木質(zhì)纖維素水解液中抑制物對釀酒酵母發(fā)酵的影響及應(yīng)對措施概述

張譯之

摘 要：木質(zhì)纖維素是一種典型的生物質(zhì)，微生物可將其轉(zhuǎn)化為燃料乙醇。在木質(zhì)纖維素的資源化利用過程中，釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）是常用菌種之一，可代謝木質(zhì)纖維素水解液的主要有機(jī)質(zhì)組分（糖類）產(chǎn)生乙醇。研究表明多種物質(zhì)影響釀酒酵母的代謝活性，降低木質(zhì)纖維素的轉(zhuǎn)化效率，全面了解抑制物的種類和應(yīng)對措施對木質(zhì)纖維素分解工藝的調(diào)控優(yōu)化具有重要意義。文章概述了木質(zhì)纖維素水解液中常見的抑制物種類，不同抑制物對釀酒酵母的影響以及減少抑制物對釀酒酵母代謝過程的抑制作用的方法。

關(guān)鍵詞：木質(zhì)纖維素水解液；抑制物；釀酒酵母

引言

我國每年產(chǎn)生數(shù)量龐大的固體廢棄物，焚燒已成為最常見的固廢處置方式，該方式不僅浪費(fèi)資源，還嚴(yán)重影響空氣質(zhì)量。報道顯示微生物可將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液態(tài)、氣態(tài)的燃料，具有能耗低、轉(zhuǎn)化效率高和不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點，因此，以生物質(zhì)材料作為原材料開發(fā)新能源已受到世界范圍的關(guān)注[1]。

農(nóng)作物秸稈和木材廢棄物在固體廢棄物中占重要地位，其主要成分是木質(zhì)纖維素。木質(zhì)纖維素是一種典型的生物質(zhì)，利用微生物代謝木質(zhì)纖維素產(chǎn)生清潔能源已成為研究熱點之一。目前，釀酒酵母產(chǎn)乙醇被廣泛應(yīng)用于木質(zhì)纖維素的資源化處理工藝，其具有成本低、原料豐富等優(yōu)點。在釀酒酵母利用木質(zhì)纖維素發(fā)酵之前，需對木質(zhì)纖維素進(jìn)行預(yù)處理和糖化，此時木質(zhì)纖維素中的纖維素與半纖維素等轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖，在纖維素與半纖維素等大分子物質(zhì)的分解過程中，引入了一些小分子化合物，這些物質(zhì)對發(fā)酵有抑制作用，統(tǒng)稱為抑制物。

1 抑制物的種類及抑制作用

木質(zhì)纖維素水解液中的抑制物大致分為三類：弱酸類、呋喃類和酚類化合物。弱酸類主要包括甲酸、乙酸和乙酰丙酸，弱酸會破壞細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓平衡，并進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，這部分弱酸在細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)一步解離，使得細(xì)胞內(nèi)環(huán)境酸化，影響細(xì)胞內(nèi)部的酶促反應(yīng)，最終抑制細(xì)胞的生長[2]。呋喃類抑制物主要是糠醛和HMF，這類物質(zhì)對微生物中的乙醇脫氫酶、丙酮酸脫氫酶和醛脫氫酶產(chǎn)生抑制，減緩釀酒酵母的生長；醛類抑制物會產(chǎn)生細(xì)胞內(nèi)活性氧，導(dǎo)致DNA分解，進(jìn)而阻礙RNA和蛋白質(zhì)的合成[3、4]。相對于其他類型抑制物，酚類抑制物的毒性更強(qiáng)，低濃度的酚類就可以抑制釀酒酵母的生長，研究表明，低分子量的酚類化合物對釀酒酵母生長具有更高的抑制作用[5]。

2 降低抑制物對釀酒酵母抑制作用的措施

2.1 木質(zhì)纖維素水解液脫毒

發(fā)酵前對木質(zhì)纖維素水解液進(jìn)行脫毒是降低抑制物抑制作用的有效途徑。脫毒方法主要分為物理法、化學(xué)法和生物法，物理方法包括真空干燥濃縮、蒸煮、活性炭吸附、離子交換吸附和溶劑萃取等，這些方法可將水解液中的有毒物質(zhì)在不改變分子結(jié)構(gòu)的前提下去除，不同處理方法的去除效率具有差異[6]。化學(xué)方法是利用各種堿性物質(zhì)（如NH4OH、NaOH、Ca（OH）2等）及過量石灰法對水解液進(jìn)行處理，通過化學(xué)反應(yīng)改變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脫毒，其中，漆酶是一種常用的脫毒酶，通過氧化聚合反應(yīng)將毒性較高的小分子量酚類化合物轉(zhuǎn)化為毒性較低的大分子量酚類化合物[8]。

2.2 提高釀酒酵母對抑制物的耐受性

除了減少木質(zhì)纖維素水解液中的有毒物質(zhì)，還可提高釀酒酵母對抑制物的耐受性，目前比較常用的方法是基因工程方法、誘變方法和馴化育種方法。基因工程方法是通過添加、敲除或高表達(dá)某一種或幾種與抑制物代謝相關(guān)的基因以提高釀酒酵母對抑制物的耐受性的方法。改造基因可以直接、快速地使釀酒酵母表現(xiàn)出我們所期望的特性，但木質(zhì)纖維素水解液中的抑制物種類繁多，基因工程方法難以使得釀酒酵母同時具有多種抑制物耐受性，且釀酒酵母的新陳代謝途徑復(fù)雜，改造基因可能使得釀酒酵母失去原本的優(yōu)良特性[9]。誘變方法以自然突變?yōu)橐罁?jù)，利用誘變劑加快釀酒酵母細(xì)胞基因突變的速度，在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量突變型釀酒酵母，經(jīng)過進(jìn)一步的篩選，可獲得具有抑制物耐受性的釀酒酵母，而誘變方法具有不確定性和誘變范圍廣等缺陷，因此需大量的誘變型細(xì)胞增加獲得目標(biāo)菌株的幾率，且誘變劑可能損壞出發(fā)菌株原始基因，丟失優(yōu)良特性。馴化育種是一種模擬自然選擇的過程，根據(jù)生物和環(huán)境共同進(jìn)化的規(guī)律，對微生物施與一定的選擇壓力，使得微生物在自然突變的基礎(chǔ)上定向進(jìn)化。馴化方法中存在的環(huán)境壓力使得微生物突變具有明確方向，可在短時間內(nèi)富集突變子，在長期的馴化過程中，菌株的優(yōu)良性質(zhì)可以在代際之間傳遞，增加了優(yōu)良性質(zhì)的穩(wěn)定性[10]；馴化育種的不足之處在于菌株的突變機(jī)理尚未明確，難以通過其他手段獲得該菌株。

3 結(jié)束語

木質(zhì)纖維素水解液中的抑制物會影響釀酒酵母的發(fā)酵效率，降低代謝產(chǎn)物乙醇的濃度，因此需采取措施降低抑制物對釀酒酵母的抑制作用。將水解液脫毒與釀酒酵母改進(jìn)進(jìn)行對比，水解液的脫毒成本較高，不利于木質(zhì)纖維素資源化利用的工業(yè)化發(fā)展，因此有必要提高釀酒酵母對抑制物的耐受性。木質(zhì)纖維素水解液中抑制物的組分與原材料種類和預(yù)處理方式密切相關(guān)，不同改良釀酒酵母的方法各有其優(yōu)缺點，在實際應(yīng)用中可將多種方式有效結(jié)合，有利于獲得具有較高耐受性的釀酒酵母。

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