全 文 :第 13卷第 1期
2015年 1月
生 物 加 工 过 程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol 13 No 1
Jan 2015
doi:10 3969 / j issn 1672-3678 2015 01 002
收稿日期:2013-11-14
基金项目:国家自然科学基金(2110616);辽宁省博士启动基金(20111028)
作者简介:韩锡铜(1988—),男,吉林长春人,硕士研究生,研究方向:纤维素乙醇;袁文杰(联系人),副教授,E⁃mail:ywj@ dlut edu cn
Kluyveromyces marxianus发酵己糖和戊糖生产乙醇
韩锡铜,高教琪,陈丽杰,袁文杰,白凤武
(大连理工大学 生命科学与技术学院,辽宁 大连 116023)
摘 要:对利用底物广泛的乙醇发酵菌株马克斯克鲁维(Kluyveromyces marxianus)DL1菌株与工业用乙醇发酵菌株酿
酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae)6525利用己糖(葡萄糖、甘露糖、半乳糖)和戊糖(木糖、阿拉伯糖)的情况进行对比
研究。 结果发现:以己糖为底物时,K marxianus DL1均表现出细胞生长快、乙醇得率高的特点;在不通气、糖 20 g / L
条件下,K marxianus DL1的最大乙醇质量浓度均比 S cerevisiae 6525高出 10%左右,细胞量及乙醇生产强度分别是
S cerevisiae 6525的近 2和 1 7倍。 当以戊糖为底物时,K marxianus DL1可以利用木糖和阿拉伯糖;在不通气、糖 20
g / L条件下,K marxianus DL1利用木糖产木糖醇和乙醇,乙醇终质量浓度可达 7 68 g / L,木糖醇质量浓度为 9 12 g / L;
以阿拉伯糖为发酵底物时,阿拉伯糖醇的产量可达 6 g / L左右;而 S cerevisiae 6525 不能利用戊糖。马克斯克鲁维酵母
比酿酒酵母更适合纤维乙醇生产。
关键词:马克斯克鲁维酵母;酿酒酵母;乙醇发酵;戊糖;己糖
中图分类号:TS262 文献标志码:A 文章编号:1672-3678(2015)01-0006-06
Ethanol production from hexose and pentose by Kluyveromyces marxianus
HAN Xitong,GAO Jiaoqi,CHEN Lijie,YUAN Wenjie,BAI Fengwu
(Life Science and Bioengineering,Dalian University of Technology,Dalian 116023,China)
Abstract:Kluyveromyces marxianus DL1 and Saccharomyces cerevisiae 6525 were compared by using hexose
(glucose, mannose and galactose) and pentose (xylose and arabinose) as substrates. When hexoses were
used as substrates, K. marxianus showed the characteristic of fast growth and higher ethanol yield. Under
the condition of anaerobic and 20 g / L sugar concentration, the ethanol concentration of K. marxianus DL1
was 10% higher than that of S. cerevisiae 6525, and the biomass and the ethanol productivity of K.
marxianus DL1 were 2 and 1 7 times to that of S. cerevisiae 6525 When pentoses were used as the substrate
under the conditions of anaerobic and 20 g / L sugar concentration, S. cerevisiae 6525 could not use pentoses
whereas K. marxianus DL1 could use xylose to produce ethanol and xylitol, and the concentration reached
7 68 g / L and 9 12 g / L, respectively. K. marxianus DL1 could also ferment arabinose to produce 6 g / L
arabitol. K. marxianus DL1 is more suitable for cellulosic ethanol production than Saccharomyces cerevisiae.
