新型產(chǎn)油酵母菌讓生物燃料物美價廉

相對于開發(fā)其他新能源資源，將已有資源更有效地利用也不失為解決能源危機(jī)的好辦法。近日，中科院大連化學(xué)物理研究所生物質(zhì)轉(zhuǎn)化研究組就成功地篩選出一種生長旺盛、性能穩(wěn)定的產(chǎn)油酵母菌。它對轉(zhuǎn)化木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)為能源產(chǎn)品具有特別重要的意義。這種酵母菌究竟有何與眾不同之處？它對發(fā)展第二代生物燃料有何益處？除此之外，它還有哪些潛力？記者就此采訪了這項(xiàng)課題的研究專家。

這種酵母不挑食葡萄糖、木糖都能吃

記者：趙教授您好！首先祝賀您領(lǐng)導(dǎo)的研究組近日發(fā)現(xiàn)能夠有效提高生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化效率的一種新產(chǎn)油酵母菌。這是一個喜訊，在能源問題日益突出的大環(huán)境下，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)對第二代生物燃料研究具有重要意義。那么您能為我們簡單介紹一下這種酵母菌嗎？

趙宗保：好的。首先我想告訴大家的是，木質(zhì)纖維素生物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，其水解產(chǎn)物具有葡萄糖和木糖并存的基本特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)葡萄糖和木糖的利用是將生物質(zhì)水解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為液體燃料面臨的共性難題之一，原因在于多數(shù)微生物在葡萄糖和木糖共存的條件下優(yōu)先利用葡萄糖，造成木糖利用效率低甚至利用不*。因此，獲得能夠同步且利用葡萄糖和木糖的菌株對于提高該過程的經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。

我們研究組通過模擬天然木質(zhì)纖維素中葡萄糖和木糖共存的特性，利用葡萄糖和木糖作為底物，在兩者同時存在的條件下，對多株產(chǎn)油酵母的生長、油脂積累和糖利用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了皮狀絲孢酵母TrichosporoncutaneumAS2.571能夠同步利用葡萄糖和木糖積累油脂。

記者：也就是說皮狀絲孢酵母與其他產(chǎn)油酵母“進(jìn)食”的順序不同？

趙宗保：是的。我們在研究中發(fā)現(xiàn)，一些產(chǎn)油酵母在以葡萄糖或木糖作為單一原料時，均能夠?qū)⑦@些糖“吃掉”。但當(dāng)葡萄糖和木糖同時存在時，葡萄糖則優(yōu)先于木糖被“吃掉”，只有當(dāng)葡萄糖全部被“吃掉”或低于一定的濃度時酵母菌才開始“吃”木糖。

皮狀絲孢酵母在以葡萄糖或木糖作為單一原料時，也具有同樣的效果。但是當(dāng)葡萄糖和木糖同時存在時，葡萄糖和木糖則能夠被同步利用，不存在哪一種糖被先“吃掉”的問題。且無論底物中葡萄糖和木糖的比例如何，葡萄糖和木糖的消耗均是同步進(jìn)行，并被轉(zhuǎn)化成油脂儲存在細(xì)胞內(nèi)。

記者：為什么其他產(chǎn)油酵母菌不能同時“享用”木糖和葡萄糖呢？

趙宗保：在生物燃料及生物基化學(xué)品（如燃料乙醇、琥珀酸等）的生產(chǎn)中，葡萄糖和木糖不能轉(zhuǎn)化是一個共性問題。很多研究工作將木糖代謝途徑在工業(yè)菌株中表達(dá)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)木糖在微生物體內(nèi)代謝，但是通常效率較低。原因在于，微生物對木糖的利用不僅局限于代謝途徑不完整，而且也缺乏的木糖轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。木糖轉(zhuǎn)運(yùn)通常是借助于葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，所以木糖利用總是受到葡萄糖限制。

