基因重组酵母发酵木糖产酒精的研究
2022-07-10
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维普资讯 http://www.cqvip.com 第27卷第3期 2007年6月 林 产 化 学 与 工 业 Chemistry and Industry of Forest Products Vo1.27 No.3 June 2007 基因重组酵母发酵木糖产酒精的研究 王周芳,陈明,王冰冰,夏黎明 (浙江大学化学工程与生物工程系,浙江杭州310027) 摘要: 以一株基因重组酵母为研究对象,探讨了厌氧条件下pH值、底物浓度、接种量、乙酸质 量分数和葡萄糖添加量等关键因子对木糖发酵的影响。结果表明,重组酵母Saccharomyces cerevlsiae 中图分类号:TQ92;Q932 文献标识码:A 文章编号:0253—2417(2007)03—0033—04 Ethanol Fermentation on Xylose by a Recombinant Yeast WANG Zhou-fang,CHEN Ming,WANG Bing—bing,XIA Li—ming (Department of Chemical Engineering and Bioengineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China) Abstract:The key affecting factors of enthanol fermentation on xylose by a recombinant yeast of Saccharomyces cerevisiae ZU一10 were investigated.Fermentation was performed with 80 g/L xylose and inoculum of 1,2 g/L(cell dry weight)at initial pH value 5.5,30℃under anaerobic condition,and 28.9 g/L ethanol was obtained within 72 h.Acetic acid of mass fraction lower than 0.05%in culture medium caused minor influence on xylose fermentation.Addition of glucose to culture medium favored fermen- tation of xylose,and 85.7%xylose was utilized within 36 h at 40 L glucose in culture medium containing 30 g/L xylose. Key words:xylose;fermentation;recombinant yeast 当前石油能源危机13益严重…,中国是石油消费大国,但石油资源却相对贫乏,为减少对石油进口 的依赖,原国家计委于2001年宣布将全面推广使用乙醇汽油 j。乙醇是可再生的最有发展前景的液态 燃料 ,目前国内主要以玉米、小麦等粮食淀粉经微生物发酵生产。我国拥有丰富且廉价的植物纤维 资源,尤其是农林废弃物,生物转化植物纤维原料生产乙醇,对中国经济和社会的可持续发展具有重大 意义。木糖是植物中含量仅次于葡萄糖的一种水解单糖,占水解糖的35%,因此将木糖转化成乙醇是 植物纤维生产乙醇的关键 。自然界中发酵木糖的酵母菌有Pichia stipitis、Candida shehatae和Pachyso. 1en tannophilus,但它们对酒精的耐受能力较差,发酵液中乙醇浓度低,且要求“半好氧”的发酵条件,不 适合乙醇的工业化生产 。传统的乙醇工业生产菌酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)具有易培养、耐 高糖、厌氧发酵、乙醇得率高、乙醇耐受性高和发酵能力强等优点,但由于缺乏木糖代谢途径的关键酶, 因而不能利用木糖,但它可以发酵木酮糖生成乙醇 J。作者以一株基因重组酵母S.cerevisiae ZU一10为 研究对象,对厌氧条件下发酵木糖产乙醇的关键因子进行了研究。 1材料和方法 1.1试剂与仪器 木糖,浙江华康药业有限公司;木糖和木糖醇标准样,Sigma公司;乙醇标准样,分析纯;Syhech 收稿日期:2006—05—22 基金项目:国家自然科学基金资助项目(20476091);浙江大学学科交叉预研基金资助项目(无编号) 作者简介:王周芳(1982一),女,浙江绍兴人,硕士生,主要从事生物化工方面的研究 通讯作者:夏黎明,博士生导师,主要从事可再生资源利用方面的研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 林产化学与工业 第27卷 model 500高效液相色谱仪;Transgenomic IC Sep ICE—Coregel 87H3(300 mm×7.8 mm)有机酸柱; Spectra-Physics 6040 XR示差折光监测器。 