可同化阿拉伯糖的木糖还原酿酒酵母菌株构建

[目的] 以秸秆等木质纤维素类生物质为原料生产液体生物燃料乙醇,目前生产成本高,大规模工业化生产尚有较大难度。构建能同化阿拉伯糖进行木糖还原生产木糖醇的重组酿酒酵母菌株,以实现原料中全糖利用、生产高附加值产品,实现产品多元化。[方法] 首先,利用CRISPR/Cas9基因编辑技术依次向出发菌株中导入阿拉伯糖代谢途径和木糖还原酶基因,使菌株获得代谢阿拉伯糖和将木糖转化为木糖醇的能力;其次,通过适应性驯化的进化工程手段,提高重组菌株对阿拉伯糖的利用效率;最后,通过混合糖发酵验证重组菌株利用阿拉伯糖和还原木糖产木糖醇的能力。[结果] 通过导入植物乳杆菌的阿拉伯糖代谢途径,酿酒酵母菌株获得了较好的利用阿拉伯糖生长繁殖的能力;进一步导入假丝酵母的木糖还原酶基因后,重组菌株在葡萄糖作为辅助碳源条件下可高效还原木糖产木糖醇,但阿拉伯糖的利用能力下降。利用以阿拉伯糖为唯一碳源的培养基进行反复批次驯化,阿拉伯糖的利用能力得以恢复和提升,得到表型较好的重组菌株KAX3-2。该菌株在木糖（50 g/L）和阿拉伯糖（20 g/L）混合糖发酵条件下发酵72 h时,对阿拉伯糖和木糖利用率分别达到42.1%和65.9%,木糖醇的收率为64%。[结论] 本研究成功构建了一株能有效利用阿拉伯糖并能将木糖转化为木糖醇的重组酿酒酵母菌株KAX3-2,为后续构建、获得阿拉伯糖代谢能力更强、木糖醇积累效率更高菌株的工作奠定了基础。     

酿酒酵母Mbp1缺陷型菌株的构建及其乙醇发酵特性

【目的】研究酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)工业菌株Mbp1基因的功能,探讨Mbp1基因对酿酒酵母乙醇发酵性能的影响。【方法】以酿酒酵母MF1015为出发菌株,用PCR方法构建Mbp1基因敲除组件Loxp-KanMX-Loxp,将敲除组件转化两种配型的酿酒酵母单倍体,通过单倍体复倍获得敲除Mbp1基因的二倍体突变菌株,研究突变菌株形态变化及乙醇发酵特性。【结果】敲除Mbp1基因后突变菌株生长曲线无显著变化,出芽率降低,细胞体积增大19.2%,对饥饿更敏感,较早出现假菌丝。甘蔗糖蜜在静置条件下发酵,突变菌株的乙醇产量明显低于野生型;在130 r/min的条件下发酵,突变菌株和野生型发酵液中的乙醇产量基本相同。【结论】Mbp1基因缺失使酿酒酵母的乙醇发酵能力下降并影响细胞的形态分化。     

扣囊复膜孢酵母BGL1基因在工业酒精酵母中的整合表达

构建了含有工业酿酒酵母自身GPD2启动子和终止子、扣囊复膜孢酵母b-葡萄糖苷酶基因(BGL1)和潮霉素选择性标记hyg的重组质粒pPIC-gpd-bgl-hyg, 通过酵母染色体同源重组, 将BGL1基因整合进入工业酒精酵母的染色体上。重组酵母可以在以纤维二糖为唯一碳源的培养基上生长, 48 h时b-葡萄糖苷酶酶活达到0.764 U/mL。在玉米浓醪酒精发酵实验中, 与宿主菌株相比, 重组酵母醪液中纤维二糖含量减少约80％, 达到了消耗醪液中纤维二糖含量的目的。     

