1、以富含果膠的生物質為原料生產燃料乙醇摘要：美國已提出，到2030年30的液體運輸燃料將來自可再生資源（ Perlack和Stokes2011）。單獨使用玉米為原料生產乙醇是不可能達到這個目標的。而充分利用富含果膠的生物質可以增加美國乙醇供應。目前，富含果膠的生物質被作為動物飼喂出售（低價）。本文著重介紹了三種最主要的富含果膠的生物質研究類型：甜菜渣，廢柑橘和蘋果渣。目前我們已經通過各種乙醇工業生產菌對這些材料進行了工業發酵，包括酵母和細菌。大腸桿菌能發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酵半乳糖醛酸，也不能發酵戊糖，但它有一個同型乙醇發酵途徑。歐文氏菌是能夠降

2、解許多富含果膠的生物質的細胞壁?？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酵過程中均產生有副產物。關鍵詞:果膠，乙醇，生物燃料，發酵引言在美國，尋找礦物燃料的替代物已經顯得越來越重要，主要因為化石燃料是很有限的以及考慮到美國和石油供應商之間緊張的外交關系，再者燃燒礦物燃料對環境有負面影響。美國目前每天消耗約2000萬桶原油。這2000萬桶超過60是進口的。由于原油幾乎70的用于運輸燃料，因而增加替代和可再生運輸燃料顯得至關重要?，F在人們提出有很多方案來緩解對以石油為基礎的燃料的依賴。一個很好地例子就是在植物生物質中生產生物燃料乙醇。目前，在美國，工業生產的乙醇，主要是從生

3、產含淀粉的玉米中得到的。然而，單獨使用玉米不可能生產出足夠多的乙醇來滿足生產需求。因此，它有必要考慮其它生物來源的生物質用于生產燃料乙醇。在美國，每年可生產10億至16億噸的干物質，它可以為生產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）。木質纖維素比玉米種子的結構要復雜很多，它是由25-55 的纖維素， 24-50 半纖維素， 10-35 的木質素組成。木質素降低了植物細胞壁多糖的酶促降解。富含果膠的生物質具有低含量的木質素和高含量的果膠，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） 。 用于乙醇生產的柑橘廢棄物，從纖維素到乙醇的整個過程中成本估算，估計為$1.23/gal 。它比玉米生產乙醇成本貴（ $ 1.00/gal ），而柑橘廢渣生產乙醇預計比木質纖維素更加便宜（$ 1.35-1.62/gal）。因而柑橘廢渣生產乙醇的過程可能比木質纖維更便宜更加經濟可行，此外柑橘廢渣衍生的副產物檸檬烯，它可以出售，以幫助抵銷乙醇生產成本（ Zhou等，2007）。果膠結構：關于果膠的描述基本都是一些簡要的概述。然而，Mohnen對果膠的結構和合成有了更詳細的描述（2008）。果膠是一種復雜的碳水化合物，主要時半乳糖醛酸通過共價鍵連接組

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，復雜的多糖與半乳糖醛酸殘基相連作為側鏈。富含果膠的生物質組成果膠豐富的生物質細胞壁含有12-35

6、果膠(干重)。而具細胞壁的生物質中不一定就富含果膠，如玉米粒，草和木本植物，在其細胞壁中僅含有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（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纖維素類生物質相比木質素明顯少很多。柑橘和甜菜漿約2干重是木質素，遠小于干重26的菠蘿。木質素干擾了纖維素和半纖維素的酶降解過程使其不可發酵成乙醇。在用木質纖維素材料發酵生產乙醇之前，木質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，化學或生物預處理才可降解木質素。應用人們尋求經濟和環境可

7、持續利用的工業加工廢料水果已經快有幾百年。富含果膠的廢材料已經被大量應用。比如用蘋果渣作為動物飼料，肥料使用，昆蟲毒餌，離子交換樹脂，生產葡萄酒，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用。目前富含果膠的生物質最常見的用途是作為動物飼料。富含果膠的生物質可以降低為粗蛋白質，脂肪和磷，但它們含高纖維和鈣（表2）。然而，它已經被證明是一個好的飼料添加劑，如果加入正確的量。乙醇生產工業加工過程中用富含果膠水果廢棄物生產乙醇。高度頑強的比如草和木材生物質需要處理，如

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

9、會產生不需要的副產物。在發酵中，如果蔗糖含量高，釀酒酵母發酵良好。然而，在果膠豐富的生物質或殘渣發酵中釀酒酵母并不是理想的乙醇生產菌，原因在于其不能自然發酵戊糖和半乳糖醛酸。釀酒酵母能夠發酵木糖和阿拉伯糖；木糖發酵菌株的發酵水平相當不錯；而阿拉伯糖發酵菌株仍然需要優化。當發酵果膠豐富的生物質時阿拉伯糖的利用是很重要的。大腸桿菌的發酵對果膠豐富的生物質進行發酵的另一個選擇是大腸桿菌。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胞壁的酶（其具有酸性最適pH ）在生物質發酵中不能同時達到最大的活性。大腸桿菌能發酵的多種糖類，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被研究的很清楚了。為了增加大腸桿菌的發酵效率，菌株必須通過生物工程技術手段來生產更高量的乙醇。通常，大腸桿菌發酵糖產生混合酸，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發酵生物質產生了較高的乙醇濃度。釀酒酵母發酵柑橘廢棄物（ pH為6 ， 37 ）產生3.96 乙醇，但用大腸桿菌KO11對柑橘類廢棄物發酵（ pH值5.8 ， 37 ）可產生4.70 的乙醇。然而，這些乙醇產量難以比較，由于在生物質預處理的差異和發酵條件的不同。通過對發酵的生物質進行相同的預處理可以更好的比較。GROHMAN等利用大腸桿菌KO11和釀酒酵母對柑橘廢

