马克斯克鲁维酵母的木糖和阿拉伯糖发酵

马克斯克鲁维酵母作为非常规酵母在燃料乙醇发酵中受到人们越来越多的关注。马克斯克鲁维具有天然的发酵戊糖的能力,但不同菌株的发酵能力存在较大差异。本研究比较了3株马克斯克鲁维菌株Kluyveromyces marxianus 9009/1911/1727(K.m 9009/1911/1727)在不同温度下的木糖和阿拉伯糖的发酵性能差异,结果发现不同发酵温度下,3株菌在耗糖速率、糖醇产率均表现出了显著的差异。菌株K.m 9009和K.m 1727在40℃下的发酵性能均优于30℃,这充分体现了马克斯克鲁维酵母的高温发酵优势。针对发酵差异,采用PCR方法获得3个不同菌株的戊糖代谢途径中的5种关键代谢酶(XR、XDH、XK、AR和LAD)的基因序列,并利用Clustalx 2.1进行了序列比对。结果显示3株菌的相关基因与文献中报道的1株克鲁维酵母的相应关键酶氨基酸编码序列相似性达98%以上,并且差异的氨基酸不在酶的关键位点处。在此基础上,通过Real-time实验,对木糖发酵差异最为明显的K.m 1727和K.m 1911的木糖代谢过程4个关键酶(XR、XDH、XK和ADH)的基因表达量进行测定,其结果显示对于耐热菌株K.m 1727,XDH和XK基因表达量低是导致木糖代谢过程中木糖醇积累、乙醇产量低的主要原因。最后,将所测得的马克斯克鲁维酵母的戊糖代谢关键酶序列与其他不同种属相比对,确定了其木糖和阿拉伯糖代谢途径,为进一步利用代谢工程方法提高戊糖发酵性能奠定了基础。     

絮凝颗粒粒度分布对自絮凝酵母SPSC01乙醇耐受能力的影响

利用激光聚焦反射式颗粒测量系统, 通过调节不同的搅拌速率, 得到了分批补料培养条件下粒度分布不同的四个絮凝酵母SPSC01颗粒群体, 进而对絮凝颗粒群体分布对乙醇耐受性进行了系统研究。经过6 h、20%乙醇的冲击, 颗粒粒度为100、200、300和400 mm的自絮凝酵母SPSC01的存活率分别为3.5%、26.7%、48.8%和37.6%。这表明不同粒度分布的絮凝颗粒群体乙醇耐受性具有明显差别, 在一定粒度范围内乙醇耐受性达到最高, 乙醇耐受性最高的酵母群体的乙醇得率系数85.5%, 比乙醇耐性最低的颗粒群体提高了7.2%。粒度为100、200和300 mm的自絮凝酵母颗粒群体总麦角固醇、游离麦角固醇及海藻糖含量与粒度大小成正相关, 但在粒度为400 mm的絮凝颗粒群体中总麦角固醇、游离麦角固醇及海藻糖含量呈下降趋势, 与其乙醇耐性低于300 mm絮凝颗粒的结果相一致。对细胞膜透性的研究表明, 颗粒粒度为300 mm的絮凝酵母颗粒细胞膜通透性(P′)最低, 分别仅为颗粒粒度为100 mm和200 mm颗粒群体的43%和52%, 表明粒度分布不同的絮凝颗粒群体乙醇耐性的差别与细胞膜透性密切相关。     

一步法发酵菊芋生产乙醇

利用马克斯克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus)YX01具有菊粉酶生产能力且乙醇发酵性能良好的特点,直接发酵菊粉生成乙醇.在摇瓶中考察了该菌株最适发酵温度,进而在2.5L发酵罐中考察了通气量和底物浓度的影响.实验结果表明:该菌株最适发酵温度为35℃;在通气量为50 mL/min和100 mL/min时菌体生长加快,发酵时间缩短,但在不通气条件下糖醇转化率明显提高;在菊粉浓度235 g/L时,发酵终点乙醇浓度达到92.2 g/L,乙醇对糖的得率为0.436,为理论值的85.5%.在此基础上,使用近海滩涂种植海水灌溉收获的菊芋为底物,以批式补料方式直接发酵菊芋干粉浓度为280 g/L的底物,发酵终点乙醇浓度为84.0 g/L,乙醇对糖的得率为0.405,为理论值的80.0%.这些研究工作,为以菊芋为原料的燃料乙醇技术开发奠定了基础.     