扣囊复膜孢酵母BGLl基因在工业酒精酵母中的整合表达

构建了含有工业酿酒酵母自身GPD2启动子和终止子、扣囊复膜孢酵母β-葡萄糖苷酶基因（BGL1）和潮霉素选择性标记hyg的重组质粒pPIC-gpd-bgl-hyg,通过酵母染色体同源重组,将BGLl基因整合进入工业酒精酵母的染色体上。重组酵母可以在以纤维二糖为唯一碳源的培养基上生长,48h时β-葡萄糖苷酶酶活达到0.764U／mL。在玉米浓醪酒精发酵实验中,与宿主菌株相比,重组酵母醪液中纤维二糖含量减少约80％,达到了消耗醪液中纤维二糖含量的目的。     

扣囊复膜孢酵母BGL1基因在工业酒精酵母中的整合表达

构建了含有工业酿酒酵母自身GPD2启动子和终止子、扣囊复膜孢酵母b-葡萄糖苷酶基因(BGL1)和潮霉素选择性标记hyg的重组质粒pPIC-gpd-bgl-hyg, 通过酵母染色体同源重组, 将BGL1基因整合进入工业酒精酵母的染色体上。重组酵母可以在以纤维二糖为唯一碳源的培养基上生长, 48 h时b-葡萄糖苷酶酶活达到0.764 U/mL。在玉米浓醪酒精发酵实验中, 与宿主菌株相比, 重组酵母醪液中纤维二糖含量减少约80％, 达到了消耗醪液中纤维二糖含量的目的。     

酿酒酵母类丙酮酸脱羧酶基因缺失对高级醇生成量的影响

【目的】通过构建酿酒酵母类丙酮酸脱羧酶基因(YDL080C)缺失的工程菌株,研究该基因对酿酒酵母浓醪发酵产高级醇特别是异戊醇的影响。【方法】以酿酒酵母工业菌株AY-15的单倍体a-8或α-22的基因组DNA为模板,PCR分别扩增YDL080C上下游非编码区片段YA和YB;以pUG6质粒为模板,PCR扩增KanMX抗性基因片段。分别将YA、YB和KanMX片段连入pUC19载体,构建重组质粒pUC-YABK;并以其为模板,PCR扩增YA-KanMX-YB重组盒,分别电转化单倍体a-8和α-22。将转化子和亲本分别进行酒精浓醪发酵,发酵结束后测定其发酵性能和高级醇的生成量。【结果】筛选获得了YDL080C基因缺失突变株。酒精发酵后发酵性能和高级醇测定结果显示,转化子的异戊醇及总高级醇生成量与对应的单倍体亲本相比没有明显变化,但酒精度分别比亲本提高了0.6(%,v/v)和0.4(%,v/v)。【结论】YDL080C基因缺失对降低酿酒酵母发酵产高级醇特别是异戊醇没有明显作用,但会使酒精度有所提高。     

利用中温蒸煮工艺进行高浓度酒精发酵

用中温蒸煮工艺生产高浓度酒精,首先利用耐高温α－淀粉酶在9s～97℃下同时糊化和液化淀粉．接着在60℃下加高转化率的糖化酶进行糖化,最后在30℃下加酵母菌悬液进行发酵。酵母菌w4在60h内可以产生18．3％的乙醇,在成熟发酵醪中的残还原糖和总糖分别为1.2％和4．1％,细胞存活率为68．5％。如果在发酵培养基中添加一定量的硫酸铵,可进一步改进这一工艺,使成熟发酵醪的乙醇浓度提高到18.9%,发酵周期缩短到50h,残还原糖和总糖分别减少到0.27％和3.1％。     

