利用转基因酵母和优质木质纤维材料分析葡萄糖—木糖共发酵产醇效率

发布时间：2020-10-13 02:50

　　 木质纤维素是地球上产量最高的可再生物质,而木质纤维乙醇被认为是理想的生物燃料。尽管木糖在木质纤维素中含量仅次于葡萄糖,但其高效转化为乙醇是目前生物质利用的难题之一。虽然已有工程酵母利用木糖发酵产醇的报道,但有关将转基因酿酒酵母与作物秸秆和酶解发酵工艺相结合的报道比较少见。本实验室前期利用遗传工程,已在工业酿酒酵母中超表达外源木糖还原酶,木糖醇脱氢酶和木酮糖激酶,并获得转基因酿酒酵母SF4和E4菌系。本研究利用优质芒草和小麦秸秆材料和温和预处理酶解技术,分别测定了转基因酿酒酵母SF4和E4菌系利用葡萄糖和木糖共发酵产醇的效率,其主要实验结果如下:1.与原始菌株相比,转基因酿酒酵母SF4和E4能利用木糖为单一碳源而正常生长;在葡萄糖木糖混合培养基中,原始菌株与转基因酵母生长情况相似。2.利用芒草材料Msi07,比较了1%H_2SO_4和2%NaOH预处理下产醇效率。其中原始菌株乙醇产率由6.27%(1%H_2SO_4)提高至8.38%(2%NaOH);转基因酿酒酵母SF4乙醇产率由6.76%提高至8.80%;而转基因酿酒酵母E4乙醇产率由6.29%可提高至9.23%;此外,利用芒草材料VI-A-3,原始菌株乙醇产率由5.78%提高至8.54%,SF4乙醇产率由5.87%提高至9.26%,E4乙醇产率由5.96%提高至9.36%。3.利用4%NaOH预处理芒草材料(VII-C-14)并酶解产糖发酵,转基因酵母E4比原始菌株乙醇产率提高25.69%。4.1%NaOH预处理汽爆芒草和小麦材料,转基因酵母E4在芒草的最高乙醇产率为20.61%,转基因酵母SF4在小麦的最高乙醇产率为20.32%,分别创历史记录新高。
【学位单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ920.6;TQ223.122
【部分图文】：

2键和范德华力的作用下聚合成为纤维素微纤丝(Parthasarathi et al 2011)(如图 1.1)。图1.1 纤维素链(A)和纤维素微纤丝Iβ的结构简图 (Parthasarathi et al 2011)Fig. 1.1 Structural overview of a cellulose chain (A) and a simplistic sketch of a Iβ cellulosemicrofibril (B) (Parthasarathi et al 2011). 目前 Hemicellulose 并没用一个明确的定义，通常用稀碱提取的物质被定义为Hemicellulose。Hemicellulose 是一种复杂的异构聚合物(如图 1.2)，含有非常多的类型，主要的类型有木聚糖(xylan)、木葡聚糖(xyloglucan，XG)、甘露聚糖(mannan)和混合糖苷键葡聚糖(β-1, 3; 1, 4-glucan)等(Harris a nd Smith 2006)。Hemicellulose 的主要的生物学功能便是起到桥梁的作用，将 Cellulose 和 Lignin 紧密的联系在一起从而加固细胞壁的结构。

3图 1.2 植物细胞壁不同半纤维素类型示意图(Scheller and Ulvskov 2010).2 Schematic illustration of the types of hemicelluloses found in plant cell walls (Scheand Ulvskov 2010)gnin 是由一类复杂的芳香族化合物组成，同时 Lignin 也是自然界含量最多为丰富的芳香族化合物，其含量占生物质总量的 15%-40%(Ragauskas Lignin 由 3 个基本单元组成，分别为对羟基苯丙烷(ρ-hydroxyphenyl，H)丙烷(guaiacyl，G)和紫丁香基丙烷(syringyl，S)(Picartetal2015)(图 1.3)。用最主要的是充当 Cellulose 和 Hemicellulose 的粘合剂，保持细胞壁的完植物的硬度和强度。同时 Lignin 在植物水分运输和防止细胞壁透水，以壁面授病原体感染中叶起到非常重要的作用(Bonawitz and Chapple 201nd Chapple 2010)。

图 1.3 木质素单体结构 (Picart et al 2015)Fig.1.3 Structure of lignin monomers (Picart et al 2015)木质纤维素生物质转化成二次能源主要是通过预处理得到，预处理包括酸、碱、高温、酶解等。尽管用不同的预处理方法对不同的秸秆材料进行处理后得到的各种单糖所占比例差异很大，但总体来说最主要的单糖还是来源于纤维素和半纤维素中的葡萄糖(HendriksandZeeman2009；Lee1997)，除了葡萄糖以外，还含有其他的己糖，以及大量的来源于半纤维素的戊糖，如D-木糖(D-xylose)，L-阿拉伯糖(L-arabinose)等。D-木糖含量是仅次于葡萄糖的第二大碳水化合物，在草本和硬木中的含量尤其高(Matsushika et al 2009)。有效利用这些生物质存在几个方面的关键问题：(1)找到最有效的前处理木质纤维素生物质的方法:(2)实用性很强且价格低廉的水解酶:(3)选用能够高效率利用戊糖和己糖发酵产乙醇的菌株对水解产物进行发酵(Chen 2011；Knauf 2004；Lin andTanaka 2006；Potera 2006；Stephanopoulos 2007)。但目前还没有发现能高效率地同
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本文编号：2838631