木质纤维素水解液中抑制物对酿酒酵母发酵的影响及应对措施概述

张译之

摘 要：木质纤维素是一种典型的生物质，微生物可将其转化为燃料乙醇。在木质纤维素的资源化利用过程中，酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）是常用菌种之一，可代谢木质纤维素水解液的主要有机质组分（糖类）产生乙醇。研究表明多种物质影响酿酒酵母的代谢活性，降低木质纤维素的转化效率，全面了解抑制物的种类和应对措施对木质纤维素分解工艺的调控优化具有重要意义。文章概述了木质纤维素水解液中常见的抑制物种类，不同抑制物对酿酒酵母的影响以及减少抑制物对酿酒酵母代谢过程的抑制作用的方法。

关键词：木质纤维素水解液；抑制物；酿酒酵母

引言

我国每年产生数量庞大的固体废弃物，焚烧已成为最常见的固废处置方式，该方式不仅浪费资源，还严重影响空气质量。报道显示微生物可将生物质转化为液态、气态的燃料，具有能耗低、转化效率高和不产生二次污染等优点，因此，以生物质材料作为原材料开发新能源已受到世界范围的关注[1]。

农作物秸秆和木材废弃物在固体废弃物中占重要地位，其主要成分是木质纤维素。木质纤维素是一种典型的生物质，利用微生物代谢木质纤维素产生清洁能源已成为研究热点之一。目前，酿酒酵母产乙醇被广泛应用于木质纤维素的资源化处理工艺，其具有成本低、原料丰富等优点。在酿酒酵母利用木质纤维素发酵之前，需对木质纤维素进行预处理和糖化，此时木质纤维素中的纤维素与半纤维素等转化为可发酵糖，在纤维素与半纤维素等大分子物质的分解过程中，引入了一些小分子化合物，这些物质对发酵有抑制作用，统称为抑制物。

1 抑制物的种类及抑制作用

木质纤维素水解液中的抑制物大致分为三类：弱酸类、呋喃类和酚类化合物。弱酸类主要包括甲酸、乙酸和乙酰丙酸，弱酸会破坏细胞内外的渗透压平衡，并进入细胞内部，这部分弱酸在细胞内部进一步解离，使得细胞内环境酸化，影响细胞内部的酶促反应，最终抑制细胞的生长[2]。呋喃类抑制物主要是糠醛和HMF，这类物质对微生物中的乙醇脱氢酶、丙酮酸脱氢酶和醛脱氢酶产生抑制，减缓酿酒酵母的生长；醛类抑制物会产生细胞内活性氧，导致DNA分解，进而阻碍RNA和蛋白质的合成[3、4]。相对于其他类型抑制物，酚类抑制物的毒性更强，低浓度的酚类就可以抑制酿酒酵母的生长，研究表明，低分子量的酚类化合物对酿酒酵母生长具有更高的抑制作用[5]。

2 降低抑制物对酿酒酵母抑制作用的措施

2.1 木质纤维素水解液脱毒

发酵前对木质纤维素水解液进行脱毒是降低抑制物抑制作用的有效途径。脱毒方法主要分为物理法、化学法和生物法，物理方法包括真空干燥浓缩、蒸煮、活性炭吸附、离子交换吸附和溶剂萃取等，这些方法可将水解液中的有毒物质在不改变分子结构的前提下去除，不同处理方法的去除效率具有差异[6]。化学方法是利用各种碱性物质（如NH4OH、NaOH、Ca（OH）2等）及过量石灰法对水解液进行处理，通过化学反应改变水解液中的成分以降低抑制物毒性[7]。生物方法是利用特定酶或微生物脱毒，其中，漆酶是一种常用的脱毒酶，通过氧化聚合反应将毒性较高的小分子量酚类化合物转化为毒性较低的大分子量酚类化合物[8]。