Logistic模型在不同还原糖初始浓度乙醇发酵中的应用

酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)利用可发酵性糖生成乙醇的过程与效率受多种环境因素的影响。研究乙醇形成的动力学有利于理性认识乙醇形成机理,为放大与优化工艺条件提供理论指导。对Logistic模型方程重新参数化,将酵母生长动力学方程类比乙醇生成动力学,拟合性很好,对不同初始浓度还原糖的乙醇同步糖化发酵过程进行Logistic模型方程模拟,给出了乙醇浓度的显式函数模型,用310g/L玉米粉物料浓度的同步糖化发酵工艺,首次揭示在酿酒酵母工业菌株能够承受的一定的糖化醪还原糖浓度范围内,尽可能提高还原糖浓度至上限,可以缩短发酵周期,提高可发酵性糖转化为乙醇的转化率。这对于优化乙醇工业生产工艺条件、提高生产效率具有较重要的实践指导意义与应用价值。     

木酮糖激酶基因整合表达载体构建及在酿酒酵母中的过表达

【目的】以载体p406ADH1为构建骨架,构建一个酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)工业菌株的整合表达载体。【方法】通过酶切连接的方式,将4个元件片段:作为筛选标记的G418抗性基因KanR,用于基因表达的ADH1终止子片段,酿酒酵母W5自身木酮糖激酶基因,18S rDNA介导的同源整合区,插入到骨架质粒p406ADH1中,得到多拷贝整合表达载体pCXS-RKTr。将该载体线性转化酿酒酵母后,对转化子中木酮糖激酶酶活进行测定,检测其表达情况。【结果】重组质粒在酿酒酵母体内实现了木酮糖激酶的高水平稳定表达,其酶活力是初始菌株的2.87倍。【结论】本实验构建了一个酿酒酵母工业菌株整合表达载体,并用此载体过表达了其自身的木酮糖激酶基因。该重组质粒载体的构建可以有效解决酿酒酵母中自身木酮糖激酶酶活较低的情况,这为利用木糖高产乙醇酿酒酵母基因工程菌株的构建和其它酵母重组质粒载体的构建奠定基础。     

一种基因工程改造的NADH高亲和力木糖还原酶突变基因可促进酿酒酵母发酵木糖生成乙醇

在导入表达毕赤酵母(Pichia stipitis)木糖还原酶(xylose reductase,XR)和木糖醇脱氢酶(xylitol dehydrogenase,XDH)基因的重组酿酒酵母中,木糖还原酶活性主要依赖辅酶NADPH,木糖醇脱氢酶活性依赖辅酶 NAD+,两者的辅助因子不同导致细胞内电子氧化还原的不平衡,是造成木糖醇积累,影响木糖代谢和乙醇产量的主要原因之一.将经过基因工程改造获得的NADH高亲和力的木糖还原酶突变基因m1,与毕赤酵母木糖醇脱氢酶(PsXDH)基因xyl2共转染酿酒酵母AH109,以转染毕赤酵母木糖还原酶(PsXR)基因xyl1和xyl2重组质粒的酵母细胞为对照菌株,在SC/-Leu/-Trp营养缺陷型培养基中进行筛选,获得的阳性转化子分别命名为AH-M-XDH和AH-XR-XDH.重组酵母在限制氧通气条件下对木糖和葡萄糖进行共发酵摇瓶培养,HPLC检测发酵底物的消耗和代谢产物的产出情况.结果显示,与对照菌株AH-XR-XDH相比,AH-M-XDH的木糖利用率明显提高,乙醇得率增加了16%,木糖醇产生下降了41.4%.结果证实,通过基因工程改造的木糖代谢关键酶,可用于酿酒酵母发酵木糖生产乙醇,其能通过改善酿酒酵母细胞内氧化还原失衡的问题,提高木糖利用率和乙醇产率.     