自絮凝酵母高浓度重复批次乙醇发酵

利用发酵性能优良的自絮凝酵母Saccharomyces cerevisiaeflo,研究开发了重复批次高浓度乙醇发酵系统,以节省下游加工过程的能耗。在终点乙醇浓度达到120g/L左右的条件下,发酵系统的乙醇生产强度达到8.2g/(L·h)。然而实验中发现,随着发酵批次的增多,自絮凝酵母沉降性能逐渐下降,从发酵液中沉降分离所需时间相应延长,导致发酵液中高浓度乙醇对酵母的毒害作用加剧,影响其发酵活性和发酵系统运行的稳定性,发酵装置运行11个批次后无法继续运行。实验结果表明,絮凝能力下降导致的酵母絮凝颗粒尺度减小是其沉降性能下降的主要原因。进一步研究发现,酵母的絮凝能力通过再培养可以恢复。在此基础上对发酵系统操作进行改进,每批发酵结束后可控采出一定比例菌体,调节系统的酵母细胞密度和乙醇生产强度以刺激酵母增殖,保持其絮凝能力。在达到相同发酵终点乙醇浓度条件下,虽然发酵系统的乙醇生产强度降低到4.0g/(L·h),但运行10d后絮凝颗粒酵母尺度趋于稳定,继续运行14d,未发现絮凝颗粒酵母尺度继续下降的现象,系统可以稳定运行。     

高效发酵木糖生产乙醇酵母菌株的构建

获得高效发酵木糖生产乙醇的酵母菌株是木质纤维素生物转化生产燃料乙醇的重要前提。在4%乙醇驯化的基础上,选择了乙醇耐性提高的休哈塔假丝酵母（Candida shehatae）CICC1766菌株进一步进行紫外诱变,得到了木糖发酵性能较强的呼吸缺陷型突变体,并与乙醇发酵性能良好的酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）ATCC4126进行原生质体融合。采用单亲灭活法对休哈塔假丝酵母原生质体进行紫外灭活,在聚乙二醇（PEG）诱导下融合,对得到的融合子进行木糖发酵能力测定,选择到了一株能够更好地利用木糖产乙醇,并且木糖发酵性能比亲本得到明显提高的融合子F6,此融合子发酵50 g/L木糖,最高乙醇浓度达到18.75g/L,乙醇得率为0.375,达到理论转化值0.511的73.4%。与原始出发菌株CICC1766相比,乙醇产量提高了28%。     

不同宿主来源的重组酿酒酵母混合糖代谢比较

【目的】研究不同工业酿酒酵母宿主背景对重组酵母木糖利用效率的影响。【方法】将木糖利用途径的木糖还原酶(XR)、木糖醇脱氢酶(XDH)和木酮糖激酶(XK)编码基因串联后分别转入3株不同的工业酿酒酵母中,得到重组酵母ZQ1、ZQ5和ZQ7。分别对3个木糖途径代谢基因的表达水平、酶活和重组菌株的木糖发酵效率进行比较。【结果】重组菌株在木糖代谢基因转录、酶活性和木糖利用性能方面有很大差异,其中ZQ5木糖代谢能力最强,ZQ7其次,ZQ1木糖利用能力最弱。ZQ7在初始木糖浓度为20 g/L时木糖利用速率快于ZQ5,表明木糖浓度对重组菌发酵性能评价具有影响。【结论】不同菌株的遗传背景和木糖浓度对重组菌木糖利用的影响很大,评价重组酵母的木糖利用需考虑宿主的遗传背景和底物浓度的影响。     