2.2 提高酿酒酵母对抑制物的耐受性

除了减少木质纤维素水解液中的有毒物质，还可提高酿酒酵母对抑制物的耐受性，目前比较常用的方法是基因工程方法、诱变方法和驯化育种方法。基因工程方法是通过添加、敲除或高表达某一种或几种与抑制物代谢相关的基因以提高酿酒酵母对抑制物的耐受性的方法。改造基因可以直接、快速地使酿酒酵母表现出我们所期望的特性，但木质纤维素水解液中的抑制物种类繁多，基因工程方法难以使得酿酒酵母同时具有多种抑制物耐受性，且酿酒酵母的新陈代谢途径复杂，改造基因可能使得酿酒酵母失去原本的优良特性[9]。诱变方法以自然突变为依据，利用诱变剂加快酿酒酵母细胞基因突变的速度，在短时间内产生大量突變型酿酒酵母，经过进一步的筛选，可获得具有抑制物耐受性的酿酒酵母，而诱变方法具有不确定性和诱变范围广等缺陷，因此需大量的诱变型细胞增加获得目标菌株的几率，且诱变剂可能损坏出发菌株原始基因，丢失优良特性。驯化育种是一种模拟自然选择的过程，根据生物和环境共同进化的规律，对微生物施与一定的选择压力，使得微生物在自然突变的基础上定向进化。驯化方法中存在的环境压力使得微生物突变具有明确方向，可在短时间内富集突变子，在长期的驯化过程中，菌株的优良性质可以在代际之间传递，增加了优良性质的稳定性[10]；驯化育种的不足之处在于菌株的突变机理尚未明确，难以通过其他手段获得该菌株。

3 结束语

木质纤维素水解液中的抑制物会影响酿酒酵母的发酵效率，降低代谢产物乙醇的浓度，因此需采取措施降低抑制物对酿酒酵母的抑制作用。将水解液脱毒与酿酒酵母改进进行对比，水解液的脱毒成本较高，不利于木质纤维素资源化利用的工业化发展，因此有必要提高酿酒酵母对抑制物的耐受性。木质纤维素水解液中抑制物的组分与原材料种类和预处理方式密切相关，不同改良酿酒酵母的方法各有其优缺点，在实际应用中可将多种方式有效结合，有利于获得具有较高耐受性的酿酒酵母。

参考文献

[1]钱伯章.生物质能技术与应用[M].北京：科学出版社，2010.

[2]Palmqvist，E.，Hahn-H gerdal，B.Fermentation of lignocellulosic hydrolysates.II：Inhibitors and mechanisms of inhibition. Bioresour[J].Technol，2000（74）：25-33.

[3]Almeida J R M，Modig T，Petersson A， et al.Increased tolerance and conversion of inhibitors in lignocellulosic hydrolysates by Saccharomyces cerevisiae [J].Journal of chemical technology and biotechnology，2007，82（4）：340-349.

[4]Ma M，Liu Z L.Comparative transcriptome profiling analyses during the lag phase uncover YAP1，PDR1，PDR3，RPN4，and HSF1 as key regulatory genes in genomic adaptation to the lignocellulose derived inhibitor HMF for Saccharomyces cerevisiae [J].BMC genomics，2010，11（1）：660.

[5]Palmqvist E，Hahn-H gerdal B.Fermentation of lignocellulosic hydrolysates.II：inhibitors and mechanisms of inhibition[J].Bioresour Technol，2000，74（1）：25-33.

[6]Almeida JRM，Bertilsson M，Gorwa-Grauslund MF，et al. Metabolic effects of furaldehydes and impacts on biotechnological processes[J].Appl Microbiol Biotechnol，2009，82（4）：625-638.

[7]Palmqvist E，Hahn-Hagerdal B.Fermentation of lignocellulosic hydrolysates. I：inhibition and detoxification[J].Bioresour Technol，2000，74（1）：17-24.

[8]Larsson S，Cassland P，Jonsson LJ.Development of a Saccharomycescerevisiae strain with enhanced resistance to phenolic fermentation inhibitors in lignocellulose hydrolysates by heterologous expression of laccase[J].Appl Environ Microbiol，2001，67（3）：1163-1170.

[9]Jeffries TW，Shi NQ.Genetic engineering for improved Xylose fermentation by yeasts[J].Advances in Biochemical Engeering Biotechnology，1999（65）：117-161.

[10]丁明珠.酵母對纤维素水解液中复合抑制剂耐受的系统分析与解耦[D].天津：天津大学，2011.