記者：植物木質(zhì)纖維素中的木糖和葡萄糖哪個所占的比例會更高一些？

趙宗保：剛才說過，木質(zhì)纖維素生物質(zhì)主要包括三部分。其中纖維素主要由葡萄糖構(gòu)成，半纖維素的主要成分是木糖。因原料和產(chǎn)地不同，葡萄糖和木糖含量會有所不同，木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中葡萄糖含量要高于木糖，其比例約為2:1。以東北玉米秸稈為例，葡萄糖含量約在40%左右，木糖含量約在20%左右。

提高木糖利用率工業(yè)、農(nóng)業(yè)都受益

記者：這種酵母菌在自然界中廣泛存在嗎？

趙宗保：微生物存在易變異、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。在自然界中由于環(huán)境條件差異，微生物往往通過調(diào)整自身代謝來適應(yīng)外界環(huán)境改變。因此，即使同一種類微生物在不同環(huán)境條件下其遺傳性狀也有很大差別。自然界確實(shí)存在一些可以同步利用葡萄糖或木糖的菌株，需要我們?nèi)グl(fā)掘。我們組所發(fā)現(xiàn)的皮狀絲孢酵母恰好是一種性狀特殊的產(chǎn)油酵母。

記者：未來我們將如何大量培育這種酵母菌？

趙宗保：可以在其適宜條件下，通過采用合適的培養(yǎng)方式來大量培養(yǎng)皮狀絲孢酵母。可采用的方法有補(bǔ)料-批式發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵等。在補(bǔ)料-批式發(fā)酵中，為了減少底物對菌體生長的影響，通過分批次地把底物投到生物反應(yīng)器中，從而獲得大量菌體。在連續(xù)發(fā)酵中，將底物連續(xù)加入到生物反應(yīng)器中，同時以同樣速度排出含有菌體的發(fā)酵液，這樣在生物反應(yīng)器中菌體就會持續(xù)的利用新加入的原料進(jìn)行生長和油脂合成。

記者：如何提煉酵母菌胞內(nèi)積累的油脂，使其成為生物柴油呢？

趙宗保：微生物油脂是一種貯存于細(xì)胞內(nèi)的產(chǎn)物，其主要成分是14-18個碳的脂肪酸甘油酯?？梢酝ㄟ^物理方法對油脂進(jìn)行提取，如壓榨法提取，利用機(jī)械壓力將細(xì)胞內(nèi)油脂擠出。也可以采用化學(xué)方法對這些油脂進(jìn)行提取。提取所獲得的油脂作為原料和甲醇或乙醇等低碳醇在催化劑的作用下合成脂肪酸酯，再經(jīng)洗滌干燥，便獲得了生物柴油。

記者：酵母菌胞內(nèi)積累的油脂除作為燃料外，還可以用于生產(chǎn)哪些重要的產(chǎn)品？

趙宗保：油脂作為一種重要的化工原料，其用途十分廣泛。除用于生產(chǎn)生物柴油外，還可以用于日化洗滌用品和化學(xué)工業(yè)中。日化洗滌用品中的肥皂、洗滌劑以及一些化妝品，化學(xué)工業(yè)中的環(huán)氧化油脂，二元脂肪酸和二聚脂肪酸等，這些均可以微生物油脂為原料來生產(chǎn)。此外，這種油脂還可以用于涂料和染料行業(yè)。

記者：這種酵母菌同時利用木糖和葡萄糖的能力，將提升哪些植物轉(zhuǎn)化為生物燃料的效率？

趙宗保：我國是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國，木質(zhì)纖維素生物質(zhì)資源相對豐富，但利用度低。每年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中約有7億噸秸稈產(chǎn)生，這些秸稈主要包括玉米秸稈、小麥秸稈和水稻秸稈等。這些秸稈水解產(chǎn)物中葡萄糖和木糖共存，雖然葡萄糖能夠被有效利用，但木糖利用效率較低，且其利用滯后于葡萄糖，因此降低了木質(zhì)纖維素生物質(zhì)利用效率。該菌株的發(fā)現(xiàn)將有利于這些提高木質(zhì)纖維素生物質(zhì)制備生物燃料的效率。

