木糖代谢途径
重构枯草芽孢杆菌的木糖代谢通路生产乙醇酸
分析检测重构枯草芽孢杆菌的木糖代谢通路生产乙醇酸纪明华（上海青瑞食品科技有限公司，上海 200000）摘 要：本研究旨在获得一株可利用麸皮生产乙醇酸的食品安全菌。
通过同时过表达xdh和yjhG，构建了基因工程菌XDH-YjhG，该菌株能够利用麸皮生产乙醇酸，产量为3.15 g·L-1。
本研究首次证明了可利用麸皮作为碳源生产乙醇酸，为乙醇酸的工业化生产奠定了基础。
关键词：枯草芽孢杆菌；麸皮；乙醇酸Reconstructing the Xylose Metabolic Pathway of Bacillussubtilis to Produce Glycolic AcidJI Minghua(Kinry Food Ingredients Co., Ltd., Shanghai 200000, China)Abstract: This study aims to obtain a food-safe bacterium capable of utilizing wheat bran to produce acetic acid. By co-overexpressing xdh and yjhG, a genetically engineered strain XDH-YjhG was constructed, which could use wheat bran to produce acetic acid with a yield of 3.15 g·L-1. This study is the first to demonstrate the use of wheat bran as a carbon source for the production of acetic acid, laying the foundation for the cost-effective industrial production of acetic acid.Keywords:Bacillus subtilis; wheat bran; acetic acid乙醇酸（HOCH2COOH）是最简单的α-羟基酸，别名羟基乙酸或甘醇酸，可广泛用于食品、医药和化妆品等领域。
酵母利用木糖
酵母利用木糖
酵母是一种常见的微生物，它具有很强的代谢能力，可以利用多种不同的碳源进行生长和繁殖，其中包括木糖。
木糖是一种五碳糖，广泛存在于植物细胞壁中。
在一些工业生产中，木糖是一种常见的副产物，如木质纤维素生产和纸浆生产过程中就会产生大量的木糖废液。
利用酵母对木糖进行发酵是一种有效的途径，可以将这些废液转化为有用的生物产物。
酵母可以通过代谢木糖产生乙醇、丙酮酸、乳酸等有机酸，这些物质可以用于工业生产中。
此外，酵母还可以将木糖转化为二氧化碳和乳酸，这种发酵过程可以用于生产酸奶和其他发酵食品。
在利用酵母进行木糖发酵的过程中，需要注意控制发酵条件，如温度、pH值、氧气含量等，以获得最佳的发酵效果。
因此，利用酵母对木糖进行发酵，不仅可以减少废弃物的排放，还可以获得有用的生物产物，具有很高的应用价值。
- 1 -。
工业酿酒酵母木糖代谢途径的建立及酒精发酵初步研究
郭 亭 1 梁达奉 1 鲍晓明 1, 2
（1 广州甘蔗糖业研究所 广东省甘蔗改良与生物炼制重点实验室，广州 510316； 2 山东大学 微生物技术国家重点实验室，济南 250100）
(B) AS2.1190 发酵产物分析
