Effects of Aeration on Growth, Ethanol and Polyol Accumulation by Spathaspora passalidarum NRRL Y-27907 and Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124
- 作者
- Yi-Kai Su, Laura B. Willis, Thomas W. Jeffries
- 单位
- Department of Biological Systems Engineering, University of Wisconsin, Madison, Wisconsin; DOE Great Lakes Bioenergy Research Center, University of Wisconsin, Madison 53703, Wisconsin; Department of Bacteriology, University of Wisconsin, Madison, Wisconsin; Forest Products Laboratory, USDA Forest Service, Madison, Wisconsin
- 杂志
- Biotechnology and Bioengineering（2015）
- DOI
- 10.1002/bit.25445
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
研究通气速率对两种天然木糖发酵酵母Spathaspora passalidarum和Scheffersomyces stipitis在葡萄糖、木糖及混合糖发酵中生长、乙醇和多元醇积累的影响，以优化木质纤维素生物乙醇生产中的供氧条件。
研究策略
在四种不同氧传递速率（OTR 2.47–4.73 mmol O2/L·h）下，对两种酵母在15%葡萄糖、15%木糖及12%木糖+3%葡萄糖三种碳源中进行摇瓶发酵，比较发酵动力学、乙醇产量、多元醇和乙酸积累，并分析副产物组成差异。
核心内容
该研究系统比较了两种天然木糖发酵酵母Spathaspora passalidarum和Scheffersomyces stipitis在四种氧传递速率（OTR 2.47–4.73 mmol O2/L·h）下，以葡萄糖、木糖及混合糖为碳源进行摇瓶发酵时的生长、乙醇和多元醇积累特性。结果显示，S. passalidarum在木糖上的比乙醇产率比葡萄糖高约50%，在150 g/L木糖、最低OTR下达到0.153 g乙醇/g细胞干重·h，乙醇得率0.448 g/g；而S. stipitis在木糖上的最高乙醇浓度为53.3 g/L。提高通气量虽能提升体积产率，但使木糖乙醇得率下降14–16%。S. passalidarum在混合糖最低通气下获得最高乙醇浓度58.3 g/L，且其R,R-2,3-丁二醇积累量达S. stipitis的4倍，戊糖醇比例显著更低（0.28–0.42 vs 约0.8）。研究还鉴定了可能的多元醇脱氢酶候选基因。这些结果说明S. passalidarum在供氧优化下是优于S. stipitis的木糖发酵菌株，且具有通过代谢工程生产2,3-丁二醇的潜力。
创新点
['首次系统比较了S. passalidarum与S. stipitis在不同OTR下葡萄糖、木糖和混合糖发酵的多元醇积累及2,3-丁二醇立体异构体组成', '发现S. passalidarum在木糖上比葡萄糖具有更高的比乙醇产率（至少1.5倍），且其R,R-2,3-丁二醇积累量可达S. stipitis的4倍', '鉴定了两种酵母中可能的多元醇脱氢酶候选基因，为代谢工程改造提供靶点']
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Spathaspora passalidarum NRRL Y-27907 | 木糖发酵途径（戊糖磷酸途径与糖酵解） | — | — | 催化 | 天然木糖发酵酵母，优先发酵木糖，低通气下乙醇得率更高 |
| Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124 | 木糖发酵途径（戊糖磷酸途径与糖酵解） | — | — | 催化 | 对照菌株，木糖发酵表现逊于S. passalidarum，尤其在低通气条件 |
