能源问题与改造酿酒酵母代谢木糖产乙醇的研究

生物工业专题讲座结课论文

题目：能源问题与改造酿酒酵母代谢木糖产乙醇的研究

学号：xx

姓名：xx

摘要：随着经济的发展和能源价格的不断上涨以及温室效应的加剧，我们必须要寻找新的代替能源。而且目前化石燃料的储量已经所剩无几了，现在利用木质纤维素生产燃料乙醇已经成为各国的研究热点。木糖是多数木质纤维素水解产物中含量仅次于葡萄糖的一种单糖，传统乙醇生产菌株酿酒酵母不能利用木糖，这为使用以木质纤维素为原料发酵生产乙醇带来了困难。多年以来人们试图通过基因工程和细胞融合等方法对其进行改造使其能够代谢木糖生产乙醇。本文将对乙醇发酵做些论述。

关键词：酿酒酵母，乙醇，基因工程，能源

当今世界，人类社会发展日益加速，人民生活水平日益提高，无论是在工业，农业，还是第三产业服务业，高新技术产业，都是处于人类历史上空前发展最快的一个阶段。社会的发展促使了对能源（如煤，石油，天然气等）的大量的需求，从汽车内燃机到家用用电器，无不需要能源去运作。没有能源，也就没有了动力，机动车辆将无法运行。

经济的现代化是以化石原料为基础的，如石油、天然气、煤炭等众所周知的传统能源。然而，石油等这些化石燃料都是不可再生的。据统计，石油资源将会在一代人的时间内用尽，石油的储藏量不是无限的，容易开采和利用的储量已经所剩无几了，而且目前剩余的可开采的储量难度越来越大，因此当这个难度达到一定程度，那么它将失去再开采的价值。煤炭资源虽然比石油多，但是也不是取之不尽的。代替石油的其他能源资源，除了煤炭之外，能够大规模利用的还很少。太阳能虽然用之不竭，但代价太高，并且在一代人的时间里不可能迅速发展和广泛使用，其他新能源也如是。据统计，这些化石能源将在21世纪上半叶迅速地接近枯竭。《BP世界能源统计2005》的数据表明，就目前的开采速度，全球石油储量可供应40多年，天然气可供应67年，煤炭则可以供应164年。在面临能源危机和石油价格不断上涨的情况下，世界各国也加快脚步，寻找新能源，作为石油等化石燃料的替代品 [l]。通过研究发现，燃料乙醇被选作最适合的燃料替代品，乙醇可高效利用，且洁净无污染，这使得其备受瞩目，已经被选作发展现代循环经济可靠能源【2】。

乙醇作为生物燃料具有很多优点：可作为新的燃料，减少对石油的消耗，同时具有绿色环保的社会效益。燃料乙醇作为可再生能源，可直接作为液体燃料或者同汽油混合使用，可减少对石油的依赖，而且可以不用更换发动机，汽油中加入燃料乙醇可大大提高汽油的辛烷值，增加燃烧的含氧量，使汽油更充分燃烧。乙醇燃烧后不产生有毒的CO，污染程度远低于其他常用燃料所造成的污染。乙醇可以通过发酵而大规模生产，成本较低。因此，从长远来看，利用发酵法生产酒精的前途是光明的。

至于酒精的发酵原料，我们可以利用可再生资源如粮食或者植物纤维等，世界上大部分的乙醇都是以蔗糖或者淀粉为原料来生产的。目前在巴西、美国、加拿大等国家主要使用糖类和淀粉来发酵乙醇。世界上最早使用乙醇替代石油作为生物燃料的国家是巴西，巴西在生物燃料乙醇的研究以及应用方面处于领先的地位，乙醇在巴西得到广泛的应用，这也大大减

少了巴西对进口石油的依赖【3】。截止到2000年，巴西的燃料乙醇总产量已经达到793万吨，约占巴西汽油消耗量的三分之一；燃料乙醇在美国的销售量达到559万吨，年均增长率为20% 。美国主要是以玉米为原料来生产乙醇，所消耗的玉米量占全美玉米总产量的7~8 % (Gongetal.1999)。不过随着世界人口的增加以及耕地的减少，粮食成为了人们关注的问题，把粮食转化为生物燃料成为人们进退两难的选择，尤其使得一些以玉米为主要饲料甚至作为人类主粮的地区的人们非常不满。到2006年，生产燃料乙醇所消耗的玉米总量己占玉米总产量的12% ，有反对者认为大量使用燃料乙醇就是以“饿死穷人”的代价去“喂饱汽车”，这将造成世界超过20亿的贫困人口与8亿机动车主大规模地争夺粮食[4]。因此，考虑到原料问题，传统的酒精生产工艺已经不能满足现在的需要，从长远考虑，必须寻找丰富而且价格低廉的原料。经过研究得出用来源广泛并且价格低廉的纤维素替代粮食生产燃料乙醇是个很好的办法，这项研究也成为近些年的热点[5]。