扣囊复膜孢酵母b-葡萄糖苷酶基因在工业酿酒酵母中的表达

本文以工业酿酒酵母菌株( Saccharomyces cerevisiae Y )为研究对象,针对其复杂的生理生化遗传特性,建立了相对应的转化体系。以pRS41H质粒为基础载体,构建了含有工业酿酒酵母自身的gpd2启动子、终止子和扣囊复膜孢酵母的b-葡萄糖苷酶基因bgl的重组质粒pRS-gb。电击转化进入工业酿酒酵母细胞,潮霉素抗性筛选,获得重组菌。该重组菌可以在以纤维二糖为唯一碳源的培养基中生长,培养36 h,b-葡萄糖苷酶酶活达到0.967 u/ml。以纤维二糖为唯一碳源的酒精发酵中,酒精度可以达到0.92 g/l。这对工业生产中利用纤维素为原料发酵生产酒精具有重要意义。     

一株拜氏梭菌利用甘蔗废糖蜜发酵生产丙酮丁醇

以甘蔗废糖蜜作为原料,利用Clostridium beijerinckii DSM 6422菌株进行丙酮丁醇发酵的初步研究.结果表明:采用H2SO4预处理糖蜜,初糖质量浓度60 g/L,(NH4)2SO4 2g/L,CaCO3 10 g/L,温度30℃,pH 5.5～7.0,接种量6％(体积分数),在5L发酵罐中发酵培养96 h,总溶剂产量为16.17 g/L,其中丁醇质量浓度为10.07 g/L,总溶剂产率为30.2％,糖利用率为89.3％.     

gTME构建共发酵木糖和葡萄糖的重组酿酒酵母

利用全转录工程（gTME）方法将全局转录因子spt15随机突变并克隆表达, 构建突变库。将突变基因连接到表达载体 pYX212上, 醋酸锂法转化入不利用木糖的酿酒酵母YPH499中, 经特定的培养基初筛获得高效利用木糖并共发酵木糖和葡萄糖的酿酒酵母重组菌株。对获得的重组菌株进行了初步研究, 该菌株能够很好的利用木糖并共发酵木糖和葡萄糖。在30oC, 200 r/min, 发酵96 h时, 50 g/L木糖和葡萄糖的利用率为94.0%和98.9%, 乙醇产率为32.4%和31.6%, 原始菌株乙醇产率为44.3%; 当木糖和葡萄糖以质量比1:1混合发酵时, 木糖和葡萄糖利用率分别为91.7%和85.9%, 乙醇产率为26%。木糖醇的含量极低。     

利用人工锌指文库选育高乙醇耐受性工业酵母菌株

选育高乙醇耐性的酿酒酵母菌株对提高燃料乙醇的发酵效率具有重要意义.锌指蛋白广泛存在于多种生物中,对基因的转录和翻译起重要的调节作用.利用人工设计的锌指蛋白可定向设计锌指序列及其排列顺序,实现对细胞内多个基因的全局调控.由于与环境胁迫反应相关的基因很多,因此可利用人工锌指蛋白技术获得耐受性提高的微生物重组菌.文中将人工锌指文库转入到酿酒酵母模式菌株S288c,选育了具有高乙醇耐受性的重组菌株M01,并分离了与乙醇耐受性提高相关的人工锌指蛋白表达载体pRS316ZFP-M01,转入工业酿酒酵母Sc4126,在含有不同浓度乙醇的平板上,工业酵母Sc4126的重组菌株表现出显著的耐受性提高.在高糖培养基(250 g/L)条件下进行乙醇发酵,发现重组菌的乙醇发酵效率明显快于野生型,发酵时间提前24 h,且发酵终点乙醇浓度提高6.3％.结果表明人工锌指文库能够提高酵母的乙醇耐受性,为构建发酵性能优良的酵母菌种奠定了基础.     

gTME构建共发酵木糖和葡萄糖的重组酿酒酵母

利用全转录工程（gTME）方法将全局转录因子spt15随机突变并克隆表达, 构建突变库。将突变基因连接到表达载体 pYX212上, 醋酸锂法转化入不利用木糖的酿酒酵母YPH499中, 经特定的培养基初筛获得高效利用木糖并共发酵木糖和葡萄糖的酿酒酵母重组菌株。对获得的重组菌株进行了初步研究, 该菌株能够很好的利用木糖并共发酵木糖和葡萄糖。在30oC, 200 r/min, 发酵96 h时, 50 g/L木糖和葡萄糖的利用率为94.0%和98.9%, 乙醇产率为32.4%和31.6%, 原始菌株乙醇产率为44.3%; 当木糖和葡萄糖以质量比1:1混合发酵时, 木糖和葡萄糖利用率分别为91.7%和85.9%, 乙醇产率为26%。木糖醇的含量极低。     

