以富含果膠的生物質(zhì)為原料生產(chǎn)燃料乙醇

1、以富含果膠的生物質(zhì)為原料生產(chǎn)燃料乙醇摘要：美國已提出，到2030年30的液體運(yùn)輸燃料將來自可再生資源（ Perlack和Stokes2011）。單獨(dú)使用玉米為原料生產(chǎn)乙醇是不可能達(dá)到這個(gè)目標(biāo)的。而充分利用富含果膠的生物質(zhì)可以增加美國乙醇供應(yīng)。目前，富含果膠的生物質(zhì)被作為動(dòng)物飼喂出售（低價(jià)）。本文著重介紹了三種最主要的富含果膠的生物質(zhì)研究類型：甜菜渣，廢柑橘和蘋果渣。目前我們已經(jīng)通過各種乙醇工業(yè)生產(chǎn)菌對(duì)這些材料進(jìn)行了工業(yè)發(fā)酵，包括酵母和細(xì)菌。大腸桿菌能發(fā)酵很多糖類包括半乳糖醛酸，它是果膠的最主要組成部分。釀酒酵母不能自然發(fā)酵半乳糖醛酸，也不能發(fā)酵戊糖，但它有一個(gè)同型乙醇發(fā)酵途徑。歐文氏菌是能夠降

2、解許多富含果膠的生物質(zhì)的細(xì)胞壁?？死撞暇纱x多種糖包括纖維二糖。然而，歐文氏菌和克雷伯菌在發(fā)酵過程中均產(chǎn)生有副產(chǎn)物。關(guān)鍵詞:果膠，乙醇，生物燃料，發(fā)酵引言在美國，尋找礦物燃料的替代物已經(jīng)顯得越來越重要，主要因?yàn)榛剂鲜呛苡邢薜囊约翱紤]到美國和石油供應(yīng)商之間緊張的外交關(guān)系，再者燃燒礦物燃料對(duì)環(huán)境有負(fù)面影響。美國目前每天消耗約2000萬桶原油。這2000萬桶超過60是進(jìn)口的。由于原油幾乎70的用于運(yùn)輸燃料，因而增加替代和可再生運(yùn)輸燃料顯得至關(guān)重要?，F(xiàn)在人們提出有很多方案來緩解對(duì)以石油為基礎(chǔ)的燃料的依賴。一個(gè)很好地例子就是在植物生物質(zhì)中生產(chǎn)生物燃料乙醇。目前，在美國，工業(yè)生產(chǎn)的乙醇，主要是從生

3、產(chǎn)含淀粉的玉米中得到的。然而，單獨(dú)使用玉米不可能生產(chǎn)出足夠多的乙醇來滿足生產(chǎn)需求。因此，它有必要考慮其它生物來源的生物質(zhì)用于生產(chǎn)燃料乙醇。在美國，每年可生產(chǎn)10億至16億噸的干物質(zhì)，它可以為生產(chǎn)乙醇提供足夠的原料，并且可取代目前原油使用量的近30 （ Perlack 2011）。木質(zhì)纖維素比玉米種子的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜很多，它是由25-55 的纖維素， 24-50 半纖維素， 10-35 的木質(zhì)素組成。木質(zhì)素降低了植物細(xì)胞壁多糖的酶促降解。富含果膠的生物質(zhì)具有低含量的木質(zhì)素和高含量的果膠，果膠的含量范圍從12到35不等（ Kennedy等人2008）。而富含果膠的生物質(zhì)是一種豐富的而未被廣泛充分利用的

