过表达分支酸歧化酶编码基因ARO7对酿酒酵母抑制物耐受性的影响

利用纤维素原料生产乙醇一直是国内外研究的热点,但纤维素预处理过程产生的弱酸、酚类和糠醛等抑制物对酿酒酵母细胞生长和乙醇发酵具有抑制作用,因此,提高酿酒酵母细胞的环境胁迫耐受性是提高纤维素乙醇发酵效率的重要手段之一.对芳香族氨基酸代谢途径中分支酸歧化酶基因ARO7的过表达对酿酒酵母在胁迫条件下细胞生长和乙醇发酵性能的影响进行研究.结果显示,过表达ARO7的重组菌株在含有5.0 g/L乙酸的平板中生长优于对照菌株;在含有5.0 g/L乙酸的发酵培养基中进行乙醇发酵,过表达ARO7的重组菌株的发酵效率高于对照菌株,在菊芋秸秆水解液中ARO7过表达重组酵母菌株乙醇得率由对照的0.44 g/g提高到0.47 g/g葡萄糖,乙醇生产强度提高了22.38%.以上表明,ARO7的过表达可提高酿酒酵母在抑制物存在条件下纤维素乙醇的发酵效率.     

纤维素酸解副产物对Clostridium acetobutylicum CICC8012发酵的影响

为确定纤维素酸解副产物对C.acetobutylicum CICC8012发酵生产纤维燃料丁醇的影响,选择乙酸根、甲酸、葡萄糖醛酸、氯化钠、硫酸钠、糠醛、羟甲基糠醛(HMF)、香豆酸、阿魏酸、丁香醛、香草醛等纤维素酸解副产物,研究其对菌种发酵的影响.结果表明:甲酸和酚类物质的抑制作用强烈,0.5 g/L的甲酸、阿魏酸或香豆酸存在时对丁醇的抑制率分别为88.1%、22.1%、82.4%,丁香醛(≥0.5 g/L)、香草醛(≥2 g/L)可使发酵的延滞期变长,但抑制作用小于阿魏酸和香豆酸;1 g/L的糠醛、HMF、葡萄糖醛酸存在时对丁醇的抑制率分别为9.8%、4.6%、7.3%,10 g/L乙酸钠存在时对丁醇的抑制率为4.8%,这4种物质对丁醇发酵的抑制作用不大;硫酸钠、氯化钠质量浓度大于5 g/L时对发酵产生抑制作用,浓度达到20 g/L时菌体几乎不能生长.当各抑制物混合时,若抑制物的含量超过临界点,各抑制物间存在相互促进的作用;小麦秸秆水解液的发酵结果表明,水解液成分复杂,抑制作用更为强烈.     

木糖发酵酿酒酵母抑制物耐受能力提升及利用秸秆原料的乙醇发酵性能北大核心CSCD

木糖利用能力和抑制物耐受能力优良的工业酿酒酵母菌株以及合理的糖化发酵工艺是纤维素燃料乙醇生产的两个关键.对一株工业酿酒酵母菌的磷酸戊糖途径转醛醇酶基因TAL1进行差异过表达,评价其在8种典型抑制物存在时对菌株利用木糖的影响;利用TAL1过表达菌株研究油菜秸秆预处理物料中抑制物含量高低对分步糖化发酵（SHF）、预糖化-同步糖化发酵（P-SSF）和同步糖化发酵（SSF）3种不同糖化发酵方式发酵过程的影响,探讨高固含量发酵的可行性.结果显示,TAL1基因过表达提高了菌株的木糖代谢能力和对8种典型抑制物的耐受能力,适度过表达菌株表现最优,有抑制物存在时的木糖消耗速率提升了20%-70%.秸秆预处理物料中抑制物总含量约为4 g/L时,SHF无法正常发酵,SSF的乙醇收率接近70%,略高于P-SSF;当物料中抑制物总含量下降到约2 g/L时,3种方式都能顺利发酵,SSF表现最优,96 h时的乙醇收率为86.5%,但SSF（96 h）和P-SSF（112 h）所需糖化发酵总时间远低于SHF（144 h）;总固含量约为25%的分批补料-同步糖化发酵（FB-SSF）的乙醇浓度和乙醇收率分别达到54.2 g/L和67.2%.上述结果表明,TAL1基因适度过表达提升了菌株的木糖发酵和抑制物耐受能力,菌株已具备比较优秀的发酵和耐受抑制物的能力;预处理物料中抑制物含量相对较高时采用SSF或P-SSF工艺,而抑制物浓度相对较低时,3种糖化发酵方式都可以采用,但SSF所需发酵时间最短,生产能力最高.     

