%和22%；80 g/L糖时加酶乙醇产量约44 g/L、糖转化率55%，不加酶仅30 g/L、38%；160 g/L糖时45 h乙醇产量由45 g/L增至约70 g/L。在160 g/L葡萄糖加40 g/L木糖条件下，两种酵母加酶后乙醇生产速率达1.08 g/L/h，最终乙醇浓度超70 g/L，总糖乙醇得率为0.35 g/g。机制分析表明，木糖异构酶主要通过其葡萄糖异构酶活性将葡萄糖转化为果糖，提高葡萄糖消耗速率，而非单纯依赖木糖转化为木酮糖。该策略可提升纤维素糖发酵效率，S. pastorianus在近理论转化率下产生更高生物量，有望改善纤维素乙醇工艺的经济性。
创新点
首次在低细胞密度、活跃生长的酵母培养中评估固定化木糖异构酶的作用，发现木糖异构酶通过其葡萄糖异构酶活性促进细胞生长和乙醇生产，而非仅仅依赖木糖转化为木酮糖；并同时比较了S. pastorianus与S. cerevisiae，考虑了生物质产物对经济性的贡献。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces pastorianus | 乙醇发酵（葡萄糖/木糖代谢） | — | 木糖异构酶（葡萄糖异构酶，来自Streptomyces murinus） | 催化 | 培养基中添加5 g/L固定化木糖异构酶，显著提高生长和乙醇生产速率 |
| Saccharomyces cerevisiae | 乙醇发酵（葡萄糖/木糖代谢） | — | 木糖异构酶（葡萄糖异构酶，来自Streptomyces murinus） | 催化 | 与S. pastorianus进行平行比较，木糖异构酶同样提高乙醇生产率，且对S. cerevisiae效果更明显 |
关键发现
- 木糖异构酶显著提高S. pastorianus的生长和乙醇生产率：在160 g/L葡萄糖培养中，加酶使最大乙醇浓度提高12%（P≤0.05）
- 在80和160 g/L葡萄糖或果糖培养中，加酶使最大细胞密度分别提高30%和22%
- 80 g/L糖时，加酶乙醇约44 g/L，不加约30 g/L，糖转化率分别为55%和38%
- 160 g/L糖时，45 h乙醇产量约70 g/L（加酶）对比45 g/L（不加酶）
- 木糖异构酶在培养基中使木糖-木酮糖平衡转化率为12%~17%。在160 g/L葡萄糖加40 g/L木糖条件下，两种酵母加酶后乙醇生产速率均提高，最终乙醇浓度超过70 g/L，乙醇生产速率达到1.08 g/L/h，总糖乙醇得率为0.35 g/g。
研究结论
木糖异构酶通过提高葡萄糖消耗速率来促进S. pastorianus和S. cerevisiae的生长与乙醇生产，其机制与葡萄糖异构化为果糖有关。S. pastorianus能在接近理论转化率下将纤维素糖转化为乙醇并产生更高生物量，有望改善生物乙醇工艺的经济性。