Concentration (g/l)
120
glucose
xylose
100
ethanol
80
xylitol
60
40
20
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Time (h)
(C) 工程菌株 GZ4-127 发酵产物分析
图 4 酒精发酵生长曲线和产物分析
2.4 讨论 纤维质原料生产燃料乙醇的限制性因素是纤
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郭 亭等：工业酿酒酵母木糖代谢途径的建立及酒精发酵初步研究
维素水解的成本和有效的木糖发酵菌株。由于木 质纤维素水解物本身的特性，对酒精发酵菌株要 求很高，比如：高乙醇产率、利用木糖生产酒精、 对糠醛等毒性物质有一定的抗性等。本工作构建 的工程菌株 GZ4-127 能够利用木糖生产乙醇，但 对木糖的利用过程中，乙醇的产率很低，远远不 能满足要求。今后，还需将分子育种与传统育种 相结合，针对 GZ4-127 展开驯化、诱变、细胞融 合等研究工作，以期获得满足纤维质原料生产乙 醇的商业化菌株。 参考文献
摘 要 以酵母 AS2.1190 为出发菌株，把含有木糖还原酶基因(XYL1)、木糖醇脱氢酶基因(XYL2)，以及 木酮糖激酶基因(XKS1)的质粒载体 pYMIKP-xy127 线性化后多拷贝整合进入其基因组，筛选得到基因工程 菌株 GZ4-127，并对此工程菌株进行葡萄糖、木糖共发酵试验。结果显示 GZ4-127 比出发菌株的菌体密 度提高 5％，木糖消耗提高 2 倍，酒精产率提高 12％，说明工程菌已能够有效地利用木糖生产乙醇。 关键词 酿酒酵母；木糖；燃料乙醇
木糖醇代谢
木糖醇代谢
木糖醇是一种糖醇，在人体内的代谢过程如下：
1. 吸收：木糖醇在小肠中被吸收。
由于木糖醇比其他糖类的渗透压低，它被以被动扩散的方式通过绒毛进入肠细胞。
2. 代谢：木糖醇在肠细胞内被酵素木糖醇脱氢酶（MDH）催
化氧化为木糖酸，再由木糖酸脱氢酶（MAADH）催化氧化为
二羟基丙酸（DHA），最后转化为甘油醛酸或丙二酸通过肝
脏进入能量产生途径。
这些代谢产物可以进一步氧化产生能量。
3. 消耗：木糖醇的氧化代谢过程产生的能量可以供给细胞的生理活动。
木糖醇的能量价值较低，每克仅提供约2.4千卡的能量。
4. 排泄：木糖醇没有被完全吸收和代谢的部分进入结肠，并通过潜在的触发受体质量感知器的机制促进水分进入肠腔，以增加粪便的体积和润滑性。
最终，未吸收的木糖醇与其他粪便一起被排泄出体外。
总体来说，木糖醇代谢与葡萄糖代谢不同，它的能量产生并不高，而且不会引起血糖水平的显著上升，因此被广泛用作低糖或无糖食品中的替代甜味剂。
酿酒酵母代谢木糖工程菌的构建
酿酒酵母是一种常见的微生物，具有将糖类转化为酒精和二氧化碳的能力，因此被广泛用于酿酒和制作面包等食品。
但是，传统的酿酒酵母只能利用葡萄糖、果糖等简单的糖类，而不能利用木糖。
因此，为了提高酿酒酵母的利用率和产率，需要构建能够代谢木糖的工程菌。
构建酿酒酵母代谢木糖工程菌的方法包括以下步骤：
1.筛选能够利用木糖的菌株：从自然界或实验室保存的菌种库中筛选出能够利用木糖的菌株，并进行鉴定和筛选，选择具有较高木糖利用率的菌株。
2.克隆木糖代谢相关基因：从能够利用木糖的微生物中克隆出木糖代谢相关基因，并将其转移到酿酒酵母中。