11、棄物的水解產物進行發酵。大腸桿菌KO11發酵相比于釀酒酵母發酵的乙醇產量增加25-35。對甜菜漿使用釀酒酵母和大腸桿菌KO11連續發酵可增加乙醇的生產量。如果加入大腸桿菌KO11再加入釀酒酵母發酵是不成功的，由于大腸桿菌KO11 產生了高濃度的乙酸。大腸桿菌KO11發酵后的醋酸水平達到11克/升。連續添加釀酒酵母隨后加入大腸桿菌KO11可產生2.97 （重量/體積）乙醇，比大腸桿菌KO11單獨進行發酵的0.37 （重量/體積）高很多（表5） 。但是，發酵進行216小時后最大的乙醇生產量仍然沒有達到。單獨用大腸桿菌KO11發酵達到最大乙醇濃度的時間要早得多（ 120小時） 。因此，單獨用大腸桿菌

12、KO11發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。發酵結束測得 LY01產生4 （重量/體積）乙醇而釀酒酵母產生1.6乙醇。近日，大腸桿菌菌株LY01和KO11已被設計用以進一步提高發酵能力。大腸桿菌LY40A ，是把產酸克雷伯菌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移酶基因，這使得LY40A可以吸收和代謝纖維二糖。LY40A發酵可產生2.77 （重量/體積）乙醇，而釀酒酵母只生產了1.74 （重量/體積）乙醇。其他發酵

13、產乙醇的細菌其他微生物已被用于發酵生產乙醇。研究的重點多集中在菌株的耐熱性。馬克斯克魯維酵母，菌株可以自己產生細胞壁降解酶，其他一些微生物是能夠代謝多種糖類，如產酸克雷伯菌。馬克斯克魯維菌通過同型乙醇途徑發酵己糖。馬克斯克魯維酵母可以在溫度高達47 °C生產乙醇。比較馬克斯克魯維酵母和釀酒酵母的發酵能力，馬克斯克魯維酵母能夠生產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，它能降解植物細胞壁組分。對稀硫酸預處理的柑橘廢液發酵顯示菊

14、歐文氏菌EC16產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，該操縱子是從運動發酵單胞菌的質粒pLOI555中得到的。其作用在于增加了生物乙醇的生產量和降低的副產物濃度。菊歐文氏菌EC16只生產了1.28 的乙醇。比較以相同的預處理生物質發酵產生的乙醇的過程，我們得到類似的結果。菊歐文氏菌EC16發酵生產1.97 （重量/體積）乙醇，小于由大腸桿菌KO11發酵產生的2.55 的乙醇。然而，在沒有真菌酶是存在時，菊歐文氏菌EC16能夠產生比大腸桿菌KO11更多的乙醇，但量比較低。另一種菌，產酸克雷伯菌P2能發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胞壁降解酶。這些微生物生產的耐熱酶已經用于食品行業。Spinnler等人用熱纖梭菌發酵甜菜渣,其傾向于產生乙酸而不是乙醇。發酵50%的甜菜渣產生0.78%的乙酸,0.32%的乙醇。運動發酵單胞菌AX101可以發酵木糖和阿拉伯糖以及葡萄糖這是它的天然代謝途徑。純糖發酵表明，運動發酵單胞菌 AX101是能夠代謝葡萄糖，阿拉伯糖，木糖產生乙醇。但是，不能同時使用這些糖進行發酵而且其不發酵半乳糖醛酸。發酵富含果膠的生物質上述乙醇生產菌有些在發酵過程中產生醋酸，除了釀酒酵母，馬克斯克魯維酵母和運動發酵單胞菌AX101它們也不能代謝半乳糖醛酸。一些副產物，如醋酸在

16、發酵過程降低了乙醇的量。大腸桿菌KO11 ，菊歐文氏菌EC16，和產酸克雷伯菌分別從20克/升半乳糖醛酸的發酵液中產生0.23 、0.38 、0.34(g/g)的乙酸。相比如其他糖發酵，在較高氧水平下，發酵1摩爾的半乳糖醛酸產生1摩爾乙醇和1摩爾的醋酸。因此，在發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生產乙醇和乙酸。用釀酒酵母發酵柑橘廢物產生乙醇時， 當D-檸檬烯(一種抑制劑)的濃度增加0.12以上時,發酵水平明顯下降。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行水解發酵（釀酒酵母或馬克斯克魯維菌）乙醇產量也減少。革蘭氏陰性菌，如大腸桿

17、菌，往往對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作用。Kim等觀察了多種精油成分的抑制劑對致病細菌的影響。檸檬烯被證明對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，當檸檬烯含量低至0.03其可抑制大腸桿菌生長。幸運的是，檸檬烯可以通過蒸汽處理柑橘廢棄物時被帶走。在柑桔廢棄物發酵中檸檬烯是一種有價值的副產品，而且被普遍認識是安全的。它常被用來作為調味和香料，也作為清潔用品，用于治療膽結石。發酵中去除檸檬烯不僅有助于乙醇生產，也是一個更經濟可行的方案。估計，檸檬烯的去除可以削減乙醇生產成本超過$ 0.50/gal。結論工業產生的富含果膠的廢物水果和蔬菜