Keywords:Kluyveromyces marxianus;Saccharomyces cerevisiae;ethanol fermentation;pentose;hexose
迄今为止,燃料乙醇是研究最热且被公认为拥
有广阔发展前景的生物清洁能源之一[1]。 目前,大
规模投入生产的原料是以淀粉和糖类为主,然而,
“不与人争粮,不与粮争地”的基本国策严重限制了
燃料乙醇的规模化生产[2-3]。
木质纤维素生物质是当今世界上来源丰富、价
格低廉、可再生性的生物质原料,其主要成分包括
纤维素、半纤维素和木素。 在植物纤维中,纤维素
和半纤维素占到原料干质量的 50%以上[4],分解产
物分别为葡萄糖、甘露糖、半乳糖等己糖以及木糖、
阿拉伯糖等戊糖[5]。 与葡萄糖相比,大量的戊糖资
源尚未得到同等有效利用,成为纤维原料生产燃料
乙醇的关键之一。
Kluyveromyces marxianus属于非常规酵母,利用
其高温特性和能够发酵多种底物的特点而进行的
乙醇发酵已引起了国内外学者的广泛关注[6-8]。 早
在 20世纪 80年代,就有关于 K marxianus发酵木糖
的报道,但由于乙醇产率较低,未能引起重视[9]。
随着纤维素乙醇的发展及对 K marxianus 认识的加
深,人们对 K marxianus 在纤维素乙醇转化中的应
用重新提上日程。 Watanabe 等[10]将来源于不同酵
母的木糖转运蛋白在 K marxianus 中表达,一定程
度上提高了 K marxianus 代谢木糖的速率。 国内洪
炯课题组首次鉴定了 K marxianus 代谢木糖途径的
3个重要基因:木糖脱氢酶[11]、木酮糖激酶[12]及木
糖醇还原酶[13],为研究 K marxianus 在发酵木糖中
的应用奠定了一定基础。 但由于这些菌株的产乙
醇性能较差,尚不能满足工业化应用要求。
笔者将本实验室成员自行选育得到的能够发
酵木糖的 K marxianus菌株以及工业用乙醇发酵菌
株 S cerevisiae 6525在不同 C源条件下的生长、发酵
状况进行研究对比,以期筛选出更具有优势的乙醇
生产菌种,使其能够较高效地发酵戊糖(木糖、阿拉
伯糖),使之具有成为纤维素乙醇生产菌株的潜力。
1 材料与方法
1 1 材料
1 1 1 菌株
马克斯克鲁维酵母 Kluyveromyces marxianus
DL1 和 DL2,本实验室成员筛选; Kluyveromyces
marxianus 1727、 乳酸克鲁维酵母 Kluyveromyces
lactis,购自中国工业微生物保藏中心,编号分别为
1727和 1772;酿酒酵母 Saccharomyces cerevisiae 6525
(工业界赠送)。 以上菌株由大连理工大学生命科
学与技术学院保藏。
1 1 2 培养基
平板培养基(g / L):糖类 20(葡萄糖、木糖、阿拉
伯糖、甘露糖和半乳糖),酵母粉 10,蛋白胨 20,琼脂
粉 18。
活化培养基(g / L):葡萄糖 20,酵母粉 10,蛋白
胨 20。
种子培养基 (g / L):葡萄糖 20,(NH4)2SO4 5 0,
KH2PO4 3 0,MgSO4·7H2O 0 5,微量元素(EDTA 0 015,
ZnSO4·7H2O 0 004 5,MnCl2·2H2O 0 000 84,CoCl2·6H2O
0 000 3,CuSO4·5H2O 0 000 3, Na2MoO4·2H2O 0 000 4,
CaCl2·2H2O 0 004 5,FeSO4·7H2O 0 003,H3BO3 0 001,KI
0 000 1),生物素 0 000 05,泛酸钙 0 001,烟酸 0 001,肌
醇 0 025,维生素 B1 0 001,维生素 B6 0 001,对氨基苯甲
酸 0 000 2。
生长培养基(g / L):糖类 20(葡萄糖、木糖、阿拉
伯糖、甘露糖和半乳糖),其余成分同种子培养基。
发酵培养基(g / L):糖类 40(葡萄糖、木糖、阿拉
伯糖、甘露糖和半乳糖),其余成分同种子培养基。
1 2 实验方法
1 2 1 菌株培养
经过两级种子活化,将种子液以 10%的体积分
数接入有效体积为 100 mL的摇瓶培养基中,摇瓶分
别用 8层纱布(微量通气)和厌氧塞封口(不通气)。
30 ℃、150 r / min 培养。 定时取样,测定生物量、糖
以及各种代谢产物浓度。
1 2 2 分析方法
生物量测定方法:采用 OD值法,将菌液适当稀
释,在波长为 620 nm处测定其吸光值。
发酵液代谢产物的分析:发酵液在 10 000
r / min下离心 5 min,取上清液,用孔径为 0 22 μm的