基于连续发酵驯化的高耐盐性酿酒酵母的育种

耐盐酿酒酵母菌株的育种对降低燃料乙醇生产成本具有重要意义.以具有优秀乙醇发酵能力的工业酿酒母菌株KF-7为出发菌株,通过连续发酵、产孢子及孢子培育、交配等获取稳定耐盐菌株.在盐胁迫条件下利用连续乙醇发酵驯化获得了耐盐突变菌株KF-7(4).在此基础上,通过孢子分离、培养、评价和交配,获得两株耐盐二倍体菌株KF-7(4)-3与KF-7-D1.这3株耐盐菌株在50次转接过程中保持着稳定的耐盐性.并且在9%KCl浓度下,3株耐盐菌株的乙醇发酵能力显著优于出发菌株KF-7:在15%YPD培养基中,发酵36 h时的乙醇浓度比出发菌株KF-7提高了21%.有盐和无盐条件下发酵过程中胞内海藻糖含量分析表明,突变菌株KF-7(4)和菌株KF-7(4)-3即使在无盐条件下的海藻糖积累能力明显高于出发菌株KF-7.本研究获得的变异酿酒酵母菌株具有较高的耐盐性和稳定性,耐盐性与胞内海藻糖积累能力提高相关.因此,基于连续发酵的进化工程手段可以有效地用于培育具有某种稳定性状的酿酒酵母菌株.     

木糖发酵酿酒酵母抑制物耐受能力提升及利用秸秆原料的乙醇发酵性能

木糖利用能力和抑制物耐受能力优良的工业酿酒酵母菌株以及合理的糖化发酵工艺是纤维素燃料乙醇生产的两个关键.对一株工业酿酒酵母菌的磷酸戊糖途径转醛醇酶基因TAL1进行差异过表达,评价其在8种典型抑制物存在时对菌株利用木糖的影响;利用TAL1过表达菌株研究油菜秸秆预处理物料中抑制物含量高低对分步糖化发酵(SHF)、预糖化-同步糖化发酵(P-SSF)和同步糖化发酵(SSF)3种不同糖化发酵方式发酵过程的影响,探讨高固含量发酵的可行性.结果显示,TAL1基因过表达提高了菌株的木糖代谢能力和对8种典型抑制物的耐受能力,适度过表达菌株表现最优,有抑制物存在时的木糖消耗速率提升了20%-70%.秸秆预处理物料中抑制物总含量约为4 g/L时,SHF无法正常发酵,SSF的乙醇收率接近70%,略高于P-SSF;当物料中抑制物总含量下降到约2 g/L时,3种方式都能顺利发酵,SSF表现最优,96 h时的乙醇收率为86.5%,但SSF(96 h)和P-SSF(112 h)所需糖化发酵总时间远低于SHF(144 h);总固含量约为25%的分批补料-同步糖化发酵(FB-SSF)的乙醇浓度和乙醇收率分别达到54.2 g/L和67.2%.上述结果表明,TAL1基因适度过表达提升了菌株的木糖发酵和抑制物耐受能力,菌株已具备比较优秀的发酵和耐受抑制物的能力;预处理物料中抑制物含量相对较高时采用SSF或P-SSF工艺,而抑制物浓度相对较低时,3种糖化发酵方式都可以采用,但SSF所需发酵时间最短,生产能力最高.     