3.构建工程菌：通过基因工程技术将木糖代谢相关基因插入酿酒酵母的染色体或质粒中，并筛选出具有木糖代谢能力的工程菌。
4.鉴定和筛选：对构建的工程菌进行鉴定和筛选，选择具有较高木糖利用率和产率的工程菌。
在构建酿酒酵母代谢木糖工程菌的过程中，需要注意以下几点：
1.选择具有较高木糖利用率的菌株，以保证工程菌具有较高的产率和利用率。
2.选择适当的基因工程技术，以保证基因的表达和调控。
3.注意工程菌的安全性和稳定性，以保证生产过程中的安全和稳定。
总之，构建酿酒酵母代谢木糖工程菌可以提高酿酒酵母的利用率和产率，具有重要的应用价值和研究意义。
木糖醇及其代谢
木糖醇及其代谢木糖醇是一种常见的食品添加剂，也被广泛用作低热量甜味剂。
它的化学名为D-木糖醇，是一种多羟基醇。
在食品中，木糖醇通常用作替代蔗糖的甜味剂，因为它具有类似于蔗糖的口感和甜度，但却含有更少的卡路里。
木糖醇在人体内的代谢方式与其他碳水化合物不同。
下面将详细介绍木糖醇及其代谢过程。
1. 木糖醇的来源木糖醇可以通过天然发酵或化学合成得到。
天然来源包括水果、蔬菜和一些真菌，而化学合成则通过将葡萄糖氧化生成木糖醛，再还原得到木糖醇。
2. 木糖醇的特性木糖醇是一种白色结晶固体，具有类似于蔗糖的甜味。
它在水中溶解度较高，并且不会与其他食物成分发生反应或分解。
3. 木糖醇的甜度和热量木糖醇的甜度约为蔗糖的0.7倍，因此需要使用更多的木糖醇来达到与蔗糖相同的甜度。
与蔗糖相比，木糖醇的能量含量较低，每克只提供2.4千卡的能量。
4. 木糖醇的代谢途径木糖醇主要通过肠道中微生物群落进行代谢。
它被微生物发酵为乙酸、丙酸和乙二酸等有机酸，并释放出氢气和二氧化碳。
这些有机酸可以被肠道细胞吸收并进入血液循环。
5. 木糖醇的吸收木糖醇在小肠中被部分吸收。
它通过被动扩散进入肠细胞，并通过GLUT5转运蛋白进入细胞内。
它会通过GLUT2转运蛋白跨过细胞膜，进入血液循环。
6. 木糖醇的代谢大部分吸收的木糖醇会进入肝脏。
在肝脏中，它会被代谢为木糖醛，然后进一步代谢为二羟丁酸和乙醇。
这些代谢产物可以被肌肉和其他组织利用为能量。
7. 木糖醇的排泄木糖醇的排泄主要通过尿液和呼气。
一小部分未被吸收的木糖醇会进入大肠，被细菌发酵产生气体，并最终通过排便排出体外。
8. 木糖醇的副作用尽管木糖醇被认为是安全的食品添加剂，但过量摄入可能导致胃肠道不适，如腹胀、腹泻和腹痛等。
这是因为大部分未被吸收的木糖醇在大肠中发生发酵产生气体和有机酸。
9. 适应症和禁忌症由于其低卡路里特性和较低的影响血糖水平能力，木糖醇适合用于控制体重或控制血糖水平的人群。
能够利用木糖却不能利用葡萄糖
能够利用木糖却不能利用葡萄糖为什么有些生物能够利用木糖却不能利用葡萄糖的原因。
第一部分：简介和背景知识（200-300字）引入话题，介绍木糖和葡萄糖的结构和特点。
木糖和葡萄糖都是简单糖，属于单糖类。
单糖是由一个单一的糖分子组成的碳水化合物。
木糖和葡萄糖是两种常见的单糖，在自然界中广泛存在。
然而，有些生物可以利用木糖作为能量来源，但却不能利用葡萄糖。
这一现象引起了科学家的兴趣，并推动了对其原因的深入研究。
第二部分：木糖和葡萄糖的代谢机制（400-600字）解释木糖和葡萄糖在生物体内的代谢机制，以及为什么有些生物可以利用木糖却不能利用葡萄糖。
生物体通过代谢从食物中提取能量，将其转化为可用的形式。
代谢过程主要发生在细胞内的线粒体中。
木糖和葡萄糖在细胞内被降解成较小的分子，最终转化为三磷酸腺苷（ATP），供细胞使用。
