新型產油酵母菌讓生物燃料物美價廉

相對于開發其他新能源資源，將已有資源更有效地利用也不失為解決能源危機的好辦法。近日，中科院大連化學物理研究所生物質轉化研究組就成功地篩選出一種生長旺盛、性能穩定的產油酵母菌。它對轉化木質纖維素類生物質為能源產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！首先祝賀您領導的研究組近日發現能夠有效提高生物質能轉化效率的一種新產油酵母菌。這是一個喜訊，在能源問題日益突出的大環境下，這項發現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，木質纖維素生物質主要由纖維素、半纖維素和木質素組成，其水解產物具有葡萄糖和木糖并存的基本特點。實現葡萄糖和木糖的利用是將生物質水解產物轉化為液體燃料面臨的共性難題之一，原因在于多數微生物在葡萄糖和木糖共存的條件下優先利用葡萄糖，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濟性至關重要。

我們研究組通過模擬天然木質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，對多株產油酵母的生長、油脂積累和糖利用進行了研究，發現了皮狀絲孢酵母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油酵母“進食”的順序不同？

趙宗保：是的。我們在研究中發現，一些產油酵母在以葡萄糖或木糖作為單一原料時，均能夠將這些糖“吃掉”。但當葡萄糖和木糖同時存在時，葡萄糖則優先于木糖被“吃掉”，只有當葡萄糖全部被“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行，并被轉化成油脂儲存在細胞內。

記者：為什么其他產油酵母菌不能同時“享用”木糖和葡萄糖呢？

趙宗保：在生物燃料及生物基化學品（如燃料乙醇、琥珀酸等）的生產中，葡萄糖和木糖不能轉化是一個共性問題。很多研究工作將木糖代謝途徑在工業菌株中表達，雖然能夠實現木糖在微生物體內代謝，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運系統。木糖轉運通常是借助于葡萄糖轉運系統實現，所以木糖利用總是受到葡萄糖限制。

記者：植物木質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，木質纖維素生物質主要包括三部分。其中纖維素主要由葡萄糖構成，半纖維素的主要成分是木糖。因原料和產地不同，葡萄糖和木糖含量會有所不同，木質纖維素生物質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、農業都受益

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、適應性強等特點。在自然界中由于環境條件差異，微生物往往通過調整自身代謝來適應外界環境改變。因此，即使同一種類微生物在不同環境條件下其遺傳性狀也有很大差別。自然界確實存在一些可以同步利用葡萄糖或木糖的菌株，需要我們去發掘。我們組所發現的皮狀絲孢酵母恰好是一種性狀特殊的產油酵母。

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方式來大量培養皮狀絲孢酵母。可采用的方法有補料-批式發酵、連續發酵等。在補料-批式發酵中，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器中，從而獲得大量菌體。在連續發酵中，將底物連續加入到生物反應器中，同時以同樣速度排出含有菌體的發酵液，這樣在生物反應器中菌體就會持續的利用新加入的原料進行生長和油脂合成。

記者：如何提煉酵母菌胞內積累的油脂，使其成為生物柴油呢？

趙宗保：微生物油脂是一種貯存于細胞內的產物，其主要成分是14-18個碳的脂肪酸甘油酯。可以通過物理方法對油脂進行提取，如壓榨法提取，利用機械壓力將細胞內油脂擠出。也可以采用化學方法對這些油脂進行提取。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，再經洗滌干燥，便獲得了生物柴油。

記者：酵母菌胞內積累的油脂除作為燃料外，還可以用于生產哪些重要的產品？

趙宗保：油脂作為一種重要的化工原料，其用途十分廣泛。除用于生產生物柴油外，還可以用于日化洗滌用品和化學工業中。日化洗滌用品中的肥皂、洗滌劑以及一些化妝品，化學工業中的環氧化油脂，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。此外，這種油脂還可以用于涂料和染料行業。

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

趙宗保：我國是傳統農業大國，木質纖維素生物質資源相對豐富，但利用度低。每年農業生產中約有7億噸秸稈產生，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，因此降低了木質纖維素生物質利用效率。該菌株的發現將有利于這些提高木質纖維素生物質制備生物燃料的效率。

降低成本、提率微生物油脂生產將提速

記者：這個發現將帶動哪些相關科技產生“連鎖反應”呢？

趙宗保：這種產油酵母菌的發現使得混合糖同步轉化技術更上一層樓。

因為同步利用菌株應用于補料—批式發酵具有明顯優勢。無論何時補料，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定的培養基中生長，不會因為條件改變而出現延滯期；而且由于菌株對兩種底物的利用能力相當，能夠*實現底物的轉化。

之前，在連續發酵過程中，為避免葡萄糖被過早消耗，而造成培養基中逐步積累木糖或營養基成分不穩定，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備利用率低，不利于生產的循環。

同步利用菌株的發現，提高了連續培養在混合糖發酵中的應用價值。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，培養基成分恒定，易于達到穩態；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胞活性，有利于產物的合成。

記者：這種產油酵母菌將產生哪些經濟效益呢？

趙宗保：制約微生物油脂發展的一個關鍵問題就是其原料成本過高。該菌株的發現為玉米秸稈、小麥秸稈等價格低廉的木質纖維素生物質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條件的制約，很難滿足規?；锊裼蜕a的需求。同步利用菌株提高了便于工業化生產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：您覺得未來對這項課題的研究將會沿著什么樣的思路繼續發展下去？

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理研究。一些研究人員將木糖代謝基因在工業菌株中表達，雖然能夠實現木糖在微生物體內代謝，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理，將有望實現工業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，進行木質纖維素生物質水解和發酵工藝整合。木質纖維素首先要預處理得到以木糖為主的水解液，再經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行微生物轉化才能合成目標產物。如果能夠將木質纖維素水解和油脂發酵在一個過程中實現，無疑將顯著縮短生物質轉化過程，降低微生物油脂成本。