混合糖发酵条件下甲酸抑制木糖发酵的机制

纤维素燃料乙醇生产面临的一个重要问题是纤维素原料预处理过程中产生多种副产物会显著抑制酿酒酵母的生长繁殖和发酵,其主要成分弱酸类中甲酸被认为具有最强的抑制效应.为了解工业酿酒酵母混合糖发酵时木糖利用被甲酸特异性显著抑制的机制,为发酵菌株的抑制物耐受育种提供依据,以乙酸存在条件下的发酵为对照,研究甲酸存在条件下菌株分别发酵混合糖和单独木糖时的发酵性能以及糖代谢相关基因的表达差异、葡萄糖浓度对菌株发酵木糖和木糖代谢基因表达的影响,同时研究甲酸存在条件下葡萄糖代谢产物乙酸和乙醇对菌株发酵木糖的影响以及混合糖和单独木糖发酵过程中甲酸浓度变化和甲酸脱氢酶基因FDH1转录情况.结果显示:葡萄糖只有在甲酸存在条件下才特异性地显著抑制木糖发酵,木糖消耗速率的下降与木糖还原酶(XR)和木糖醇脱氢酶(XDH)酶活下降有关;单独木糖发酵时,只有当乙酸、乙醇和甲酸共存时才表现出抑制效应,且随乙醇浓度增加抑制效应越明显,木糖发酵被抑制与XDH酶活下降有关,但乙酸、乙醇和甲酸三者对木糖发酵的协同抑制效应明显弱于60 g/L葡萄糖存在时的抑制;混合糖发酵时FDH1基因转录被抑制导致甲酸分解缓慢,对甲酸存在条件下木糖发酵被抑制有部分贡献.综上,葡萄糖抑制甲酸分解与葡萄糖代谢产物乙酸、乙醇和甲酸的协同抑制对混合糖发酵时甲酸对木糖发酵特异性显著抑制有贡献,但尚存在其他未知抑制机制,还需进一步深入研究.     

关键基因过表达提高酿酒酵母抑制剂耐受性及乙醇发酵性能

木质纤维素预处理过程中会产生多种抑制物,抑制酿酒酵母细胞生长及乙醇发酵性能,为挖掘耐性基因、构建新的菌株,进一步提高酿酒酵母对这些抑制物的胁迫耐受性,研究在硫酸锌添加条件下转录组学分析过程中筛选到的可能关键基因ADE17、SSZ1、SET5、PPR1、OGG1和YKL222C过表达对酿酒酵母环境胁迫耐受性的影响.结果显示,不同基因过表达对酿酒酵母在多种抑制物胁迫条件下生长性能的影响不同,其中ADE17过表达对菌株在乙酸、糠醛、苯酚、丙酸和氯化钠胁迫条件下的生长提升最显著,而OGG1和SSZ1过表达对菌株生长的影响相对较弱.进一步对菌株进行驯化,在混合抑制物条件下驯化得到的BADE17-2和BADE17-4菌株延滞期比对照菌株BADE17缩短23 h.上述研究表明,硫酸锌添加从多方面影响了酿酒酵母耐受性,且关键基因过表达对不同环境胁迫条件具有多样性的影响,并且通过基因过表达和驯化方式结合可进一步提高酿酒酵母环境胁迫耐受性,提高纤维素乙醇发酵效率.     

一株耐受糠醛的纤维素降解菌Bacillus siamensis BREC-11的分离与鉴定

糠醛是木质纤维素转化过程中产生的有毒的代谢抑制物,能阻碍菌株正常发酵,增加发酵成本.为提高发酵菌株耐受糠醛的能力,促进对木质纤维素的高效转化,以糠醛为耐受物添加到培养基中,竹虫幼虫肠道作为分离源,经刚果红染色法初步筛选,分离到一株可耐受糠醛的纤维素降解菌株BREC-11;通过形态学观察、生理生化分析、细胞化学分析、16S rDNA序列比对等多相分类学方法鉴定;进一步进行了不同浓度糠醛耐受试验研究,并测定菌株的滤纸酶活(FPA)、CMC酶活、纤维二糖酶活(β-G).确定菌株BREC-11属于芽孢杆菌属的一个种,将其定名为Bacillussiamensis BREC-11.菌株BREC-11在含3.5 g/L糠醛的培养基中可以生长;在3.5 g/L糠醛的耐受浓度下,在30℃、150 r/min培养2 d后,滤纸酶活达到0.1 U/m L,CMC酶活达到0.21 U/m L,纤维二糖酶活达到0.07 U/m L.本研究表明BREC-11是一株耐受糠醛的纤维素降解菌株,在生物炼制过程中具有一定的应用潜力.     

