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为解决木质纤维素乙醇商业化生产中酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）利用木糖效率低、生产流程成本高等问题，研究人员开展工程菌构建及工艺优化研究。构建出高效利用木糖的酿酒酵母菌株，建立低成本生产工艺，为商业化生产提供框架。
研究背景
在能源领域，自蒸汽时代以来，化石资源一直是现代文明能源供应的基石。然而，随着时间的推移，其有限性逐渐凸显，过度消耗化石资源所带来的温室气体排放问题，更是给人类社会的可持续发展蒙上了阴影。在此背景下，寻找可再生能源迫在眉睫。生物质能源因其兼具能源和材料的双重潜力，受到了广泛关注。其中，木质纤维素生物质作为第一代生物炼制中淀粉和蔗糖的替代原料，不仅储量丰富，还不会与人类粮食供应产生竞争，被视为未来生物炼制的最有前景的原料。
在当前的木质纤维素生物炼制领域，木质纤维素乙醇被认为是最具大规模商业化潜力的产品。它的发酵过程相对简单，生产效率高，分离也较为容易，并且市场需求巨大。在众多能够生产乙醇的微生物中，酿酒酵母凭借其生长迅速、乙醇生产速率和产量高、污染风险低以及对环境压力耐受性强等优势，成为工业应用中的首选。但美中不足的是，酿酒酵母无法代谢木质纤维素生物质中第二丰富的成分 —— 木糖，这严重阻碍了其在第二代生物炼制中的应用。此外，现有的木质纤维素生物炼制过程中，为了达到理想的预处理和酶水解效果，常常需要进行洗涤和解毒步骤，这无疑增加了生产成本。同时，为了保证发酵菌株在木质纤维素水解物中的生存和高代谢活性，还需要添加昂贵的营养物质，这进一步推高了成本。因此，开发高效利用木糖的酿酒酵母菌株，设计低成本的生产工艺，成为木质纤维素乙醇商业化生产的关键所在。
研究概况
为了解决上述问题，国内研究人员开展了一系列研究。他们通过将人工祖先木糖异构酶整合到二倍体酿酒酵母基因组中，再经过实验室进化和菌落筛选，成功开发出了三种高效利用木糖的酿酒酵母菌株。之后，研究人员又建立了一种实用的木质纤维素乙醇生产工艺。该研究成果为推进木质纤维素乙醇的商业化生产提供了实用的框架和宝贵的见解，相关论文发表在《Bioresource Technology》。
在研究方法上，研究人员首先选用了三种二倍体酿酒酵母菌株 CRD3、M2 和 16 - 4 作为底盘细胞，用于整合祖先木糖异构酶。通过将人工构建的祖先木糖异构酶正交导入这些底盘菌株，获得重组菌株。接着，利用自适应实验室进化进一步提高重组菌株的木糖利用能力，最终通过菌落测试和稳定性评估筛选出高效重组菌株。在建立生产工艺时，采用 DLC (sa) 预处理（以硫酸为试剂对木质纤维素生物质进行致密化处理），降低纤维素酶用量至每克纤维素 14.81 FPU，并且省去了洗涤和解毒步骤，以及额外添加氮源的需求。
研究结果
- 高效利用木糖的酿酒酵母菌株构建：通过将祖先木糖异构酶整合到酿酒酵母基因组，并经过实验室进化和筛选，得到了三种高效利用木糖的菌株。这些菌株能够在 14 小时内消耗 40 g/L 的木糖，并且在 18 小时内消耗 80 g/L 葡萄糖和 40 g/L 木糖的混合物，其木糖利用能力在木糖、人工水解物和真实玉米秸秆水解物中均得到了验证。
- 实用木质纤维素乙醇生产工艺的建立：研究人员建立的生产工艺，利用未洗涤玉米秸秆制备的 30 wt% 水解物进行发酵，最终产生了 54.8 g/L 的乙醇。进一步分析发现，酿酒酵母能够利用水解物中天然存在的氮源进行细胞生长和代谢，这意味着在生产过程中无需额外添加氮源，降低了成本。
研究结论与讨论
本研究成功构建了三种高效利用木糖的酿酒酵母菌株，显著提升了其木糖利用能力。同时，开发出的经济可行的木质纤维素乙醇生产工艺，不仅减少了预处理和发酵过程中的步骤，降低了纤维素酶用量，还利用了水解物中的天然氮源，极大地降低了生产成本。这一研究成果为木质纤维素乙醇的商业化生产提供了重要的实践指导和理论依据，为实现更可持续、经济可行的生物燃料技术奠定了坚实基础。它在生物能源领域具有重要的应用前景，有望推动木质纤维素乙醇产业的发展，缓解能源危机和环境压力。