水膜过滤,利用高效液相色谱(HPLC)测定葡萄糖、
甘露糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖、木糖醇、阿拉伯
醇、甘油、乙酸和乙醇的含量。 色谱柱的型号为
Aminex HPX 87H。 流动相为 0 01 mol / L H2SO4水
溶液,流速 0 5 mL / min,分别使用紫外检测器(检测
波长 205 nm)和示差检测器。
1 2 3 数据分析方法
乙醇发酵得率 Yp / s = ρ(酒精) / [ ρ(初始糖) -
ρ(剩余糖)] (1)
乙醇生产强度 Qp = ρ(酒精) /发酵时间 (2)
2 结果与讨论
2 1 在平板培养条件下 C源对菌株生长的影响
将具有较好发酵乙醇能力的克鲁维属菌株和
酿酒酵母,划线接种于不同 C 源的平板培养基上,
考察每个菌株对不同 C源的利用情况,结果见图 1。
由图 1可知:5种菌都能利用己糖(葡萄糖、甘露糖、
7 第 1期 韩锡铜等:Kluyveromyces marxianus发酵己糖和戊糖生产乙醇
半乳糖 ),且各菌株的生长状况无明显差异;
K marxianus DL1、K marxianus 1727、K lactis能利用
戊糖 (木糖、阿拉伯糖),其中,K marxianus DL1、
K marxianus 1727的生长状况要远远好于 K lactis。
1—K marxianus 1727;2—K marxianus DL1;3—K lactis;4—S cerevisiae 6525;5—K marxianus DL2
图 1 菌株在不同 C源培养基上的生长情况
Fig 1 Growth of strains on different carbon medium
2 2 在微通气条件下 C源对菌株生长性状的影响
2 2 1 以己糖(葡萄糖、甘露糖和半乳糖)为 C源
5株菌以己糖为底物时的发酵数据如表 1和图 2
所示。 由表 1和图 2可知:以 20 g / L葡萄糖为底物,5
株菌的生长比较类似。 接种后 4 h 内均处于延迟期,
葡萄糖消耗速率缓慢,4 h 后,2 株菌进入对数生长
期,葡萄糖消耗速率加快。 K marxianus DL1 和
K marxianus 1727耗糖速率明显比其他 3株菌快,并
均在第 10 小时将葡萄糖耗完,而 K marxianus DL2、
K lactis和 S cerevisiae 6525 则分别在第 12、20 和 12
小时生长结束。 在生物量方面,K marxianus DL1、
K marxianus 1727和 K marxianus DL2的生长状况相
似,且明显优于 K lactis 和 S cerevisiae 6525。 其中
K marxianus DL1 的 OD620 最 大 达 到 3 25, 是
S cerevisiae 6525的最大 OD620的 1 47 倍。 在产物方
面,各菌株都能够在微通气条件下将葡萄糖转化为乙
醇,可能原因是通气量较低时,随着细胞生物量增多,
培养基溶氧降低或出现无氧状态。 K marxianus DL1
在己糖代谢能力方面几乎与目前报道的优良菌株相
似[14],甚至在发酵时间以及生物量生产等方面还具
有一定的优势。 Rodrussamee 等[15]利用 K marxianus
DMKU 3 1042在有机培养基中发酵葡萄糖于 12 h
达到终点,而 K marxianus DL1在营养相对匮乏的无
机盐培养基中可以实现更快的发酵过程(10 h 左
右),因此,更高的发酵效率是 K marxianus DL1有别
于目前报道的克鲁维属菌株的一个重要特征。
表 1 以己糖为底物时菌株的生长参数
Table 1 Growth parameters of strains using hexose as substrate
底物 菌株 t / h ρ(剩余糖) /(g·L-1)
ρ(初始糖) /
(g·L-1)
ρ(乙醇) /
(g·L-1)
Yp / s /
(g·g-1)
Qp /
(g·L-1·h-1)
葡萄糖
K marxinus DL1 10 1 11 ± 0 02 23 33 ± 0 15 7 96 ± 0 13 0 351 ± 0 005 0 80 ± 0 01
K marxinus 1727 10 0 92 ± 0 11 23 33 ± 0 15 6 47 ± 0 00 0 283 ± 0 007 0 65 ± 0 00
K marxinus DL2 12 1 13 ± 0 01 23 33 ± 0 15 7 61 ± 0 16 0 336 ± 0 018 0 64 ± 0 01
