摘要
木糖醇是一种在化工、食品、饲料和制药等行业广泛应用的关键天然多元醇。目前，大多数木糖醇工业采用对类似玉米芯这样的材料进行强酸水解，以产生木糖，然后在高压和高温条件下使用催化剂将木糖加氢制得木糖醇。但是化学法生产木糖醇会造成显著的污染和安全问题，因此生物法生产木糖醇成为当前研究的焦点。在现有的研究报道中，由于细胞代谢途径的限制以及酶系统的差异，大多数生物只能通过使用五碳糖（木糖，阿拉伯糖等）作为底物发酵生产木糖醇。这些糖在结构上类似于木糖醇，仅仅只需要通过使用辅酶（NADH或NADPH）依赖的木糖还原酶（XR）便可将木糖转化为木糖醇。然而，该方法仍涉及高度污染的步骤，如强酸水解以获取木糖，并未从根本上解决生产中的污染问题。也有研究通过基因工程等手段进行菌株改良，通过表达关键的基因（XDH， XDPH等），使该菌株可以使用葡萄糖作为底物生产木糖醇，但最终获得产量仅为0.23 g/L，很难实现工业化生产。因此发展一种能够利用低成本的葡萄糖作为木糖醇生产底物的天然菌株，仍然是该行业的一个重要研究方向。 在本研究中,以从自然界中筛选出可产木糖醇的酵母菌为出发菌株，以此菌株为基础，使用常温室压等离子体诱变（Atmospheric and RoomTemperaturePlasma, ARTP）技术处理此菌株得到了一株高产木糖醇的酵母菌，并利用代谢组学以及基因组学的方法分析，探讨了葡萄糖在该菌株中的代谢机理。在此基础上进一步优化了菌株适宜的培养条件，并探究等离子体诱变处理对该菌株氨基酸等各方面代谢的影响。主要研究结果归纳如下： （1）课题组前期从自然界分离出了一株酵母菌，该菌株能够直接利用葡萄糖作为唯一碳源进行发酵生产木糖醇。本研究通过基因组等手段对其进行鉴定以及代谢途径分析，确定其为希腊接合酵母 Zygoascus hellenicus，并构建了该菌株的木糖醇代谢图。利用ARTP 对该菌株进行诱变，以生物量、木糖醇产量作为评价指标，筛选出比原始菌株木糖醇产量更高的优势菌株Zygoascus hellenicus B11，诱变后的菌株木糖醇产量为39.36g/L，比出发菌株提升了60.64%。 （2）优化了高产木糖醇突变株的发酵培养条件，对筛选得到的Zygoascus hellenicus B11培养条件进行研究，发现初始葡萄糖浓度，初始pH值以及装液量三个指标对木糖醇积累影响最高。在响应面优化后，结果表明适宜Zygoascus hellenicus B11生产木糖醇的培养条件为：培养温度28℃，pH为8，装液量为25 mL，初始葡萄糖浓度为30%。 （3）为了探究两菌株木糖醇产量差异的机制，对两个菌株进行了基于 UHPLC-QTRAP MS的靶向代谢组学测定以及发酵过程的跟踪对比，并深入分析了其还原力和能量代谢差异，旨在发现木糖醇产量差异的潜在机制。结果表明酸性副产物对木糖醇的产量有着明显的抑制作用。两菌株代谢组学数据显示，诱变后菌株关键代谢物及代谢通路上调，这也被证实为木糖醇积累的重要因素。这些研究成果为深入了解木糖醇生产的代谢途径提供了科学依据，同时为工业提高木糖醇产量提供了潜在的技术支持。
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