Effect of Compounds Released During Pretreatment of Wheat Straw on Microbial Growth and Enzymatic Hydrolysis Rates
- 作者
- Gianni Panagiotou, Lisbeth Olsson
- 单位
- Center for Microbial Biotechnology, BioCentrum-DTU, Technical University of Denmark
- 杂志
- Biotechnology and Bioengineering（2007）
- DOI
- 10.1002/bit.21100
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
麦秸预处理过程中释放的抑制物对微生物生长和酶水解速率的影响
研究策略
利用四种重组酿酒酵母菌株在预处理麦秆水解液中进行发酵试验，并测试常见木质素衍生物对两种酶混合物的抑制作用
核心内容
该研究系统考察了麦秸预处理释放的抑制物对重组酿酒酵母发酵和酶水解效率的影响。作者使用四种木糖代谢重组菌株在预处理麦秆水解液中进行发酵，并测定了多种木质素衍生物及有机酸对纤维素酶和半纤维素酶混合物的抑制作用。结果显示，在220 g/L干物质的水解液中，菌株F12耐受性最强，可在100%浓度下维持乙醇产量8.8 g/L和产率0.2–0.22 g/L/h，而其余三株在浓度高于60%时被显著抑制；在20%水解液中CPB.CB4达到最高乙醇浓度12.8 g/L和体积产率0.27 g/L/h。酶抑制实验中，甲酸是最强的酶活性抑制剂，4 g/L即降低滤纸酶活20%，15 g/L几乎完全失活；预孵育后水解液使两种纤维素酶混合物的葡萄糖产量分别降低49%和64%，混合抑制物使木聚糖水解率降低60%和80%。研究表明预处理水解液的抑制效应主要来自少数化合物如甲酸，且菌株间耐受差异巨大，因此筛选稳健菌株并有针对性地去除关键抑制物即可显著提升酶解和发酵的整体效率。
创新点
鉴定出F12为最耐受的酿酒酵母菌株；发现甲酸是酶水解的最强抑制剂；比较了不同菌株的发酵性能和不同酶制剂的抑制特性
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae CEN.PK 113-7D (CPB.CR4) | 木糖代谢 | XYL1, XYL2, XKS1, GDH2 | 木糖还原酶、木糖醇脱氢酶、木糖激酶、谷氨酸脱氢酶 | 催化 | 实验室菌株，重组表达木糖代谢基因并改造GDH |
| Saccharomyces cerevisiae CEN.PK 113-7D (CPB.CB4) | 木糖代谢 | XYL1, XYL2, XKS1, gapN | 木糖还原酶、木糖醇脱氢酶、木糖激酶、非磷酸化甘油醛-3-磷酸脱氢酶 | 催化 | 实验室菌株，过表达GAPN以改变氧化还原平衡 |
| Saccharomyces cerevisiae CEN.PK 113-7D (FLX) | 糖酵解/氧化还原代谢 | gapN | 非磷酸化甘油醛-3-磷酸脱氢酶 | 催化 | 仅表达GAPN，不包含木糖代谢基因 |
| Saccharomyces cerevisiae F (F12) | 木糖代谢 | XYL1, XYL2, XKS1 | 木糖还原酶、木糖醇脱氢酶、木糖激酶 | 催化 | 工业菌株背景，过表达木糖代谢酶，最耐受抑制物 |
| 无（酶制剂） | 纤维素降解 | — | 纤维素酶、β-葡萄糖苷酶 | 催化 | Celluclast 1.5 L FG和Novozym 188按3:1混合 |
| 无（酶制剂） | 纤维素和半纤维素降解 | — | 纤维素酶、半纤维素酶 | 催化 | Penicillium brasilianum IBT 20888粗酶制剂 |
关键发现
- 在220 g/L干物质麦秆预处理水解液中，F12是最稳健的菌株，而其他三种菌株在水解液浓度高于60%(v/v)时受到强烈抑制
- 在20%水解液中CPB.CB4达到最高乙醇浓度12.8 g/L和体积产率0.27 g/L/h
- F12在100%水解液中乙醇浓度8.8 g/L，产率0.2-0.22 g/L/h
- 甲酸对酶水解影响最严重，4 g/L甲酸使滤纸酶活降低20%，15 g/L几乎完全失活
- 预孵育后，麦秆水解液使纤维素酶混合物CN和Pb的葡萄糖产量分别降低49%和64%
- 木聚糖酶解时，甲酸4 g/L完全失活Pb的半纤维素酶系统
- 混合抑制剂使CN和Pb的木聚糖水解率分别降低60%和80%。
研究结论
预处理麦秆水解液可被重组酿酒酵母发酵，但抑制物浓度和菌株耐受性差异显著影响发酵性能；选择合适菌株对工艺设计至关重要；甲酸是主要的酶抑制物，选择性去除一两种化合物可能足以提高酶解效率。