木质素耐受酵母的发酵工艺优化综述

一、研究背景

随着人类社会的飞速发展，对化石能源的需求急剧上升，清洁能源的开发迫在眉睫。科学家预测，到2050年全球原油产量将由2009年的258亿桶下降到50亿桶^[1]。中国的能源问题尤其严峻，在未来30年，世界石油需求增长的16%将来自中国^[2]，开发清洁高效的替代性能源已迫在眉睫。作为农业大国，我国木质纤维素资源极为丰富。以秸秆为例，其年产量为7.26亿吨，占全世界秸秆总量的30%，但对其有效利用率只有33%^[3]。燃料乙醇被公认为是最有发展前景的可再生清洁能源之一^[4]。木质纤维素乙醇作为生物质能源的典型代表，具有可再生、低污染、原料丰富且价格低廉等诸多优点，受到世界的广泛关注。但木质纤维素乙醇的生产工艺复杂，成本较高，效率不理想，所以其工业化大规模生产一直没有得到有效的推广。

发酵是纤维素产乙醇过程中的关键环节，直接关系到乙醇的最终产量及生产效率。厌氧乙醇发酵综合效率的提高为纤维素乙醇的工业化大规模生产提供了基础保证。而作为乙醇厌氧发酵过程中的主体，提升酵母菌性能对于提高乙醇的发酵效率无疑具有直接的作用。目前，国内外学者在对酵母菌的优化与改造研究方面，主要集中于构建能同时代谢五碳糖和六碳糖的高效产乙醇菌株，提高酵母菌耐受性及发酵效率等方面^[5]。

二、研究现状及分析

2.1耐受性酵母的研究现状

酿酒酵母作为传统乙醇生产菌株,具有许多优良特性:如厌氧条件下具有良好的生长能力,较高的乙醇得率,对一些生长抑制因子如乙醇、乙酸等具有较高的耐受性等^[6]。酿酒酵母在乙醇发酵过程中不可避免地受到胁迫条件(如乙醇毒性、高温胁迫等)的影响,其对这些胁迫条件的耐受性影响到发酵工艺、发酵设备和发酵效率,进而影响到经济效益。酿酒酵母对水解液中抑制物的耐受性依不同菌株而异^[7]。提高菌株对胁迫条件的耐受性是酿酒酵母工业菌株改良的重要目标之一^[8]。传统的菌种改良方法主要包括从自然界中直接筛选分离高产耐高浓度乙醇酵母菌种，或者通过诱变育种、原生质体融合、杂交技术获得性状优良的酵母菌种。

采取自然分离筛选与诱变育种相结合的方法，是选育高耐受性酒精酵母经济适用的方法之一。在这方面我国的研究人员取得了较多成果，彭源德等经富集培养，初筛、复筛，从22个菌样中共分离获得4株（编号分别为：S11、S12、S15、S17）耐高温的酒精酵母菌株；对S15、S17进行诱变育种，接种于种子培养液培养12h后，通过高温（45℃）处理20min、调整菌悬液浓度为106个/ml，取5ml于无菌平皿中，进行紫外线处理（照射功率15w、照射距离20cm、照射时间10min、杀伤率在99.99%以上），然后对菌液进行分离、富培、纯化和菌株表型特征观察，菌体进行镜检。获得1株编号为S132的耐受性优良酒精酵母。与对照丹宝利耐高温酵母相比，S132耐受40℃高温和乙醇的能力分别高出20.9%和15%，是一株良好的高耐受性酒精酵母^[9]。

但是传统的诱变技术具有育种周期长、突变的方向不定、有益突变几率很小等缺点。1994年以后人们开始利用结合传统诱变与细胞融合技术的一种新型育种技术#8212;#8212;基因组改组技术(Genomeshuffling)对微生物细胞进行基因组重组，从而大幅度提高微生物细胞的正向突变频率及正向突变速度，使得人们能够在较短的时间内获得高效的正向突变菌株。陆筑凤等通过基因组改组技术获得了耐受16%vol乙醇的酿酒酵母，耐乙醇能力比野生型提高了33%^[10]。Tao等通过对S.cerevisiaeZ5DΔGPD2进行三轮基因组改组来提高其发酵性能，获得表型良好的菌株S.cerevisiaeSZ3-1，该菌株和亲本菌株相比乙醇产量提高到8%。进一步分析显示，S.cerevisiaeSZ3-1菌株乙醇产量增加的主要原因是菌株自身乙醇耐受性的增强^[11]。但是由于酿酒酵母乙醇耐受分子机制的复杂性，传统的提高酵母乙醇耐受性的方法都具有一定的盲目性。

随着分子生物学研究手段的不断进步，近年来从基因水平、表达和转录水平揭示乙醇耐受性的分子机制研究越来越多，同时在实验室阶段提高酿酒酵母乙醇耐受性的基因工程手段、全转录工程手段受到越来越多的关注^[12]。