大连理工开发菌株共培养策略，利用未脱毒玉米秸秆水解液制醇- 大数跨境

传统的生物乙醇由含糖或淀粉的粮食或饲料作物生产，其生产成本主要由原料成本决定。木质纤维素是世界上最丰富的生物质，因与粮食作物等不具有竞争性，也成为生产生物乙醇、能源等的原料之一。

然而，如何通过微生物发酵充分利用所有木质纤维素衍生的糖仍然是⼀个瓶颈。首先，预处理步骤确保木质纤维素生物质的有效酶水解；其次，木质纤维素水解产物的发酵过程，有助于释放糖作为酵母和梭状芽胞杆菌发酵乙醇或丙酮-丁醇-乙醇（ABE）的底物；此外，共培养菌株的选择对于生物醇的产量和生产力也至关重要。

ABE 发酵液通常以淀粉或纤维素为原料，经丙酮丁醇梭菌发酵得到，是燃料和化学品的重要来源，如丙酮、丁醇及乙醇。ABE 发酵液一般浓度较低，浓缩过程不可避免地带来高能耗等问题，限制其广泛应用。

近期，来自大连理工大学的团队通过共培养酿酒酵母和拜氏梭菌，从未脱毒的玉米秸秆水解产物中生产乙醇和丁醇。这种策略充分利用了水解产物中的己糖和戊糖。优化的共培养过程得到 24.0 g/LABE（20.8g/L 乙醇和 2.4g/L 丁醇），获得 0.421g/g 和 0.55g/L/h 的 ABE 产率和生产率。

相关文章以题为“Lignocellulosic ethanol and butanol production by Saccharomyces cerevisiae and Clostridium beijerinckii co-culture using non-detoxified corn stover hydrolysate”发表在 Journal of Biotechnology 期刊。

论文通讯作者是大连理工大学教授、博士生导师薛闯，担任生物工程学院副院长。他主要从事生物质新能源的生产、分离纯化以及高效代谢菌株构建的研究：1. 生物法生产燃料乙醇及酵母菌的代谢网络研究；2. 微生物发酵法生产丁醇；3. 生物基化学品的高效分离；4. 有机膜的制备及分离技术；5.先进能源生产菌株的构建及代谢途径信号转导；6.激酶的生物信息分析。与国投生物、中国石化等十余家企业开展合作。

另一位通讯作者是大连理工大学硕士生导师吴又多，他是大连市合成生物学应用转化工程技术研究中心成员。围绕生物能源与现代农业领域内的功能微生物资源进行开发与应用研究。

两位作者对这项工作作出了同等贡献。

拜氏梭菌是一种严格厌氧菌，以其将葡萄糖、木糖和阿拉伯糖等多种糖类发酵成乙醇和丁醇的能力而闻名；酿酒酵母作为乙醇生产的模型菌株而闻名，它对葡萄糖具有很高的发酵倾向，但它不能自然利用木糖或阿拉伯糖。

因此，团队开发了酿酒酵母和拜氏梭菌的共培养策略。当使用未脱毒的木质纤维素水解产物时，酿酒酵母首先将葡萄糖快速发酵为乙醇，然后拜氏梭菌进一步将木糖和阿拉伯糖转化为乙醇和丁醇。而水解产物中的溶解氧和酸性抑制剂可以被酿酒酵母快速代谢，有益于拜氏梭菌。

团队利用玉米秸秆作为木质纤维素生物质，经过处理后，所得未脱毒的玉米秸秆水解产物（CSH）中含有葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖等，也包括抑制剂乙酸、香草醛等。

本研究选择了四种野生型酿酒酵母菌株 EB、4126、6525 和 SG 用于乙醇发酵。在这四种菌株中，SG 在 10h 左右消耗了所有葡萄糖，其他菌株在 12h 左右。所有菌株在 14h 终止生产乙醇，此时 SG 的乙醇产量最高，为 20.4g/L，且 SG 菌株消耗了抑制剂，随后产率下降，或受到葡萄糖发酵的终产物抑制所导致。

此外，与其他菌株相比，菌株 SG 显示出最高的乙醇产量和生产率，分别为 0.453g/g 和 2.04g/L/h，这表明其将葡萄糖转化为乙醇的卓越能力。

考虑到酿酒酵母的快速葡萄糖消耗，拜氏梭菌对戊糖的较慢摄取可能是共培养效率的限制步骤，这意味着拜氏梭菌的接种大小非常重要，应尽可能最大化。因此，通过调整酿酒酵母 SG 的接种量（1-5%）进行了多项实验，以研究其对乙醇生产的影响。

总体而言，接种 3% 时可获得高达 20.6g/L 的乙醇，乙醇得率、生产率和代谢率分别达到 0.458g/g、2.06g/L/h 和 89.76％。当接种量调整为 3%、4%、5% 和 10% 时，没有观察到乙醇产量的明显差异。因此，共培养的最佳接种量为 3% 酿酒酵母 SG 和 7% 拜氏梭菌。

为了进一步最大化共培养性能，团队研究了不同接种时间的影响。在 36℃ 条件下，首先在 CSH 中接种 3%酿酒酵母，然后接种 7% 拜氏梭菌，间隔时间 0-10h。

结果发现，当接种时间间隔调整为 8h 和 10h 时，所有糖都可以被耗尽，得到的 ABE 产量相似，分别为 0.421g/g 和 0.422g/g。而且，率先接种酿酒酵母有助于消耗溶解氧和酸性抑制剂，可以帮助拜氏梭菌更有效利用木糖和阿拉伯糖。

总之，本研究开发了酿酒酵母和拜氏梭菌的共培养策略，用于从未脱毒的玉米秸秆水解产物中生产乙醇和丁醇。通过首先接种 3% 酿酒酵母，然后接种 7% 拜氏梭菌，间隔 8 h，36℃ 共培养过程得到 24.0g/L ABE（20.8g/L 乙醇和 2.4g/L 丁醇），获得ABE 产量和生产率分别为 0.421g/g 和 0.55g/L/h。与 30℃ 或 37℃ 下传统乙醇或 ABE 发酵相比，木质纤维素水解产物中总葡萄糖、木糖和阿拉伯糖的利用率也得到了显著提高，表明其在经济上可行和可持续的木质纤维素生物精炼方面具有巨大潜力。

参考资料：

1.Jawad M, Wang H, Wu Y, Rehman O, Song Y, Xu R, Zhang Q, Gao H, Xue C. Lignocellulosic ethanol and butanol production by Saccharomyces cerevisiae and Clostridium beijerinckii co-culture using non-detoxified corn stover hydrolysate. J Biotechnol. 2024 Jan 10;379:1-5. doi: 10.1016/j.jbiotec.2023.11.002

2.http://faculty.dlut.edu.cn/2010015025/zh_CN/index.htm

3.https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6233010/

4.http://faculty.dlut.edu.cn/wuyouduo/zh_CN/index.htm

5.http://html.rhhz.net/SWJSTB/html/2017-1-106.htm

素材来源官方媒体/网络新闻

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