4、一種資源，如蘋果渣，柑橘廢棄物，甜菜漿（表1） 。 用于乙醇生產(chǎn)的柑橘廢棄物，從纖維素到乙醇的整個(gè)過程中成本估算，估計(jì)為$1.23/gal 。它比玉米生產(chǎn)乙醇成本貴（ $ 1.00/gal ），而柑橘廢渣生產(chǎn)乙醇預(yù)計(jì)比木質(zhì)纖維素更加便宜（$ 1.35-1.62/gal）。因而柑橘廢渣生產(chǎn)乙醇的過程可能比木質(zhì)纖維更便宜更加經(jīng)濟(jì)可行，此外柑橘廢渣衍生的副產(chǎn)物檸檬烯，它可以出售，以幫助抵銷乙醇生產(chǎn)成本（ Zhou等，2007）。果膠結(jié)構(gòu)：關(guān)于果膠的描述基本都是一些簡(jiǎn)要的概述。然而，Mohnen對(duì)果膠的結(jié)構(gòu)和合成有了更詳細(xì)的描述（2008）。果膠是一種復(fù)雜的碳水化合物，主要時(shí)半乳糖醛酸通過共價(jià)鍵連接組

5、成的（70）。果膠也可含有鼠李糖，木糖，阿拉伯糖，半乳糖（Mohnen 2008年）。在人們已認(rèn)可的3種類型的果膠多糖中都含有半乳糖醛酸，這3種多糖為同型半乳糖醛酸聚糖，鼠李半乳糖醛酸聚糖I，鼠李半乳糖醛酸聚糖II。果膠中的同聚半乳糖醛酸聚糖（ 半乳糖醛酸通過- 1 ，4糖苷鍵連接的線性聚合物）大約含65 。第二個(gè)最突出的果膠多糖類型是鼠李糖半乳糖醛酸聚糖I。鼠李半乳糖醛酸聚糖I是由不同的多糖(主要是阿拉伯糖和半乳糖)組成的長(zhǎng)鏈與鼠李糖殘基相連；而鼠李半乳糖醛酸聚糖II是以同型半乳糖醛酸作為主鏈，復(fù)雜的多糖與半乳糖醛酸殘基相連作為側(cè)鏈。富含果膠的生物質(zhì)組成果膠豐富的生物質(zhì)細(xì)胞壁含有12-35

6、果膠(干重)。而具細(xì)胞壁的生物質(zhì)中不一定就富含果膠，如玉米粒，草和木本植物，在其細(xì)胞壁中僅含有2-10 干重果膠。圖1比較了富含果膠原料（蘋果渣，柑桔廢棄物和糖甜菜漿），其他類型的生物質(zhì)（玉米粒，菠蘿，柳枝稷）。所有這些包含了大量的纖維素，玉米粒除外，它主要含的是淀粉。富含果膠的殘留物與木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)相比木質(zhì)素明顯少很多。柑橘和甜菜漿約2干重是木質(zhì)素，遠(yuǎn)小于干重26的菠蘿。木質(zhì)素干擾了纖維素和半纖維素的酶降解過程使其不可發(fā)酵成乙醇。在用木質(zhì)纖維素材料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇之前，木質(zhì)素和碳水化合物之間的連接必須被打斷。這常常需要昂貴和苛刻的物理，化學(xué)或生物預(yù)處理才可降解木質(zhì)素。應(yīng)用人們尋求經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可

7、持續(xù)利用的工業(yè)加工廢料水果已經(jīng)快有幾百年。富含果膠的廢材料已經(jīng)被大量應(yīng)用。比如用蘋果渣作為動(dòng)物飼料，肥料使用，昆蟲毒餌，離子交換樹脂，生產(chǎn)葡萄酒，果膠，甲烷，乙醇，檸檬酸，丁醇，酶，蘋果種子油，蘋果醋，蘋果蠟，香味化合物，調(diào)味劑，草酸，木葡聚糖，活性炭，抗氧化劑，雜多糖。柑桔廢棄物，甜菜漿，和其他食物廢料可以有許多類似的應(yīng)用。目前富含果膠的生物質(zhì)最常見的用途是作為動(dòng)物飼料。富含果膠的生物質(zhì)可以降低為粗蛋白質(zhì)，脂肪和磷，但它們含高纖維和鈣（表2）。然而，它已經(jīng)被證明是一個(gè)好的飼料添加劑，如果加入正確的量。乙醇生產(chǎn)工業(yè)加工過程中用富含果膠水果廢棄物生產(chǎn)乙醇。高度頑強(qiáng)的比如草和木材生物質(zhì)需要處理，如