葡萄糖是一种广泛适应性强的糖，几乎所有的生物都能够利用葡萄糖作为能源。
在细胞内，葡萄糖首先通过糖酵解（糖分子分解）途径分解成两个分子的丙酮酸。
然后，丙酮酸进一步氧化生成乙酸，最后转化为三磷酸腺苷。
这个过程在细胞质内进行。
与之相反，木糖的代谢过程则较为复杂。
首先，木糖被细胞膜上的特殊蛋白质转运体通过细胞膜转运进入细胞。
然后，木糖在细胞质内被酶分解成木糖磷酸酶（Xylulose 5-phosphate）。
木糖磷酸酶被进一步转化为木糖磷酸醛酸（Xylulose 5-phosphate aldolase），最后转化为两个分子的磷酸甘油酸（Glycerol 3-phosphate），最终生成三磷酸腺苷。
这个过程发生在线粒体内。
第三部分：木糖和葡萄糖的代谢途径差异的原因（400-600字）解释为什么有些生物可以利用木糖却不能利用葡萄糖。
这种差异可能是由于生物体的进化所导致的。
生物体需要适应其生存环境和获取食物的方式，进化压力促使某些生物体发展出了对木糖的代谢能力，而失去了对葡萄糖的代谢能力。
一个有可能的解释是，在某些环境条件下，木糖是更具竞争优势的能源来源。
木糖代谢途径
12新能源袁锦 3125912050木糖在微生物体内的主要代谢途径虽然半纤维素的降解比较容易，但其降解产物戊糖（主要是木糖）发酵产生乳酸则要比纤维素最终降解产物葡萄糖的发酵困难得多。
自然界存在着某些天然利用木糖的微生物，包括细菌、酵母菌和丝状真菌（主要为米根霉），真菌与细菌的木糖代谢途径不尽相同。
丝状真菌及酵母的木糖代谢途径利用木糖的丝状真菌及酵母的木糖代谢途径，首先是在依赖NADPH的木糖还原酶（Xylosereductase.XR）的作用下还原木糖为木糖醇，随后在依赖NAD的木糖醇脱氢酶（Xylitol Dehydrogenase）作用下氧化形成木酮糖，再经木酮糖激酶（Xylulokinase）磷酸化形成5-磷酸木酮糖，由此进入磷酸戊糖途径（Pentose Phosphate Pathway,PPP)。
PPP 途径的中间产物6-磷酸葡萄糖及3- 磷酸甘油醛通过酵解途径形成丙酮酸，丙酮酸再经L-乳酸脱氢酶以NADH为辅酶还原为L-乳酸。
酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）因缺乏木糖转化为木酮糖的酶，而不能利用木糖，但可以利用木糖的异构体—木酮糖。
在酿酒酵母菌中木酮糖也是先磷酸化形成5-磷酸木酮糖，进入PPP途径，经酵解形成乳酸。
细菌与酵母菌的木糖代谢差异细菌的木糖代谢途径与真菌（米根霉等丝状真菌及酵母菌）的木糖代谢途径不同，细菌的木糖代谢途径是通过木糖异构酶直接转化木糖形成木酮糖，该酶不需要辅酶的参与，随后同样在木酮糖激酶的作用下磷酸化形成5-磷酸木酮糖进入磷酸转酮酶途径，进一步产生乳酸。
细菌中木糖的代谢途径通常认为，在乳酸菌中木糖只通过磷酸转酮酶（Phosphoketolase Pathway.PK）途径被代谢，并产生等摩尔的乳酸、二氧化碳和乙醇（或乙酸），其中产物乙醇和乙酸的比例取决于微生物中的氧化还原作用。
K.Tanaka 等人研究发现，乳酸乳球菌（Lactococcuslactis）以D-木糖为唯一碳源生产乳酸时，除了有磷酸转酮酶途径以外，还发现该菌种具有另外一条途径能从木糖生产乳酸，而此途径代谢木糖的产物只有乳酸。
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12新能源袁锦 3125912050