K lactis 20 2 28 ± 0 81 23 33 ± 0 15 6 79 ± 0 08 0 315 ± 0 006 0 34 ± 0 00
S cerevisiae 6525 12 1 81 ± 0 08 23 33 ± 0 15 7 73 ± 0 00 0 352 ± 0 012 0 64 ± 0 00
甘露糖
K marxinus DL1 14 0 00 ± 0 00 20 73 ± 0 12 7 73 ± 0 22 0 373 ± 0 013 0 55 ± 0 01
K marxinus 1727 12 0 00 ± 0 00 20 73 ± 0 12 6 36 ± 0 00 0 319 ± 0 002 0 55 ± 0 00
K marxinus DL2 12 0 00 ± 0 00 20 73 ± 0 12 7 37 ± 0 04 0 356 ± 0 001 0 62 ± 0 01
K lactis 24 11 93 ± 0 12 20 73 ± 0 12 1 80 ± 0 14 0 204 ± 0 021 0 08 ± 0 01
S cerevisiae 6525 16 1 34 ± 0 03 20 73 ± 0 12 7 30 ± 0 04 0 377 ± 0 004 0 46 ± 0 01
半乳糖
K marxinus DL1 12 0 00 ± 0 00 21 05 ± 0 21 7 37 ± 0 00 0 350 ± 0 000 0 61 ± 0 01
K marxinus 1727 12 0 21 ± 0 22 21 05 ± 0 21 7 57 ± 0 33 0 363 ± 0 020 0 63 ± 0 03
K marxinus DL2 24 0 81 ± 0 21 21 05 ± 0 21 5 62 ± 0 27 0 278 ± 0 016 0 24 ± 0 01
K lactis 32 8 27 ± 0 22 21 05 ± 0 21 1 81 ± 0 26 0 142 ± 0 023 0 06 ± 0 01
S cerevisiae 6525 24 0 00 ± 0 00 21 05 ± 0 21 7 50 ± 0 13 0 357 ± 0 006 0 32 ± 0 01
8 生 物 加 工 过 程 第 13卷
图 2 以葡萄糖为底物时 K. marxianus DL1和 S. cerevisiae 6525菌株的生长状况
Fig 2 Growth of strains (K. marxianus DL1 and S. cerevisiae 6525) using glucose as substrate
2 2 2 以戊糖(木糖、阿拉伯糖)为 C源
K marxianus DL1、K marxianus 1727和 K lactis 以
戊糖为底物时的发酵数据如表 2和图 3所示。 由表 2
和图3可知:K marxianus DL1同样具有乙醇得率高,生
产强度大的优势。 以 20 g / L木糖为底物, K marxianus
DL1消耗木糖的速率明显比 K marxianus 1727 快,在
84 h时,木糖基本耗尽,而 K marxianus 1727发酵至 96
h时仍有残糖 4 62 g / L。 在生物量方面,K marxianus
DL1 OD620最大达到 5 38,是 K marxianus 1727 最大
OD620的 1 11倍。 同时,K marxianus 属的酵母在以木
糖为 C源时的细胞得率比以葡萄糖为 C源时更高。 在
产物方面, K marxianus DL1可以利用木糖同时生产乙
醇和木糖醇,在 48 h 时,木糖醇产量达到最大(2 05
g / L)。 乙醇的产量则从 24 h开始逐渐上升,至 72 h时
趋于稳定,最终质量浓度为 1 71 g / L。 K marxianus
1727不能利用木糖生产乙醇,只能生产木糖醇,其产量
随时间呈现上升趋势,84 h时趋于稳定,终质量浓度为
2 96 g / L。
表 2 以戊糖为底物时菌株的生长参数
Table 2 The growth parameters of strains using pentose as substrate
底物 菌株 t / h ρ(剩余糖) /(g·L-1)
ρ(初始糖) /
(g·L-1)
ρ(乙醇) /
(g·L-1)
Yp / s /
(g·g-1)
Qp /
(g·L-1·h-1)
木糖