8、氨氣爆破法（ AFEX ）或稀硫酸預(yù)處理（ Kumar等，2009）。一些富含果膠生物質(zhì)確實(shí)需要進(jìn)行預(yù)處理以破壞生物質(zhì)結(jié)構(gòu)或消除抑制發(fā)酵的化合物，比如柑橘類廢物中的檸檬烯。但是，甜菜渣發(fā)酵不需要額外的減小顆粒尺寸和化學(xué)預(yù)處理。大多數(shù)甜菜漿發(fā)酵使用高壓滅菌121 20分鐘中進(jìn)行，接著將得到的碳水化合物進(jìn)行酶消化和發(fā)酵。釀酒酵母的發(fā)酵從果膠豐富的生物質(zhì)中發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的具體數(shù)據(jù)見表3（蘋果渣） ，表4 （柑桔廢棄物）和表5 （甜菜漿）。早期的發(fā)酵用的是釀酒酵母。使用釀酒酵母的一些優(yōu)點(diǎn)包括其具有耐受高底物濃度和高乙醇濃度的能力，以及耐受相對(duì)低的pH值和氧水平。它通過同型乙醇途徑將糖轉(zhuǎn)化為乙醇，因此，不

9、會(huì)產(chǎn)生不需要的副產(chǎn)物。在發(fā)酵中，如果蔗糖含量高，釀酒酵母發(fā)酵良好。然而，在果膠豐富的生物質(zhì)或殘?jiān)l(fā)酵中釀酒酵母并不是理想的乙醇生產(chǎn)菌，原因在于其不能自然發(fā)酵戊糖和半乳糖醛酸。釀酒酵母能夠發(fā)酵木糖和阿拉伯糖；木糖發(fā)酵菌株的發(fā)酵水平相當(dāng)不錯(cuò)；而阿拉伯糖發(fā)酵菌株仍然需要優(yōu)化。當(dāng)發(fā)酵果膠豐富的生物質(zhì)時(shí)阿拉伯糖的利用是很重要的。大腸桿菌的發(fā)酵對(duì)果膠豐富的生物質(zhì)進(jìn)行發(fā)酵的另一個(gè)選擇是大腸桿菌。大腸桿菌不能容忍高濃度的乙醇以及具有較高的最適pH值。因此，大腸桿菌和所需的降解植物細(xì)胞壁的酶（其具有酸性最適pH ）在生物質(zhì)發(fā)酵中不能同時(shí)達(dá)到最大的活性。大腸桿菌能發(fā)酵的多種糖類，包括阿拉伯糖和半乳糖醛酸。大腸桿菌

10、中的半乳糖醛酸分解代謝途徑已經(jīng)被研究的很清楚了。為了增加大腸桿菌的發(fā)酵效率，菌株必須通過生物工程技術(shù)手段來生產(chǎn)更高量的乙醇。通常，大腸桿菌發(fā)酵糖產(chǎn)生混合酸，包括乙醇，乙酸根，甲酸根，琥珀酸鹽和乳酸鹽。相比于釀酒酵母，用大腸桿菌KO11發(fā)酵生物質(zhì)產(chǎn)生了較高的乙醇濃度。釀酒酵母發(fā)酵柑橘廢棄物（ pH為6 ， 37 ）產(chǎn)生3.96 乙醇，但用大腸桿菌KO11對(duì)柑橘類廢棄物發(fā)酵（ pH值5.8 ， 37 ）可產(chǎn)生4.70 的乙醇。然而，這些乙醇產(chǎn)量難以比較，由于在生物質(zhì)預(yù)處理的差異和發(fā)酵條件的不同。通過對(duì)發(fā)酵的生物質(zhì)進(jìn)行相同的預(yù)處理可以更好的比較。GROHMAN等利用大腸桿菌KO11和釀酒酵母對(duì)柑橘廢