木糖在微生物体内的主要代谢途径
虽然半纤维素的降解比较容易，但其降解产物戊糖（主要是木糖）发酵产生乳酸则要比纤维素最终降解产物葡萄糖的发酵困难得多。
自然界存在着某些天然利用木糖的微生物，包括细菌、酵母菌和丝状真菌（主要为米根霉），真菌与细菌的木糖代谢途径不尽相同。
丝状真菌及酵母的木糖代谢途径利用木糖的丝状真菌及酵母的木糖代谢途径，首先是在依赖NADPH的木糖还原酶（Xylosereductase.XR）的作用下还原木糖为木糖醇，随后在依赖NAD的木糖醇脱氢酶（Xylitol Dehydrogenase）作用下氧化形成木酮糖，再经木酮糖激酶（Xylulokinase）磷酸化形成5-磷酸木酮糖，由此进入磷酸戊糖途径（Pentose Phosphate Pathway,PPP)。
PPP 途径的中间产物6-磷酸葡萄糖及3- 磷酸甘油醛通过酵解途径形成丙酮酸，丙酮酸再经L-乳酸脱氢酶以NADH为辅酶还原为L-乳酸。
酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）因缺乏木糖转化为木酮糖的酶，而不能利用木糖，但可以利用木糖的异构体—木酮糖。
在酿酒酵母菌中木酮糖也是先磷酸化形成5-磷酸木酮糖，进入PPP途径，经酵解形成乳酸。
细菌与酵母菌的木糖代谢差异
细菌的木糖代谢途径与真菌（米根霉等丝状真菌及酵母菌）的木糖代谢途径不同，细菌的木糖代谢途径是通过木糖异构酶直接转化木糖形成木酮糖，该酶不需要辅酶的参与，随后同样在木酮糖激酶的作用下磷酸化形成5-磷酸木酮糖进入磷酸转酮酶途径，进一步产生乳酸。
细菌中木糖的代谢途径
通常认为，在乳酸菌中木糖只通过磷酸转酮酶（Phosphoketolase Pathway.PK）途径被代谢，并产生等摩尔的乳酸、二氧化碳和乙醇（或乙酸），其中产物乙醇和乙酸的比例取决于微生物中的氧化还原作用。
K.Tanaka 等人研究发现，乳酸乳球菌（Lactococcuslactis）以D-木糖为唯一碳源生产乳酸时，除了有磷酸转酮酶途径以外，还发现该菌种具有另外一条途径能从木糖生产乳
酸，而此途径代谢木糖的产物只有乳酸。
根据了解，在L,lactis乳杆菌中，木糖的代谢途径是可变的。
当木糖的浓度小于5g/L，木糖在乳酸菌中是通过磷酸转酮酶途径代谢的，这一过程是催化5-磷酸木酮糖裂解为等摩尔体积的3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸。
因此利用戊糖产生乳酸的产量不会超过1.0mol/L而
L,lactis 10-1(JCM7638)在高浓度D-木糖的条件下乳酸的产量往往高于此理论值。
当木糖的浓度大于50g/L 时，乳酸的产量大于1.0mol/L，转酮醇酶和转醛醇酶活性增加，而磷酸转酮酶活性降低，木糖主要经过磷酸戊糖途径（Pentose Phosphate Pathway.PPP）进行代谢，3mol的5-磷酸木酮糖代谢最大产生5 mol 的3-磷酸甘油醛，结果是L-乳酸的产量增加而其他产物的产量减少。
然而，少量报道表明一些乳杆菌属（Lactobacillus）种，如乳杆菌种MONT4 几乎专门发酵。
特定的戊糖而生成乳酸。
乳杆菌种MONT4 中，戊糖不通过磷酸转酮酶途径异化，而只通过磷酸戊糖途径。
但是相比于磷酸转酮酶途径代谢每摩尔戊糖2个ATP，磷酸戊糖途径3 摩尔木糖产生5个ATP，这较低的ATP产量是戊糖发酵纯乳酸模式的乳酸细菌相对少的主要原因。