甘蔗糖蜜发酵生产柠檬酸

从8株黑曲霉A.niger菌株中筛选获得1株适应甘蔗糖蜜深层发酵柠檬酸的菌株A.niger-94,研究了巴基斯坦糖蜜的预处理方法,结果表明：巴基斯坦糖蜜不同于国产糖蜜,CaO处理法是最适宜的糖蜜种子培养基预处理方法,CaO法＋草酸复合处理则是最适的糖蜜发酵培养基预处理方法,在上述条件下,摇瓶发酵115h左右,与未经处理的糖蜜相比,产酸由3．7g/100ml提高至9．68g/100mg。     

利用甜菜糖蜜补料发酵生产丁醇

从土壤中分离出1株适合利用甜菜糖蜜发酵生产丁醇的丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)2N,通过优化发酵条件,得到最适发酵温度为33℃,玉米浆最适添加量为15g/L,发现甜菜糖蜜中还原糖质量浓度高于50g/L时影响菌株的生长和溶剂生产。以补料分批发酵方式降低底物抑制,33℃发酵48h后,丁醇和总溶剂的质量浓度分别达到14.15g/L和19.65g/L,丁醇质量分数超过70%。     

spt15突变基因对酿酒酵母木糖利用的影响

利用基因工程手段得到重组菌YPH499-3中的spt15有效突变基因,通过表达载体pYX212转化入酿酒酵母原始菌株YPH499中,重新获得酿酒酵母重组菌株。对其性状进行研究,结果表明该菌株能有效利用木糖并共发酵木糖和葡萄糖。在30oC、200r/min,发酵72h时,50g/L木糖的利用率为82.0%,乙醇产率为28.4%;当木糖和葡萄糖以质量比1:1混合发酵时,木糖和葡萄糖的利用率分别为80.4%和100%,乙醇产率为31.4%;同时发现木糖醇的含量极低。从而验证了有效突变基因spt15-10对酿酒酵母共发酵木糖和葡萄糖产酒精的影响。     

利用甘蔗糖蜜发酵生产花生四烯酸的研究

通过培养高山被孢霉利用糖蜜来发酵生产花生四烯酸(ARA),研究了不同甘蔗糖蜜预处理方法对ARA发酵生产的影响。研究表明:H2SO4法是最利于ARA发酵生产的糖蜜预处理方法。利用预处理的甘蔗糖蜜发酵生产ARA,通过单因素实验设计,确定了最优的培养条件,包括初始还原糖80 g/L,N源6 g/L,接种量20%,初始pH6.0和培养温度25℃,在此条件下发酵,干细胞质量、油脂含量、ARA产量和糖利用率分别达到28.5 g/L、11.7g/L、3.68 g/L和94.5%。     

木薯粉与甘蔗糖蜜混合发酵高浓度酒精

对木薯粉与甘蔗糖蜜混合原料发酵高浓度酒精的条件进行了优化,先应用P-B(Plackett-Burman)试验筛选影响混合原料高浓度酒精发酵的重要影响因素,结果表明,初始总糖浓度、糖蜜添加时间、初始pH值是影响混合原料酒精发酵的重要因素。采用最陡爬坡实验找到响应面试验的中心点,再利用Box-Behnken设计确定重要参数的最佳水平。各因素的最佳水平是:总糖浓度为29.14%,添加时间为16.5 h,初始pH值为4.7。1 L发酵罐验证试验酒精浓度可达16.07%(V/V)。优化后酒精浓度提高了20%。