11、棄物的水解產(chǎn)物進(jìn)行發(fā)酵。大腸桿菌KO11發(fā)酵相比于釀酒酵母發(fā)酵的乙醇產(chǎn)量增加25-35。對(duì)甜菜漿使用釀酒酵母和大腸桿菌KO11連續(xù)發(fā)酵可增加乙醇的生產(chǎn)量。如果加入大腸桿菌KO11再加入釀酒酵母發(fā)酵是不成功的，由于大腸桿菌KO11 產(chǎn)生了高濃度的乙酸。大腸桿菌KO11發(fā)酵后的醋酸水平達(dá)到11克/升。連續(xù)添加釀酒酵母隨后加入大腸桿菌KO11可產(chǎn)生2.97 （重量/體積）乙醇，比大腸桿菌KO11單獨(dú)進(jìn)行發(fā)酵的0.37 （重量/體積）高很多（表5） 。但是，發(fā)酵進(jìn)行216小時(shí)后最大的乙醇生產(chǎn)量仍然沒有達(dá)到。單獨(dú)用大腸桿菌KO11發(fā)酵達(dá)到最大乙醇濃度的時(shí)間要早得多（ 120小時(shí)） 。因此，單獨(dú)用大腸桿菌

12、KO11發(fā)酵有更高的容積效率。彼得森相比較了大腸桿菌菌株LY01和另一株釀酒酵母，使用糖甜菜漿作為發(fā)酵底物。該LY01是從大腸桿菌KO11中分離得到的，比KO11更耐受乙醇。發(fā)酵結(jié)束測(cè)得 LY01產(chǎn)生4 （重量/體積）乙醇而釀酒酵母產(chǎn)生1.6乙醇。近日，大腸桿菌菌株LY01和KO11已被設(shè)計(jì)用以進(jìn)一步提高發(fā)酵能力。大腸桿菌LY40A ，是把產(chǎn)酸克雷伯菌casAB的操縱子整合入大腸桿菌基因組中。該casAB操縱子編碼纖維二糖的磷酸轉(zhuǎn)移酶基因，這使得LY40A可以吸收和代謝纖維二糖。LY40A發(fā)酵可產(chǎn)生2.77 （重量/體積）乙醇，而釀酒酵母只生產(chǎn)了1.74 （重量/體積）乙醇。其他發(fā)酵

13、產(chǎn)乙醇的細(xì)菌其他微生物已被用于發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。研究的重點(diǎn)多集中在菌株的耐熱性。馬克斯克魯維酵母，菌株可以自己產(chǎn)生細(xì)胞壁降解酶，其他一些微生物是能夠代謝多種糖類，如產(chǎn)酸克雷伯菌。馬克斯克魯維菌通過同型乙醇途徑發(fā)酵己糖。馬克斯克魯維酵母可以在溫度高達(dá)47 °C生產(chǎn)乙醇。比較馬克斯克魯維酵母和釀酒酵母的發(fā)酵能力，馬克斯克魯維酵母能夠生產(chǎn)和釀酒酵母相近濃度的乙醇。然而和釀酒酵母相比，馬克斯克魯維酵母需要更高的接種量。其是很好的發(fā)酵果膠的菌株。讓人失望的是，馬克斯克魯維酵母和釀酒酵母一樣，無法自然發(fā)酵戊糖和酸性糖。另一種選擇是菊歐文氏菌，它能降解植物細(xì)胞壁組分。對(duì)稀硫酸預(yù)處理的柑橘廢液發(fā)酵顯示菊

14、歐文氏菌EC16產(chǎn)生的乙醇比釀酒酵母和大腸桿菌KO11要少。菊歐文氏菌EC16包含PET操縱子，該操縱子是從運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌的質(zhì)粒pLOI555中得到的。其作用在于增加了生物乙醇的生產(chǎn)量和降低的副產(chǎn)物濃度。菊歐文氏菌EC16只生產(chǎn)了1.28 的乙醇。比較以相同的預(yù)處理生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)生的乙醇的過程，我們得到類似的結(jié)果。菊歐文氏菌EC16發(fā)酵生產(chǎn)1.97 （重量/體積）乙醇，小于由大腸桿菌KO11發(fā)酵產(chǎn)生的2.55 的乙醇。然而，在沒有真菌酶是存在時(shí)，菊歐文氏菌EC16能夠產(chǎn)生比大腸桿菌KO11更多的乙醇，但量比較低。另一種菌，產(chǎn)酸克雷伯菌P2能發(fā)酵多種戊糖的和己糖包括纖維二糖，纖維三糖，木二糖，和木