1.2菌种 S.cerevisiae ZU-10,为本实验室构建的基因重组酵母,带有来自Pichia stipitis的木糖还原酶、木糖醇 脱氢酶以及木酮糖激酶基因,可在厌氧条件下发酵木糖产乙醇。该菌种保存在以木糖为单一碳源的斜 面培养基上。 1.3培养基 斜面培养基(g/L):木糖20,蛋白胨10,酵母膏5,琼脂20,自然pH值。种子培养基(g/L):木糖10, 葡萄糖lO,蛋白胨lO,酵母膏5,自然pH值。发酵培养基(s/L):木糖8O,蛋白胨3,酵母膏2,CaC1 0.25,MgC12 0.25,KH2PO4 2.5,pH值5.5。 1.4种子液的制备 斜面接种后于30 cc培养48 h。将斜面菌种接入装有50 mL种子培养基的250 mL的三角瓶中,于 30 oC,180 r/min下培养36 h。种子液于4000 r/min下离心5 min,收集到的细胞沉淀用于接种发酵培 养基。 1.5乙醇发酵 所有乙醇发酵试验均在装有50 mL发酵培养基的100 mL三角瓶中进行,瓶口塞上橡皮塞(插有针 头)以控制厌氧条件,置30 oC,120 r/min的恒温振荡器内振荡发酵。除特别指明,发酵液接种后初始细 胞质量浓度均为1.2 g/L(以干质量计,下同),发酵时间为72 h。 1.6分析方法 发酵产物(乙醇、木糖醇)及发酵液中残糖均由高效液相色谱法(HPLC)测定。待测发酵液先经 10 000 r/min离心10 min,上清液经0.45 Ixm微孔滤膜过滤后进样测定。色谱条件为:柱温60 cc,纯净 水作流动相,流速设定为0.5 mL/min。 2结果与讨论 2.1 pit值对木糖发酵的影响 以稀NaOH和H sO 溶液调节发酵培养基的初始pH值分别为2.5、3.5、4.5、5.5和6.5,发酵时 间为72 h。由表1可知,当发酵培养基初始pH值2.5~6.5范围内变化时,S.cerev ̄iae ZU-10发酵木糖 乙醇得率的变化很大。初始pH值的适宜范围为4.5~5.5,最适pH值为5.5,此时木糖利用率为 90.5%,发酵液中乙醇质量浓度达到28.9 g/L,乙醇得率为36%,为理论得率的78.3%(酵母发酵木 糖产乙醇的理论得率为46% )。 表1 发酵培养基初始pI-I值对木糖发酵的影响 Table 1 Effects of initial pH value in medium on xylose fermentation by S.cerevisiae ZU一1 0 初始pH值 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 残留木糖质量浓度/(g・L- ) 木糖利用率/% 乙醇质量浓度/(g・L- ) 乙醇得率/% xylose consumed 43.4 85.O 89.O 90.5 85.8 占理论值/% account for theoretical yield 37.O 67.4 71.7 initial pH value residual xylose mass concn.45.3 l2.O 8.8 7.6 l1.4 ethanol mass concn. l3.4 24.9 26.4 28.9 24.6 ethanol yield l7 3l 33 36 3l 78.3 67.4 2.2初始木糖质量浓度对木糖发酵的影响 将发酵培养基初始木糖质量浓度分别配制为50、80、120、150 g/L,控制不同的发酵时间,探讨初始 木糖质量浓度对发酵的影响。从表2可以看出,随着木糖质量浓度的增加,木糖利用率和乙醇得率均逐 渐降低,当木糖质量浓度高于80 g/L时,发酵液中残留木糖质量浓度过高,木糖利用率和乙醇得率迅速 下降。可见在S.cerevisiae ZU一10发酵木糖的过程中,存在着底物浓度抑制现象。Schvester等 有关酵 母的研究发现,当木糖质量浓度从50 g/L升至200 g/L时,P.tannophilus发酵木糖的乙醇产量从 0.32 g/L降到0.14 g/L,C.shehatae发酵木糖的乙醇产量从0.45 g/L降到0.13 g/L。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 王周芳,等:基因重组酵母发酵木糖产酒精的研究 表2初始木糖质量浓度对木糖发酵的影响 Table 2 Effects of initial xylose mass concentration on xylose fermentation by S.cerev ̄iae ZU一10 35 2.3接种量对木糖发酵的影响 不同的接种量水平对S.cerevisiae ZU一10发酵木糖影响较大(表3)。当接种量(以细胞干质量计, 下同)为0.3 g/L时,发酵72 h后残留木糖质量浓度仍高达56.8 g/L,木糖利用率仅为29.0%,乙醇质 量浓度只达到8.7 g/L。