木质纤维素类生物质是地球上最丰富的可再生资源，可以从各类农林废弃物中得到，例如玉米秸秆，以其为原料来生产燃料乙醇，不仅可以解决当前以淀粉等粮食类原料生产燃料乙醇产生的诸多争论问题，而且可以推进农村农业经济发展，实现废弃物的可循环利用。酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）是工业上生产乙醇的优良菌株，能发酵葡萄糖生产乙醇，然而却不能很好的利用木质纤维素水解液中的大量木糖【6】，因此能够高效利用木糖生产乙醇菌株的选育或者菌株的改造, 促进木糖向乙醇的生物转化，成为提高木质纤维素类生物质资源生产燃料乙醇的关键要素之一。毕赤酵母属的 Pichia Stipitis 和念珠菌属的 Candida sheathe 等能够发酵木糖生产乙醇，但是这些菌株对乙醇的耐受力较差，导致乙醇的产量不是很高。目前的研究主要是将毕赤酵母的木糖还原酶基因（xyl1）和木糖醇脱氢酶基因（xyl2）导入酿酒酵母，结合二者优点使酿酒酵母能有效发酵木糖，提高乙醇产率[6,7]，但是却发现这些重组菌株发酵木糖能力较弱。研究显示由于木糖还原酶（xylose reductase, XR）和木糖醇脱氢酶（xylitol dehydrogenase, XDH）的活性分别依赖辅酶NADPH和赖辅酶 NAD+[3-5]，两者的辅助因子不同导致胞内氧化还原失衡，造成木糖醇的累积，从而影响木糖代谢，减少乙醇的产生，这是目前酿酒酵母发酵木糖生产乙醇的一个主要限制因素[6, 8]。有人曾经试图通过改变菌种的遗传背景而使木糖代谢过程中细胞内氧化还原状态维持平衡，如在敲除6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶基因(GDN1)或6-磷酸葡萄糖脱氢酶基因(ZWF1)的酿酒酵母中同时超表达外源XYL1、XYL2及自身的木酮糖激酶基因(XKS1)，分别构建了重组酿酒酵母 TMB3255 和 TMB3008，其乙醇产率均显著提高。在敲除ZWF1 基因构建的工程菌 TMB3255 中，最高乙醇产量达0.41 g/g，木糖醇产量最低为0.05g/g，但这些突变同时降低了木糖的吸收速率[9]。

在酿酒酵母中引入木糖异构酶基因(XYLA)是使其获得代谢木糖能力的又一途径。经过对表达 XYLA 的酿酒酵母进行进化工程改造，获得了能在木糖上厌氧生长并产乙醇的菌株 RWB-202-AFX[10]。为了进一步提高乙醇产率，除了表达XYLA 基因，Kuyper等[11]又将从

木糖转化到糖酵解中间产物所需的全部基因均过量表达，同时将酿酒酵母的醛糖还原酶基因 GRE3 敲除以减少木糖醇产生而得到重组菌 RWB217，其利用木糖产乙醇能力可达 0.43 g/g，乙醇产生速度达到0.46 g/(g·h)。由于通过木糖异构酶将木糖转变为木酮糖仅需要一步反应且不需任何辅酶，所以这一路径的开拓是十分有意义的。

展望

经济的发展必将要求更多的能源供应，而酒精是个很好的选择，因此酒精需求的剧增将刺激酒精生产的技术改进和突破，提高酒精产量。作为地球上最丰富的可再生资源木质纤维素，是生产乙醇的优质材料，关键是开发出能高效发酵木糖生产乙醇的微生物菌种，人们通过对酿酒酵母的改造，已经构建成功可以代谢木糖和葡萄糖产乙醇的菌种，但是还是有些问题需要解决，例如乙醇产量低，副产物多等，现在人们仍在继续研究，以提高产乙醇能力。

随着能源价格的不断上涨以及温室效应的加剧，利用木质纤维素生产燃料乙醇已经成为各国的研究热点，最终必将能够改造成功高发酵乙醇能力的菌种，以满足现在世界的需求。

参考文献：

[1]纪占武，郑文范.关于发展生物能源化解能源危机的思考[J].东北大学学报(社会科学版)，2009，11(6):490一495.

[2]SunY，ChengJ.HydrolysisoflingocellulosiematerialsforethanolProduction[J].Biomass Teclmology， 2002，83:3一9.

[3]Sun Y, Cheng J. Hydrolysis of lignoeellulosie materials for ethanol production :Areview[J].Bioresource Technology, 2002, 83 (1): 1一11.

[4] Anderlund M, Radstrom P，Hahn2Hagerdal B et al .Expression of bifunctional enzymes with xylose reductase and xylitol dehydrogenase activity in Saccharomyces cerevisiae alters product formation during xylose fermentation. Metabolic Engineering ,2001 ,3 (3) :226一235

[5] Anna Eliasson_, Jan-Hendrik S .Hofmeyr, Scott Pedler et al .The xylose reductase/xylitol dehydrogenase/xylulokinase ratio affects product formation in recombinant xylose-utilising Saccharomyces cerevisiae [J] Enzyme and Microbial Technology 29 (2001) 288-297

[6]Lin Y, Tanaka S. Ethanol fermentation from biomass resources: current state andprospects. Applied microbiology and biotechnology. 2006, 69: 627-642

[7]Farrell A E, Plevin R J, Turner B T, et al. Ethanol can contribute to energy and

environmental goals. Science. 2006, 311: 506-508

[8] Jeffries T W, Jin Y S. Metabolic engineering for improved fermentation of

pentoses by yeasts[J]. Appl Microbiol Biotechnol, 2004, 63(5): 495～509

[9] Jeppson M, Johansson B, Hahn-Hagerdal B, et al. Re-duced oxidative pentose phosphate

pathway flux in recombinant xylose-utilizing Saccharomyces cerevisiae strains improves the ethanol yield from xylose. J Appl Environ Microbiol, 2002, 68: 1604 1609.

[10] Kuyper M, Winkler AA, VanDijken JP, et al. Minimal metabolic engineering of Saccharomyces cerevisiae for efficient anaerobic xylose fermentation: a proof of principle. J FEMS Yeast Res, 2004, 4: 655 664.

[11] Kuyper M, Hartog MM, Toirkens MJ, et al. Metabolic engineering of a xylose isomerase expressing Saccharomyces cerevisiae strain for rapid anaerobic xylose fermentation. J FEMS Yeast Res, 2005, 5: 399 409