K marxinus DL1 72 2 06 ± 0 26 20 06 ± 0 21 1 71 ± 0 25 0 095 ± 0 016 0 03 ± 0 01
K marxinus 1727 96 4 62 ± 0 11 20 06 ± 0 21 0 00 ± 0 00 0 000 ± 0 000 0 00 ± 0 00
K lactis 96 11 22 ± 0 21 20 06 ± 0 21 0 00 ± 0 00 0 000 ± 0 000 0 00 ± 0 00
阿拉伯糖 K marxinus DL1 168 10 32 ± 1 12 21 41 ± 0 19 0 00 ± 0 00 0 000 ± 0 000 0 00 ± 0 00K marxinus 1727 96 17 54 ± 0 00 21 41 ± 0 19 0 00 ± 0 00 0 000 ± 0 000 0 00 ± 0 00
图 3 以木糖为底物时 K. marxianus DL1和 S. cerevisiae 1727菌株的生长状况
Fig 3 Growth of strains (K. marxianus DL1 and S. cerevisiae 1727) using xylose as substrate
2 3 在不通气条件下不同 C 源对菌株的发酵性状
影响
在不通气条件下,5株菌以己糖为底物时的发酵
数据如表 3 所示。 由表 3 可知:K marxianus DL1 是
优秀的乙醇生产菌株,与工业酿酒菌株 S cerevisiae
6525相比,乙醇产量、得率是 S cerevisiae 6525的 1 13
9 第 1期 韩锡铜等:Kluyveromyces marxianus发酵己糖和戊糖生产乙醇
倍,且生产强度是 S cerevisiae 6525的 1 7倍。 在微量
通 气 条 件 下 K marxianus DL1 的 乙 醇 得 率 与
S cerevisiae 6525 相近;而在不通气的发酵条件下,
K marxianus DL1的乙醇得率及生产强度均优于微通
气条件。 出现上述原因可能是微通气条件下,溶氧含
量相对多,较多的 O2供细胞快速增殖,在有氧且 C源
不足时,乙醇会被当做 C源来利用。 而在不通气的条
件下,乙醇的产量明显提高,这与 Salmon[16]的研究结
果相似。 与 K marxianus DL1 相比,S cerevisiae 6525
在不通气条件下的乙醇得率及生产强度反而比微氧
条件下的值要低,这可能是由于大量甘油的合成降低
了乙醇的产率和 C源的利用率[17]。
表 3 以己糖为底物时菌株的发酵参数
Table 3 The fermentation parameters of strains using hexose as substrate
底物 菌株 t / h ρ(剩余糖) /(g·L-1)
ρ(初始糖) /
(g·L-1)
ρ(酒精) /
(g·L-1)
Yp / s /
(g·g-1)
Qp /
(g·L-1·h-1)
葡萄糖
K marxinus DL1 16 1 64 ± 0 06 42 81 ± 0 35 14 69 ± 0 13 0 357 ± 0 004 0 92 ± 0 01
K marxinus 1727 20 5 25 ± 1 39 42 81 ± 0 35 11 98 ± 0 21 0 320 ± 0 006 0 43 ± 0 01
K marxinus DL2 24 5 41 ± 1 74 42 81 ± 0 35 12 92 ± 0 34 0 346 ± 0 025 0 46 ± 0 01
K lactis 28 13 69 ± 2 63 42 81 ± 0 35 9 82 ± 0 62 0 338 ± 0 009 0 35 ± 0 01
S cerevisiae 6525 24 1 62 ± 0 04 42 81 ± 0 35 12 97 ± 0 01 0 315 ± 0 000 0 54 ± 0 00
甘露糖
K marxinus DL1 24 0 00 ± 0 00 40 72 ± 0 15 14 75 ± 0 49 0 362 ± 0 014 0 62 ± 0 02
K marxinus 1727 28 1 34 ± 0 23 40 72 ± 0 15 14 84 ± 0 21 0 377 ± 0 006 0 53 ± 0 01
K marxinus DL2 24 0 40 72 ± 0 15 15 72 ± 0 15 0 386 ± 0 001 0 66 ± 0 01
K lactis 28 22 78 ± 0 29 40 72 ± 0 15 5 47 ± 0 25 0 305 ± 0 023 0 20 ± 0 01