酿酒酵母乙酸耐性分子机制的功能基因组进展

提高工业酿酒酵母对高浓度代谢产物及原料中的毒性底物等环境胁迫因素的耐受性,对提高工业生产效率具有重要的意义。乙酸是纤维素原料水解产生的主要毒性副产物之一,其对酵母细胞的生长和代谢都具有较强的抑制作用,因此,对酿酒酵母乙酸耐性分子机制的研究可为选育优良菌种提供理论依据。近年来,通过细胞全局基因表达分析和代谢组分析,以及对单基因敲除的所有突变体的表型组研究,对酿酒酵母乙酸耐性的分子机制有了更多新的认识,揭示了很多新的与乙酸毒性适应性反应和乙酸耐性提高相关的基因。综述了近年来酿酒酵母乙酸耐性的基因组规模的研究进展,以及在此基础上构建乙酸耐性提高的工业酵母菌的代谢工程操作。结合本课题组的研究,对金属离子锌在酿酒酵母乙酸耐性中的作用进行了深入分析。未来对酿酒酵母乙酸耐性分子机理的认识及改造将深入到翻译后修饰和合成生物学等新的水平,所获得的认知,将为选育可高效进行纤维素原料生物转化、高效生产生物燃料和生物基化学品的工业酿酒酵母的菌株奠定理论基础。     

无载体固定化细胞的研究进展

以无载体因三化酵母细胞酒精连续发酵的成功工业化应用为实例,并与通常的载休固定化细胞技术比较,无载体固定化细胞技术的优缺点,系统提出了无载体固定化细胞技术的概念,进而对载体固定化细胞技术在其它微生物发酵和动植物细胞培养过程的应用前景进行了展望。     

细胞膜磷脂棕榈酸含量对自絮凝颗粒酵母耐酒精能力的影响及作用机制

研究揭示细胞膜磷脂脂肪酸组成与酵母菌耐酒精能力的一种新颖关系及其机制。分别培养于添加 0 6mmol L棕榈酸、亚油酸或亚麻酸不同条件下的自絮凝颗粒酵母 ,其细胞膜富含各自所添加的脂肪酸。细胞膜富含棕榈酸、亚油酸或亚麻酸的三种菌体于 30℃经 2 0 %(v v)酒精冲击 6h的存活率分别为 5 2 %、1 8%和 0。通过考察三种菌体于 30℃在 1 5 %(v v)酒精冲击下的细胞膜透性发现 ,细胞膜富含棕榈酸的菌体的胞外核苷酸平衡浓度分别仅为细胞膜富含亚油酸或亚麻酸菌体的 48%和 32 %,其细胞膜透性系数 (P′)分别仅为后者的 37%和 2 0 %,且三者的胞外核苷酸浓度和P′由小到大的排列顺序均与它们的存活率由高到低的排列顺序完全一致。因此 ,细胞膜富含棕榈酸的菌体具有较强的耐酒精能力是与其在高浓度酒精冲击下可维持较低的细胞膜透性密切相关的 的。     

丝状真菌纤维素酶合成诱导及转录调控

利用廉价可再生木质纤维素资源水解产生的可发酵糖生产生物能源和生物基化学品是近年来国内外研究的热点。纤维素酶酶解是木质纤维素原料生物降解的重要手段,但目前纤维素酶生产成本过高,限制了纤维素生物转化和生物炼制的工业化应用。对丝状真菌纤维素酶基因表达和调控进行研究,有利于进一步选育纤维素酶高产菌株,降低纤维素酶生产成本。随着高通量测序及丝状真菌遗传操作等技术的进步,对丝状真菌纤维素酶诱导和基因表达调控机理有了更深入的认识。本文综述了近年来丝状真菌纤维素酶诱导和纤维素酶基因表达调控的最新进展,重点论述糖转运蛋白、转录因子和染色质重塑对纤维素酶表达调控的影响,并对利用人工锌指蛋白进行丝状真菌纤维素酶诱导调控研究进行了展望。