降低成本、提率微生物油脂生產(chǎn)將提速

記者：這個發(fā)現(xiàn)將帶動哪些相關(guān)科技產(chǎn)生“連鎖反應(yīng)”呢？

趙宗保：這種產(chǎn)油酵母菌的發(fā)現(xiàn)使得混合糖同步轉(zhuǎn)化技術(shù)更上一層樓。

因?yàn)橥嚼镁陸?yīng)用于補(bǔ)料—批式發(fā)酵具有明顯優(yōu)勢。無論何時補(bǔ)料，料液中葡萄糖和木糖組成都是一定的，菌株在這樣一個較為穩(wěn)定的培養(yǎng)基中生長，不會因?yàn)闂l件改變而出現(xiàn)延滯期；而且由于菌株對兩種底物的利用能力相當(dāng)，能夠*實(shí)現(xiàn)底物的轉(zhuǎn)化。

之前，在連續(xù)發(fā)酵過程中，為避免葡萄糖被過早消耗，而造成培養(yǎng)基中逐步積累木糖或營養(yǎng)基成分不穩(wěn)定，科研人員要通過稀釋率來控制木糖的消耗比例。過低的稀釋率就造成設(shè)備利用率低，不利于生產(chǎn)的循環(huán)。

同步利用菌株的發(fā)現(xiàn)，提高了連續(xù)培養(yǎng)在混合糖發(fā)酵中的應(yīng)用價值。無論稀釋速率如何控制，葡萄糖和木糖都以一定的比例消耗，培養(yǎng)基成分恒定，易于達(dá)到穩(wěn)態(tài)；而且，該菌株對葡萄糖和木糖的利用能力幾乎相同，在整個過程中始終保持較高細(xì)胞活性，有利于產(chǎn)物的合成。

記者：這種產(chǎn)油酵母菌將產(chǎn)生哪些經(jīng)濟(jì)效益呢？

趙宗保：制約微生物油脂發(fā)展的一個關(guān)鍵問題就是其原料成本過高。該菌株的發(fā)現(xiàn)為玉米秸稈、小麥秸稈等價格低廉的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的有效利用提供了可能，拓展了微生物油脂原料的來源。

此外，目前生物柴油所用原料主要來源于植物性油脂、動物性脂肪和廢棄的油脂，由于這些油脂資源受到自身生產(chǎn)條件的制約，很難滿足規(guī)?；锊裼蜕a(chǎn)的需求。同步利用菌株提高了便于工業(yè)化生產(chǎn)的微生物油脂的能力，為生物柴油的制備提供了原料保障。

記者：您覺得未來對這項(xiàng)課題的研究將會沿著什么樣的思路繼續(xù)發(fā)展下去？

趙宗保：目前，我們僅獲得了能夠同步利用葡萄糖和木糖的菌株，該項(xiàng)研究還處在起步階段。在未來的研究工作中我們將主要集中在兩個方面：

一是葡萄糖和木糖同步利用的機(jī)理研究。一些研究人員將木糖代謝基因在工業(yè)菌株中表達(dá)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)木糖在微生物體內(nèi)代謝，但是通常效率較低。如果能夠清楚該酵母中葡萄糖和木糖同步利用的機(jī)理，將有望實(shí)現(xiàn)工業(yè)菌株對葡萄糖和木糖的同步且利用。

二是基于葡萄糖和木糖的同步利用，進(jìn)行木質(zhì)纖維素生物質(zhì)水解和發(fā)酵工藝整合。木質(zhì)纖維素首先要預(yù)處理得到以木糖為主的水解液，再經(jīng)過水解得到以葡萄糖為主的水解液，zui后微生物利用水解獲得的單糖進(jìn)行微生物轉(zhuǎn)化才能合成目標(biāo)產(chǎn)物。如果能夠?qū)⒛举|(zhì)纖維素水解和油脂發(fā)酵在一個過程中實(shí)現(xiàn)，無疑將顯著縮短生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程，降低微生物油脂成本。