15、三糖。 有些微生物有高耐熱性的細(xì)胞壁降解酶。這些微生物生產(chǎn)的耐熱酶已經(jīng)用于食品行業(yè)。Spinnler等人用熱纖梭菌發(fā)酵甜菜渣,其傾向于產(chǎn)生乙酸而不是乙醇。發(fā)酵50%的甜菜渣產(chǎn)生0.78%的乙酸,0.32%的乙醇。運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌AX101可以發(fā)酵木糖和阿拉伯糖以及葡萄糖這是它的天然代謝途徑。純糖發(fā)酵表明，運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌 AX101是能夠代謝葡萄糖，阿拉伯糖，木糖產(chǎn)生乙醇。但是，不能同時(shí)使用這些糖進(jìn)行發(fā)酵而且其不發(fā)酵半乳糖醛酸。發(fā)酵富含果膠的生物質(zhì)上述乙醇生產(chǎn)菌有些在發(fā)酵過程中產(chǎn)生醋酸，除了釀酒酵母，馬克斯克魯維酵母和運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌AX101它們也不能代謝半乳糖醛酸。一些副產(chǎn)物，如醋酸在

16、發(fā)酵過程降低了乙醇的量。大腸桿菌KO11 ，菊歐文氏菌EC16，和產(chǎn)酸克雷伯菌分別從20克/升半乳糖醛酸的發(fā)酵液中產(chǎn)生0.23 、0.38 、0.34(g/g)的乙酸。相比如其他糖發(fā)酵，在較高氧水平下，發(fā)酵1摩爾的半乳糖醛酸產(chǎn)生1摩爾乙醇和1摩爾的醋酸。因此，在發(fā)酵半乳糖醛酸需要更多的NADH分子，這種平衡是通過丙酮酸甲酸裂解酶途徑來同時(shí)生產(chǎn)乙醇和乙酸。用釀酒酵母發(fā)酵柑橘廢物產(chǎn)生乙醇時(shí)， 當(dāng)D-檸檬烯(一種抑制劑)的濃度增加0.12以上時(shí),發(fā)酵水平明顯下降。加入果皮油，其包含D-檸檬烯，用酵母在純糖或過濾的柑橘廢棄物進(jìn)行水解發(fā)酵（釀酒酵母或馬克斯克魯維菌）乙醇產(chǎn)量也減少。革蘭氏陰性菌，如大腸桿

17、菌，往往對(duì)萜烯具有更好的抵抗力，包括檸檬烯，可能是由于其外膜的保護(hù)作用。Kim等觀察了多種精油成分的抑制劑對(duì)致病細(xì)菌的影響。檸檬烯被證明對(duì)兩株大腸桿菌沒有抑制作用;然而，它可以抑制革蘭氏陽性菌，如李斯特菌。然而，最近的研究已表明，當(dāng)檸檬烯含量低至0.03其可抑制大腸桿菌生長(zhǎng)。幸運(yùn)的是，檸檬烯可以通過蒸汽處理柑橘廢棄物時(shí)被帶走。在柑桔廢棄物發(fā)酵中檸檬烯是一種有價(jià)值的副產(chǎn)品，而且被普遍認(rèn)識(shí)是安全的。它常被用來作為調(diào)味和香料，也作為清潔用品，用于治療膽結(jié)石。發(fā)酵中去除檸檬烯不僅有助于乙醇生產(chǎn)，也是一個(gè)更經(jīng)濟(jì)可行的方案。估計(jì)，檸檬烯的去除可以削減乙醇生產(chǎn)成本超過$ 0.50/gal。結(jié)論工業(yè)產(chǎn)生的富含果膠的廢物水果和蔬菜