固定化细胞戊糖己糖共同发酵产乙醇文献综述

 2022-07-26 03:07


1前言

矿物燃料的大量使用,推动了社会发展,但由于矿物燃料是不可再生能源,使用时间有限,且矿物燃料的大量使用,引起了日益严重的环境问题。因此各国政府和科学家对资源丰富、可再生性强,又利于改善环境和可持续发展的生物资源的开发利用给予了极大的关注。燃料乙醇一直以来被誉为新世纪的“绿色能源”,目前利用木质纤维原料制取乙醇受到广泛关注[1]。在木质纤维原料中,纤维素、半纤维素、木质素之比为4:3:3,天然的半纤维素如木聚糖水解产物的85%~90%是木糖[2]。草木、阔叶木种半纤维素以木聚糖为主,针叶木中半纤维素以甘露聚糖为主,半纤维素是自然界中含量仅次于纤维素的多糖类物质,有效地利用木糖和葡萄糖是植物纤维原料发酵生成乙醇的关键[3-4]。通常用于乙醇发酵的酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)只能发酵葡萄糖[5]。因此造成了木糖的浪费。自然界中目前已发现能发酵木糖产宜春的酵母菌主要有假丝酵母(Candida)、毕赤氏酵母(Pichia)和管囊酵母(Pachysolen)3个属[6],虽然它们可以利用木糖,但对乙醇的耐受力以及发酵速率远不及酿酒酵母[7]。为了高效利用混合糖发酵产乙醇成为目前研究的热点,通过休哈塔假丝酵母和酿酒酵母共同发酵可以接触葡萄糖的抑制,提高木糖利用速率,但目前两种微生物混合糖同步发酵的瓶颈在于要给2种微生物提供合理的生长繁殖环境[8-9]。休哈塔假丝酵母和酿酒酵母的生长与发酵都需要碳源、氮源、营养盐等营养成分,二者不可避免会对营养物质竞争,需要对混菌生长和发酵的培养基进行优化。

2文献综述

2.1戊糖己糖发酵

十几年来, 戊糖发酵机理的研究主要集中在酵母代谢木糖的机理上。在酵母细胞中, 木糖首先在木糖还原酶的作用下还原成木糖醇, 木糖醇经木糖醇脱氢酶的作用氧化成木酮糖, 然后木酮糖磷酸化后进入磷酸戊糖循环, 经过一系列的生物化学反应生成乙醇。与传统的酿酒酵母厌氧发酵不同, 酵母的戊糖发酵是在“半厌氧”的条件下进行, 酵母代谢己糖和戊糖成酒精的总反应式如下:

C6H12O6→2C2H5OH 2CO2

10C5H10O→15C2H5OH 20CO2

由于酵母代谢木糖的途径比代谢葡萄糖复杂得多, 在代谢过程中部分木糖没有转化成酒精而进行辅酶NADPH 的合成或转化成其它副产物, 因此, 酵母代谢木糖的理论得率为0 .46g/g(酒精/消耗的糖), 低于己糖酒精发酵理论得率0 .51g/g(酒精/消耗的糖)。[10]

2.1.1木糖发酵微生物种类

长期以来,科学家认为自然界的微生物不能发酵木糖并将其转化成乙醇。直到二十世纪末,科学家发现有一些微生物可以代谢木糖生成乙醇。主要的木糖代谢微生物是细菌,其次为酵母菌和丝状真菌。迄今为止已发现一百多种微生物能代谢木糖。细菌蠢了能发酵单糖外还能发酵纤维素、生物高聚糖等,但细菌发酵具有副产物多,乙醇得率低等缺点,同时,较高pH条件下的细菌发酵容易引起杂菌污染。与细菌一样,真菌不仅能发酵单糖,还能发酵二糖、纤维素和木聚糖等。由于真菌在含纤维质的基质中培养能产半纤维素酶和纤维素酶,真菌的这种特性特别适合于植物纤维质原料的同步糖化发酵。有6个种的酵母菌能通过发酵木糖产生大量的乙醇,即嗜鞣管囊酵母(Pachysolen tannophilus)、休哈塔假丝酵母(Candida shehatae)、树干毕赤酵母(Pichia stipitis)、季也蒙毕赤酵母(Pichiaguilliermondii)、酒香酵母(Bret tanomyces anomalus)和产朊假丝酵母(Candida Utilis)。

与细菌的乙醇发酵相比,酵母菌具有酒精耐受能力高,副产物少等优点,同时,经酵母菌发酵过的纤维质原料能直接用于饲料而不会产生毒性。酵母菌酒精发酵不易被细菌和病毒污染。水解木聚糖分子的酶主要由beta;-1,4木聚糖和beta;-木糖苷酶构成,所生成的戊糖不宜被酵母发酵利用,需要木糖异构酶将木糖异构成木酮糖,再被酵母利用生成乙醇。

2.1.2戊糖发酵机理

木糖发酵的第一步是木糖首先被利用转化为木酮糖,代谢的微生物细胞不同,能够通过两种不同的途径生成木酮糖。许多细菌和放线菌是通过木糖异构酶的作用将木糖经过一步反应直接转化为木酮糖;而在真菌和酵母菌中,木糖首先氧化成木糖醇,这一步需要借助位于NADP(H) 的木糖还原酶的作用,木糖醇进一步转化成木酮糖,这步需要借助位于NAD 的木糖醇脱氢酶的作用。生成的木酮糖经磷酸化被转化成5-磷酸木酮糖进入磷酸戊糖途径(PPP),经过一系列反应生成3-磷酸甘油酸和6-磷酸果糖,二者经过糖酵解途径转化成丙酮酸,丙酮酸在有氧的条件下通过三羧酸循环被彻底氧化为二氧化碳和水;在厌氧的条件下借助丙酮酸脱羧酶的作用转化为乙醛,乙醛经过进一步还原生成乙醇。如图2.1[11]所示。

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