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(duì)措施對(duì)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(duì)釀酒酵母的影響以及減少抑制物對(duì)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(bào)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(diǎn)，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(diǎn)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(diǎn)。在釀酒酵母利用木質(zhì)纖維素發(fā)酵之前，需對(duì)木質(zhì)纖維素進(jìn)行預(yù)處理和糖化，此時(shí)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(duì)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(huì)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(zhǎng)[2]。呋喃類抑制物主要是糠醛和HMF，這類物質(zhì)對(duì)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(zhǎng)；醛類抑制物會(huì)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(duì)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(zhǎng)，研究表明，低分子量的酚類化合物對(duì)釀酒酵母生長(zhǎng)具有更高的抑制作用[5]。

2 降低抑制物對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)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(shí)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(duì)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(shí)間內(nèi)富集突變子，在長(zhǎng)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(huì)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(duì)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(duì)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(duì)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(diǎn)，在實(shí)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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