Development of yeast-based integrated bioprocess for xylitol and ethanol production from xylan-rich lignocellulosic materials
本研究确定了非常规酵母菌株 *Sugiyamaella novakii* 是一种多功能生物催化剂，能够产生胞外木聚糖酶，并通过集成且无需酶的生物工艺将富含木聚糖的农业残余物转化为木糖醇和乙醇，从而推进可持续的木质纤维素增值利用。
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想象一个这样的世界：我们农场和森林的废弃物不再被焚烧或任其腐烂，而是被转化为甜味剂和燃料等有用材料。这就是生物精炼（biorefining）所承诺的前景——这一科学领域致力于将植物物质转化为有价值的产品。植物由坚韧的纤维构成，就像一个复杂的绳索和网状结构。这个网络中最丰富的成分之一是一种被称为木聚糖（xylan）的物质，它是许多植物细胞壁中存在的一种糖链。为了获取隐藏在其中的有用糖分，科学家必须首先将这些链条分解。传统上，这需要昂贵且独立的步骤：首先使用酶将植物纤维切割成简单的糖，然后利用微生物将这些糖发酵成产品。这种两步法过程既昂贵又复杂。科学家们更高效的梦想是找到一种能够同时完成这两项工作的单一活体生物：既能切割纤维，又能将产生的糖转化为产品。这种被称为“整合生物工艺”（consolidated bioprocess）的方法，可以使将植物废弃物转化为有用物资的过程变得更加廉价且可持续。
在最近的一项研究中，研究人员致力于寻找一种能够胜任这项双重任务的天然微生物，特别是在寻找能够处理富含木聚糖材料的酵母。酵母是常用于烘焙和酿酒的微小单细胞真菌，但大多数常见品种无法分解坚韧的植物纤维。由匈牙利和泰国科学家领导的团队筛选了一组野生、非传统的酵母，以观察哪些酵母能够产生溶解木聚糖所需的酶，同时还能将释放出的糖发酵成木糖醇（一种低热量甜味剂）和乙醇（一种酒精燃料）。在测试了十一种不同的菌株后，他们确定了一种特定的野生酵母——一种名为 Sugiyamaella novakii 的酵母，它是一个强有力的候选者。与许多在实验室中经过基因工程改造以执行特定任务的微生物不同，这种酵母是在自然界中发现的，并且已经具备了同时分泌消化木聚糖的酶并生产木糖醇的罕见能力。
研究人员首先证实，这种酵母确实可以在受控的实验室环境中分解木聚糖并生产木糖醇。他们发现，这种酵母在微酸性条件下表现最佳，这是一个很有用的特性，因为酸性环境能自然地防止不必要的细菌生长，从而减少了对严格灭菌的需求。他们还发现，提供给酵母的氧气量会改变其行为。当氧气充足时，酵母专注于自身的细胞生长；当氧气受限时，酵母会将能量转向生产木糖醇和乙醇。通过仔细调节氧气水平，团队可以引导酵母生产出所需的化学物质。
为了观察这一过程是否可以在更大规模上运作，团队将实验从小型烧瓶转移到了一个500毫升的生物反应器中——这是一种可以精确控制温度、氧气和混合程度的小型罐体。他们测试了两种不同的材料：纯木聚糖和麦麸（一种常见的农业废弃物）。在生物反应器中，他们运行了一个两阶段的过程。首先，他们创造了有利于酵母产生酶并分解木聚糖的条件；随后，他们调整了条件以鼓励酵母将释放出的糖转化为木糖醇和乙醇。实验在原理上取得了成功：该酵母成功分解了木聚糖，并在没有添加外部酶的情况下生产出了木糖醇和乙醇。在纯木聚糖上运行48小时后，该过程产生了每升1.1克的木糖醇和每升1.8克的乙醇。当他们用真实的麦麸进行同样的工艺时，酵母仍然有效，虽然产出的木糖醇量较少，但低于纯木聚糖的情况。
研究强调，尽管 Sugiyamaella novakii 酵母是单步生物工艺中极具前景的工具，但在其投入工业化应用之前仍需克服障碍。从麦麸中获得的产物量相对较低，这表明植物材料对酵母酶的通达性尚不充分。研究人员指出，分解坚韧植物纤维的效率是主要的瓶颈。他们还观察到，酵母有时会重新利用刚刚制造出的糖来构建自身的细胞，而不是将其留作最终产品。尽管存在这些挑战，这项工作证明了可以利用一种野生、未经修饰的酵母，通过单一步骤完成消化植物纤维并制造价值化学品的复杂任务。这一发现为未来的研究打开了大门，即通过优化该过程，有望实现一种更可持续的方式，将农业废弃物转化为甜味剂和燃料，而无需依赖昂贵且独立的酶生产步骤。
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