S cerevisiae 6525 28 0 40 72 ± 0 15 13 37 ± 0 48 0 329 ± 0 013 0 48 ± 0 01
半乳糖
K marxinus DL1 32 1 76 ± 0 03 40 63 ± 0 35 15 77 ± 0 28 0 406 ± 0 007 0 50 ± 0 01
K marxinus 1727 24 0 32 ± 0 01 40 63 ± 0 35 13 57 ± 0 16 0 337 ± 0 004 0 57 ± 0 01
K marxinus DL2 32 7 06 ± 0 24 40 63 ± 0 35 12 02 ± 0 17 0 358 ± 0 008 0 38 ± 0 01
K lactis 32 23 10 ± 0 11 40 63 ± 0 35 5 78 ± 0 07 0 330 ± 0 001 0 18 ± 0 00
S cerevisiae 6525 32 0 40 63 ± 0 35 14 22 ± 0 30 0 350 ± 0 007 0 45 ± 0 01
图 4 不通气条件下 K marxianus DL1以戊糖为底物的发酵状况
Fig 4 Fermentation of K marxianus DL1 using pentose as substrate in anaerobic conditions
图 4(A)为 K marxianus DL1 以木糖为 C 源时
的发酵情况。 由图 4(A)可知:K marxianus DL1 在
第 144小时将木糖基本耗尽,乙醇在第 120 小时达
到最大(7 68 g / L)。 除乙醇外,K marxianus DL1 还
能产生木糖醇和乙酸,其中 K marxianus DL1 的木
糖醇和乙酸的产量分别在 96 h(9 12 g / L)和 120 h
(1 46 g / L)时达到最大。
图 4(B)为K marxianus DL1以阿拉伯糖为C源时
的发酵情况。 由图 4(B)可知:120 h发酵达到终点,仍
有残糖 22 25 g / L。 阿拉伯糖醇产量最高达至 5 96
g / L。 尽管发酵过程中没有乙醇产出,但更多的 C源却
用来合成生物量,K marxianus DL1 的最大 OD620达到
5 43,细胞得率要远高于以木糖为底物时的得率。
K marxianus DL1 能较高效转化戊糖[9,18]。 虽
然目前 K marxianus DL1 发酵木糖的速率略低于一
些基因工程菌,但在乙醇产量方面具有优势[19]。 此
外,K marxianus 代谢阿拉伯糖不产生乙醇,但是,
K marxianus代谢阿拉伯糖产阿拉伯醇的产量远高
01 生 物 加 工 过 程 第 13卷
于同类菌株[20],因此,笔者推测,K marxianus DL1
中可能存在特异的木糖和阿拉伯糖转运蛋白及代
谢途径,这将是 K marxianus DL1 未来一个很重要
的应用,并且尚没有菌株能够同时利用木糖和阿拉
伯糖的报道。
3 结论
与工业用乙醇发酵菌株 S cerevisiae 6525 相比,
K marxianus DL1是 1株降糖速度快、乙醇产量高的
菌株,能够更好地代谢木糖、阿拉伯糖,对于纤维素
类原料水解液的全面利用更具有优势。
当以葡萄糖、甘露糖和半乳糖为底物时,在微量
通气条件下,K marxianus DL1具有生长速度快、乙醇
得率高及生产强度大的优势。 当以 20 g / L葡萄糖为
底物时,K marxianus DL1于 10 h发酵结束,并达到最
大乙醇产量(7 96 g / L)。 尽管乙醇产量和得率与
S cerevisiae 6525 相 近, 但 乙 醇 生 产 强 度 却 是
S cerevisiae 6525的 1 25倍。 在不通气条件下,以 42
g / L葡萄糖为底物时,K marxianus DL1的乙醇产量、
得率和生产强度分别比 S cerevisiae 6525 高出近
13%、13%和 70%。 这可能是由于 S cerevisiae 6525代
谢过程中产生大量的甘油,降低了乙醇的产率。
当以木糖和阿拉伯糖为底物时,在微量通气与
不通气条件下,只有 K marxianus DL1 能够发酵木
糖产乙醇,发酵阿拉伯糖产阿拉伯醇。
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(责任编辑 管 珺)
11 第 1期 韩锡铜等:Kluyveromyces marxianus发酵己糖和戊糖生产乙醇