| S. passalidarum NRRL Y-27907 | 多元醇代谢 | SsARDH同源基因（EGW30261） | D-阿拉伯醇-2-脱氢酶（推测） | 催化 | 与C. albicans Ard1有85.6%相似性，可能催化D-阿拉伯醇与D-核酮糖转化 |
| S. stipitis NRRL Y-7124 | 多元醇代谢 | SsARDH | D-阿拉伯醇脱氢酶 | 催化 | 与C. albicans Ard1有84%同一性，短链脱氢酶 |
| S. passalidarum NRRL Y-27907 | 多元醇代谢 | BLAST候选（EGW32915, EGW34210） | 丁二醇脱氢酶候选 | 催化 | 与S. cerevisiae Bdh1/Bdh2同源，可能参与2,3-丁二醇互变 |
| S. stipitis NRRL Y-7124 | 多元醇代谢 | BLAST候选（XP_001385027, XP_001386484） | 丁二醇脱氢酶候选 | 催化 | 与S. cerevisiae Bdh1/Bdh2同源，可能参与2,3-丁二醇互变 |
| S. passalidarum NRRL Y-27907 | 糖酵解/戊糖磷酸途径 | XYL1（木糖还原酶）、XYL2（木糖醇脱氢酶）、XYL3（木酮糖激酶） | 木糖还原酶、木糖醇脱氢酶、木酮糖激酶 | 催化 | 参与木糖代谢，S. passalidarum的XR对NADH亲和力高于S. stipitis |
| S. stipitis NRRL Y-7124 | 糖酵解/戊糖磷酸途径 | XYL1, XYL2, XYL3 | 木糖还原酶、木糖醇脱氢酶、木酮糖激酶 | 催化 | 木糖同化途径，辅因子不平衡导致木糖醇积累 |
| S. passalidarum NRRL Y-27907 | 2,3-丁二醇代谢 | — | — | 催化 | R,R-2,3-BD为木糖发酵中仅次于木糖醇的最大副产物，积累量可达S. stipitis的4倍 |
| S. passalidarum NRRL Y-27907 | 乙偶姻/2,3-丁二醇代谢 | — | α-乙酰乳酸合酶、丁二醇脱氢酶等 | 催化 | 葡萄糖和混合糖发酵初期（24 h）有乙偶姻峰值0.45-0.91 g/L |
| S. stipitis NRRL Y-7124 | 戊糖磷酸途径 | — | — | 调控 | 木糖发酵时核糖醇积累显著（3.6-5.4 g/L），戊糖醇占总多元醇约80% |
关键发现
- S. passalidarum在150 g/L木糖、OTR 2.47 mmol O2/L·h下最大比乙醇产率为0.153 g乙醇/g CDW·h，乙醇得率0.448 g/g
- OTR从2.47提高到4.27 mmol O2/L·h时，木糖乙醇得率从0.46降至0.42 g/g，而体积乙醇产率从0.52增至0.8 g/L·h。S. passalidarum在12%木糖+3%葡萄糖混合糖、最低通气下获得最高乙醇浓度58.3 g/L
- S. stipitis在15%木糖、2.47 mmol O2/L·h下最高乙醇浓度为53.3 g/L。木糖发酵中两菌株乙醇得率随OTR从2.47增至4.73 mmol O2/L·h下降14-16%。S. passalidarum在木糖上的比乙醇产率比葡萄糖高约50%，而S. stipitis在木糖上的qE范围为0.114-0.137 g乙醇/g CDW·h，S. passalidarum为0.089-0.153 g乙醇/g CDW·h。S. stipitis在木糖或混合糖发酵中可达5 g/L核糖醇，约转化3.3%的木糖
- S. passalidarum的核糖醇一般低于0.6 g/L。S. passalidarum在混合糖中木糖醇积累从约1 g/L增至3-4 g/L。乙酸积累与通气正相关，最高乙酸2.11 g/L（15%葡萄糖，4.73 mmol O2/L·h）。S. passalidarum的R,R-2,3-BD积累量是S. stipitis的4倍，且为除木糖醇外最丰富的副产物。S. passalidarum的戊糖醇占总多元醇比例（RPPY）为0.28-0.42（木糖）和0.11-0.25（葡萄糖），S. stipitis则约为0.8（木糖）和0.5（葡萄糖）。
研究结论
在本研究氧气传递速率范围内，S. passalidarum是优于S. stipitis的天然木糖发酵酵母；其在木糖上的比乙醇产率至少比葡萄糖高1.5倍，且产生更少的戊糖醇和更多的2,3-丁二醇，提示其糖酵解通量更高。S. passalidarum具有通过代谢工程生产2,3-丁二醇的潜力。