铁炭曝气微电解预处理纤维素发酵废水

采用正交实验法对铁炭曝气微电解预处理纤维素发酵废水进行了研究,最佳工艺条件为pH 4-5,铁屑用量150g·1-1,铁炭比1:2,反应时间1h,曝气量30ml·min-1.在此条件下,CODCr去除率达25%左右,色度去除率达87.5%,有效地去除了影响乙醇发酵的四种抑制剂(乙酸、糠醛、乙酰丙酸、5-羟甲基糠醛),提高了废水的可生化性.同时考察了活性炭粒径大小、Cu的加入对微电解反应的影响.结果表明,粒径20-100目的活性炭有利于铁炭反应,铜的加入形成了铜-铁-炭双电解反应,提高了微电解效率.     

利用木质纤维素类生物质发酵生产乙醇重组菌株研究进展

要实现木质纤维素类生物质的有效利用,当前还面临很多瓶颈问题亟待解决,而缺乏能够同时高效利用纤维素类水解物的发酵菌株是制约纤维素乙醇生产的最关键因素.目前对发酵菌种的研究主要集中在酿酒酵母、运动发酵单胞菌、大肠杆菌和克雷白氏杆菌这4种菌上,已取得大量研究进展,为纤维素乙醇的产业化奠定了一定的基础.本文综述了这4种菌发酵纤维素水解物的基因工程改造研究进展,并对组学时代进一步优化发酵菌株进行了展望.图2表2参51     

菊芋秸秆高浓度物料分步糖化及乙醇发酵

菊芋是生物能源和生物炼制的新型原料作物,具有和其他作物不同的秸秆组成.为了解菊芋秸秆的生物转化情况,本研究首先比较了NaOH-H_2O_2、瞬间弹射蒸汽爆破(ICSE)及NaOH-H_2O_2和ICSE联用等3种预处理方法,证明对于菊芋秸秆NaOH-H_2O_2预处理法简单高效.进一步研究显示,NaOH-H_2O_2预处理过程中水洗一次即可显著促进酶解和后续发酵.利用分批补料和补加纤维素酶的方式进行高物料浓度条件下预处理菊芋秸秆的分步水解和乙醇发酵,当物料浓度达到30%(m/V)时,水解72 h的葡萄糖和木糖浓度分别可达143.6 g/L和36.2 g/L.利用木糖-葡萄糖共发酵重组酿酒酵母菌株LX03在菊芋秸秆水解液中进行乙醇发酵,发酵72 h乙醇最高浓度达66.2 g/L(8.27%,V/V),且发酵总糖利用率达86.9%.本研究利用菊芋秸秆水解液发酵获得较高的乙醇产量,为进一步利用菊芋秸秆进行高效生物炼制及高浓度纤维素乙醇生产提供了参考.(图3表1参23)     

初期通气和震荡培养提高高浓度乙醇发酵的乙醇浓度和产率

研究了氧气和震荡条件对酿酒酵母高浓度乙醇发酵的影响.结果表明,震荡是提高发酵液乙醇浓度和产率的最重要因素.与静止培养相比,在不通气情况下震荡培养使乙醇浓度提高了69%(从75.8 g L-1提高到128.1 g L-1),在通气条件下乙醇浓度提高了68.7%(从85.2 g L-1提高到to 143.8 g L-1).在最优条件下,两次补料,经54 h发酵,发酵液中乙醇浓度达到143.8 g L-1,乙醇产率与理论产率的比值为0.471 g/g(即92.20%).经分析,通气和震荡条件提高了发酵液中酿酒酵母的生物量和细胞活力.图5表1参12     

