利用工业酵母进行甜高梁汁液及纤维素渣乙醇共发酵的研究

发布时间：2020-05-10 22:31

【摘要】：生物质能源作为一种可再生的化石能源替代物，日益受到全世界越来越多的关注。甜高粱是重要的能源作物之一，具有高产、耐旱、耐贫瘠的优良特性，不仅能提供糖类，还能提供大量的木质纤维素原料以生产燃料乙醇，被认为是最有前途的能源作物之一。然而甜高粱生物乙醇的生产，往往存在木质纤维素原料预处理程序复杂、纤维素组分转化效率低、糖液浓缩成本高、发酵周期内茎秆汁液糖利用率不高等问题，本研究主要针对以上限制因素进行了研究。 以甜高粱品种M81为试验材料，以清洗烘干后未经处理的甜高粱渣为对照，研究了在常温、高温高压、微波条件下Ca(OH)2和常温条件下NaOH处理甜高粱秸秆渣对甜高粱秸秆渣木质纤维素组成结构及纤维素酶酶解糖化效率的影响。结果表明，采用的4种处理都能有效地改变甜高粱渣木质纤维素组成结构，其中NaOH常温长时间处理对于木质素与半纤维素的溶降效果最好，三种石灰处理对半纤维素的溶解也均有一定作用。扫描电镜观察石灰高温高压与NaOH常温处理对于木质纤维素结构的改变不同，前者处理木质纤维素表层木质素结构被侵蚀严重，呈破碎状附着在纤维素表面，内部纤维结构仍紧密排列，后者处理木质纤维素束状结构溶胀降解，表层木质素成分被大量去除，被包裹的纤维素组分显露，，纤维素网断裂且纤维素表面出现许多小孔。经这4种方式处理后的甜高粱渣，木质纤维素中纤维素与半纤维素经纤维素酶酶解糖化，葡萄糖和木糖产物浓度都有所提高，分别达到对照的1.5倍、2.1倍、1.9倍、4.2倍和3.1倍、5.0倍、4.9倍和2.4倍。 对甜高粱茎秆汁液与木质纤维素渣进行了混合同步糖化共发酵试验，考察了渣汁比、温度、初始pH值、纤维素酶量、酵母接种量等因素对发酵产物乙醇产率的影响，并通过Box-Behnken中心组合设计对发酵条件进行了优化。结果显示，同步糖化混合发酵试验的最优发酵条件为：渣汁比5.93%（w/v），温度为36.92℃，纤维素酶添加量为24.21FPU（NS50013）、36.32CBU（NS50010）/g（SSB），酵母接种量为8.38%（v/v）时，乙醇产率达到最高的84.03%。 对工业酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)菌株T1308的糖代谢流基因进行了基因工程重组改造，使得酵母菌株糖代谢能力得到增强，发酵效率得到提升。以工业酿酒酵母为初始菌株，提取酵母基因组DNA，以其为模板设计引物分别对TPI1p、HXT7p(486bp)、PGK1p(646bp)、FBA1p(642bp)、ADH1p(1186bp)、TDH3p(711bp)六个酿酒酵母组成型强启动子及木酮糖激酶基因XKS1(2177bp)、转醛酶基因TAL1(1225bp)、转酮酶基因TKL1(2456bp)、磷酸戊酮糖差向异构酶基因RPE1(882bp)、核糖 5 磷酸异构酶基因RKI1(1019bp)六个基因进行了扩增，此外还获取了粳稻、O型菌和301细菌（Clostridium phytofermentans细菌）优化后的三种木糖异构酶基因XI；并通过融合PCR的方法将各启动子与相应基因进行融合连接，将得到的带有强启动子的各个基因通过LiAc化学转化法同源重组转化进入酿酒酵母基因组中，得到三种能够代谢木糖且糖代谢流得到增强的转基因酵母菌株；发酵试验结果表明，三种转基因工业酵母菌株木糖利用率分别为23.5%、24.9%、28.8%，分别达到对照的3.21、3.41、3.94倍，且糖代谢速率较原始菌株提高，为燃料乙醇生产提供了新的菌株选择。
【图文】：

6-磷酸葡萄糖和 3-磷酸甘油醛进入酵解途径（EMP），最终在厌氧条件下生成乙醇。 图1-1 自然界中真菌和细菌代谢木糖发酵乙醇的途径Fig. 1-1 Outline of D-xylose metabolic pathway in fungi and bacteria11

1.3.2 酿酒酵母糖代谢流增强基因工程改造 图1-2 为增加乙醇发酵能力对糖代谢途径的基因工程操作简图Fig. 1-2 Simplified illustrations of metabolic steps engineered for improved xylose fermentation.The identified enzymes have been overexpressed; crossed pathways indicate deleted enzymes1.3.2.1 XI 途径导入酿酒酵母木糖异构酶（XI，EC 5.3.1.5）是在体内催化从 D-木糖到 D-木酮糖的可逆异构化的酶。此外，它可以在体外催化 D-葡萄糖转化为 D-果糖，因此又被称为“葡萄糖异构酶”。这后一种活性在工业中可用于生产果葡糖浆（也叫高果糖浆，high fructose corn syrup，HFCS）木糖异构酶被划分为两个类型：familyⅠ（如 T. thermophilus XI）和 familyⅡ（如E. coli XI，C. phytofermentans XI 和 Piromyces sp. E2 XI）。木糖异构酶 familyⅠ和 familyⅡ相比较，GC 含量高
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S216.2

【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 郭美华;杜宝杰;;乙醇汽油混合燃料的燃烧和排放特点分析[J];叉车技术;2010年02期

2 刘海臣;刘猛;郑其鑫;;响应面法微波预处理稻草秸秆产还原性糖的优化研究[J];中国酿造;2012年11期

本文编号：2657997