随着接种量的增加,木糖利用率和乙醇得率均迅速增大。当接种量增至 1.8 g/L时,残留木糖为3.3 glL,95.9%的木糖被利用,乙醇质量浓度达30.1 g/L。可见高密度接种有 利于提高木糖利用速率和乙醇生产速率,但游离细胞发酵不易做到对酵母细胞的重复利用,将细胞固定 化后再进行发酵将是一个很好的解决办法。 表3接种量对木糖发酵的影响 Table 3 Effects of inoculum level on xylose fermentation by S.cerevisiae ZU一10 2.4 乙酸质量分数对木糖发酵的影响 乙酸是植物纤维原料半纤维素水解液中的主要抑制因子 J,在半纤维素水解过程中由半纤维素脱 乙酰基产生,因此研究基因重组酵母S.cerev ̄iae ZU一10对乙酸的耐受性很有必要。从表4可看出,当 发酵液中的乙酸质量分数低=F0.05%时,对S.cerevisiae ZU一10发酵木糖的影响不大;乙酸质量分数高 于0.05%时对木糖发酵产生较大的影响,当乙酸质量分数增至0.2%时,S.cerevisiae ZU一10对木糖的 发酵基本停止。应用S.cerevisiae ZU一10发酵植物纤维水解液生产乙醇,必须解决菌株对乙酸等抑制因 子的耐受性问题,可以从菌种驯化及发酵前对水解液进行脱毒处理(如汽提、石灰中和、活性炭吸附等) 两个途径人手。 表4乙酸质量分数对木糖发酵的影响 Table 4 Effects of acetic acid mass fraction on xylose fermentation by S.cerevisiae ZU一10 2.5葡萄糖添加量对木糖发酵的影响 以上各因素的考察均以纯木糖为发酵底物,但植物纤维原料水解液中通常是葡萄糖与木糖同时存 在,如碱预处理后的秸秆水解液和氨爆破处理后的甘蔗渣水解液。发酵培养基初始木糖质量浓度被设 定为30 g/L,添加不同量的葡萄糖,探讨葡萄糖添加量对S.cerev ̄iae ZU一10木糖发酵的影响,发酵时间 为36 h。表5中结果表明,添加一定量的葡萄糖有利于提高木糖利用率,当葡萄糖质量浓度为40 g/L 时,36 h内木糖利用率达85.7%,高于以木糖为唯一碳源时79.0%的木糖利用率。葡萄糖和木糖的共 维普资讯 http://www.cqvip.com 林产化学与工业 第27卷 发酵可以更充分地发酵木糖,这一特性对应用S.cerevisiae ZU-10发酵植物纤维水解液生产乙醇具有重 要意义。 表5葡萄糖添加量对木糖发酵的影响 Table 5 Effects of glucose addition on xylose fermentation by S.cerevisiae ZU一10 2.6葡萄糖和木糖共发酵的时间进程 以30 L木糖和50 L葡萄糖为复合碳源,研究了S.cerevi— siae ZU一10对葡萄糖和木糖的共发酵的时间进程(见图1)。共发 酵结果表明,S.cerevisiae ZU一10快速代谢培养基中的葡萄糖,接 种后12 h内50 L葡萄糖便被酵母细胞完全利用,发酵液中乙 醇质量浓度迅速上升到24.9 g/L,但木糖代谢速度较慢,在前 12 h仅有27.7%被利用。S.cerevisiae ZU一10代谢葡萄糖速度快 于木糖,是因为木糖的代谢途径比葡萄糖要复杂得多。葡萄糖和 木糖的共发酵过程中也检测到少量的木糖醇存在于发酵液中。 0 10 2O 3O 40 50 时间,h 3结论 一一一_,I. 卿 口一葡萄糖glucose;-*-木糖xylose; 一△一木糖醇xylitol;一。一乙醇ethanol 3・1 基因重组酵母S・cerevisiae ZU一10可以在厌氧条件下发酵木图1 .cP v/s/aP ZU—10对葡萄糖和木 糖产乙醇,在80 L木糖、初始pH值5.5、接种量(以细胞干质量 糖的共发酵的时间进程 计)1.2 g/L培养液中30 qC厌氧发酵72 h,木糖利用率达Fig.1 Tim 。 。f 。fermentati。 。f 90.5%,发酵液中乙醇质量浓度达到28.9 g/L。 g1ucose and y1ose by s。erevisiae 3.2当发酵液中的乙酸质量分数低于0.05%时,对S.cerevisiae ZU一10 ZU一10发酵木糖的影响不大;乙酸质量分数高于0.05%时对木糖发酵产生较大的影响,当乙酸质量分 数增至0.2%时,S.cerevisiae ZU一10对木糖的发酵基本停止。 3.3添加适量的葡萄糖可促进木糖发酵,这一特性对应用S.cerevisiae ZU一10发酵植物纤维原料水解 液生产乙醇具有重要意义。 参考文献: [1]SUN Y,CHENG J.Hydorlysis oflignocellulosic mateirals for ethanol production:a review[J].Bioresource Technology,2002,83:1—11. 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