浓香型白酒中优势乳酸菌和酵母菌间的相互关系

为了更深入地认识白酒发酵机理,探究多粮浓香型白酒中优势乳酸菌和优势酵母菌的相互作用关系及代谢模型,利用五粮粉为培养基,测定分离自酒醅中的2株优势乳酸菌和2株优势酵母菌纯培养及其共培养中菌株的理化指标、活菌数以及主要挥发性代谢产物的变化.结果显示,Saccharomyces cerevisiae J7产乙醇(56.7 g/L)和酯类物质多,Lactobacillus buchneri R62和Lactobacillus acetotolerans R73产乳酸较多,峰值分别达到11.79和11.64 g/L;共培养时,S.cerevisiae J7显著抑制两株乳酸菌的生长和乳酸合成;两株乳酸菌对Pichia membranifaciens J42的生长和乙醇合成有抑制作用;从挥发性代谢产物可知,P.membranifaciens S42与乳酸菌共培养时,乳酸乙酯含量显著增加.本研究表明浓香型白酒酒醅中的乳酸菌和酵母菌存在相互作用,并且共培养时生成了乳酸乙酯;结果可为白酒发酵提供理论基础.(图5表2参22)     

运动发酵单胞菌共表达α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶发酵甘薯生产乙醇

运动发酵单胞菌是乙醇发酵的极佳菌种,但其所能利用的发酵底物范围狭窄,不能利用淀粉作为发酵底物.为增加其利用底物的范围使其能够水解淀粉,本研究构建了3种表达淀粉酶的运动发酵单胞菌菌株:1)Zymomonas mobilis(pAmyE)表达α-淀粉酶;2)Z.mobilis(pGA)表达葡萄糖淀粉酶;3)Z.mobilis(pAmyGA)共同表达α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶.DNS法测定淀粉酶活显示,每种转化菌株的胞外淀粉酶活性均高于胞内,且两种淀粉酶共表达的酶活高于这两种淀粉酶单独表达的酶活之和,说明这两种淀粉酶能够协同作用降解淀粉.对于重组菌株Z.mobilis(pAmyGA),约59.3%的淀粉酶活性都在胞外检测到.用淀粉含量高且耐贮存的徐薯18匀浆加少量葡萄糖作为培养基直接用上述3个菌株发酵生产乙醇.结果显示,共表达α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶的重组菌株Z.mobilis(pAmyGA)的乙醇产量为54.7 g/L,达到了理论值的83.2%,表明本研究得到了能够直接高效利用淀粉生产乙醇的运动发酵单胞菌的菌株.     

利用纤维二糖的酵母工程菌构建

以扣囊复膜孢酵母染色体DNA为模板,通过PCR方法扩增到其β-葡萄糖苷酶基因bgl1,经EcoRⅠ、BamHⅠ双酶切并和经相同酶切的穿梭表达载体pYX212连接,构建了重组质粒pYX-sbgl,转化酿酒酵母W 303-1A,bgl1基因获得了活性表达,β-葡萄糖苷酶活力为0.504 IU/mL.转化子能以纤维二糖为唯一碳源生长,并能应用于同时糖化和发酵纤维素底物生产乙醇,使乙醇产量较宿主酵母有了一定的提高.图6表1参14     

稳定代谢葡萄糖和木糖产乙醇的重组酿酒酵母工程菌初步构建

分别克隆了休哈塔假丝酵母(Candida shehatae)的木糖还原酶基因XYL1和热带假丝酵母(Candida tropicalis)的木糖醇脱氢酶基因XYL2,构建出重组表达质粒pACT2-xy11和pDR195-xy12,并使其分别转化酿酒酵母受体细胞.酶活测定结果显示,转化子中木糖还原酶和木糖醇脱氢酶均在宿主菌中得到活性表达.并将这两个基因连同各自重组表达质粒上的表达元件进行了克隆,进而构建出重组酵母染色体整合质粒YIp5.kanR-x12,以期今后通过同源重组的原理将上述基因整合到发酵性能良好的酿酒酵母基因组中,得到稳定代谢葡萄糖和木糖产乙醇的重组酵母菌株.图3表1参15     

产甘油假丝酵母抗逆转录因子的过表达对酿酒酵母耐酸胁迫性的影响

以具有优良环境耐受性的产甘油假丝酵母(Candida glycerinogenes)为研究对象,考察其抗逆转录因子对酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)酸胁迫耐受性的影响.分别克隆获得C.glycerinogenes和S.cerevisiae的转录因子基因haa1和asg1,在S.cerevisiae W303-1A中分别过表达这4个基因,继而进行摇瓶试验考察重组菌株的酸耐受性.结果显示,过表达不同转录因子均能提高细胞酸耐受性,其中90 mmol/L乙酸时重组菌S.cerevisiae/Cghaa1和S.cerevisiae/Cgasg1的生物量与S.cerevisiae/Schaa1和S.cerevisiae/Scasg1相比分别提高了44.3%和18.9%.q RT-PCR发现,与Schaa1和Scasg1相比,过表达Cghaa1和Cgasg1能够显著上调下游酸耐受相关基因的表达水平.酸胁迫下乙醇发酵结果显示,相比对照组,重组菌S.cerevisiae/Cgasg1的乙醇产量提高11.1%.上述结果表明转录因子HAA1和ASG1均能提高酿酒酵母酸耐受性和酸胁迫下乙醇产量,其中Cghaa1和Cgasg1效果更为明显,结果可为提高酿酒酵母酸耐受性提供新的基因资源和思路,为进一步挖掘C.glycerinogenes抗逆基因提供借鉴.     

化感链霉菌6803菌株液体发酵工艺优化的研究

土壤微生物链霉菌6803菌株被证明对高等植物具有化感作用。采用单因子实验方法,研究液体发酵碳源、氮源、无机盐、发酵温度、发酵液初始pH值、摇床转速、发酵时间等对链霉菌6803菌株菌丝体产量及发酵液化感作用的影响,用均匀试验设计法优化了发酵工艺条件。结果表明：链霉菌6803菌株生长和产生化感作用的最佳发酵条件为：p（淀粉）=26．67g·L-1,p（蔗糖）=25．15g·L-1,p（NH4C1）=0．30g．L-1,黄豆饼粉浸液8．88％,所（NI-h）H2P04]=O．18g·L-1,p（FeS04．7H20）=O．002g·L-1,p（NaCl）=0．75g·L-1,pH值7．6,装量系数O．16,接种量3％,温度36℃,转速200r·min-1,发酵144h。本研究为利用微生物次生代谢产物作为天然除草剂奠定了基础。     

Streptomyces sp. WJS-825产谷氨酰胺转胺酶发酵条件优化及中试

应用五因子二次正交旋转回归试验设计,建立了微生物谷氨酰胺转胺酶 (TG)发酵生产过程中以酶活力和菌体细胞生长量作为目标函数的数学模型,并以此模型对链霉菌 (Streptomycessp. )WJS-825菌株发酵生产TG的培养条件进行优化,确定了影响TG生产的主要因子及其最适取值为多价胨 2. 1%、可溶性淀粉 1. 5%、初始pH 7. 0及培养温度 30℃.以该优化工艺条件进行了 5L发酵罐小试和 200L发酵规模的中试生产.结果表明,在中试发酵生产中使用以豆饼粉部分替代多价胨的经济性发酵优化培养基,以及发酵过程中在线监控pH、溶氧系数等多项发酵调控参数,并分段控制pH、温度、通气量和搅拌转速以及进行适时的流加补充碳源,该菌株生长繁殖能力强、产酶效果好,TG活性达 3. 2u/mL,而且连续重复的中试发酵生产试验的TG产量均稳定在 3. 2u/mL以上. 图 2表 3参 15     

产纤维素酶菌株的选育分析及发酵工艺优化

对实验室6株产纤维素酶菌株进行酶活特性研究.首先通过观察纤维素平板的酶溶解透明圈大小进行初步分析,比较6株菌种子发酵液中纤维素酶含量.再根据不同种纤维素酶作用的底物化学键的不同,分别测定菌株的滤纸酶活(FPA)、纤维素内切葡聚糖酶(CMCase)活、纤维素外切葡聚糖酶(CBH)活和β-葡萄糖苷酶酶活,发现菌株中黑曲霉的各产酶指标均高于其它菌株.根据Box-Behnken原理对黑曲霉发酵工艺进行优化设计,得到最适碳源稻草粉含量9.47 g.L-1、麸皮含量49.33 g.L-1,氮源中(NH4)2SO4含量为2.0 g.L-1,发酵后黑曲霉产生的滤纸酶活力达到76.72 U.mL-1,比优化前酶活力提高88.69%.