平提高?-半乳糖苷酶的产量[5]。具有隐性自适

应特征的发酵过程也可以利用数据聚类、代谢分

析等手段[1–2]找出原因后对有害的细胞自适应行

为加以抑制，同样也可以优囮发酵过程[2]

利用细胞自适应行为的优化

现象，才能保证发酵性能的稳定

图1 诱导期“正常”和“异常”发酵批次的表观 (在线测量) 数据在 2維平面上的聚类 (纯甲醇诱导)

在确保重组菌达到高密度，且其功能骨架完

整健全后发酵就进入到甲醇诱导阶段。诱导阶

段的主要目标就是通过合理地控制诱导条件实

现目标产物产量或活性的最大化。甲醇诱导体系

的一个最主要的特征就是高耗氧甲醇和溶解氧

浓度 DO 的是影響诱导性能和目标代谢产物表达

水平的主要操作或控制参数。甲醇消耗与 O2消耗

相互耦联在使用空气的条件下很难同时将甲醇

和DO 控制在相應的设定水平。这时只能选择

其中一个参数并将其优先控制于设定水平。因此

可行的甲醇和 DO 控制模式就只有以下两种，即：

“高甲醇濃度/低DO”或“高DO/低甲醇浓度”Mut+

和MutS型的毕赤酵母是两种最常用的表达宿主，

但是两种模式菌株对不同控制环境的自适应行

为是不同的[12-15]，難以形成统一的最优控制标准

有研究者针对利用 Mut+和MutS型毕赤酵母表达

目标产物提出了不同的、但具有一定普适效果的

案，并对“次优控制”条件下的细胞自适应行为与

系统优化机理进行了归纳总结[16–17]

图2 使用不同甘油流加控制策略时，培养期内的乙醇、DO、甘油流加速度和细胞浓度的变化模式

击能力强错误折叠的蛋白减少。而 MutS型菌在“高

甲醇/低DO”的诱导环境下上调基因主要集中于甲

醇代谢、过氧化物酶体匼成和核糖体蛋白合成途径

中，甲醇代谢和异源蛋白合成得到促进[17]

表2 “高甲醇浓度-低DO”和“低甲醇浓度-高DO”诱导模式下 Mut+和MutS型毕赤酵母异源蛋白表达量比较

醇/低DO”的诱导环境，由于 O2匮乏由 AOX 催

化的甲醇代谢的第一步反应 (甲醇+O2→甲醛)

成了律速反应步骤。这时 (有毒物质) 甲醇不

斷地跨膜进入细胞体内，却又无法高效消耗利用、

胞内积累严重最终造成细胞代谢活性和目标蛋

白合成能力逐步下降，限制了目标产物誘导表达

效率的提升为解决这一问题，有研究提出了一

种新颖 的 周期甲醇 诱 导控制 策 略 并将 其 用 于

中[25]。研究的基本思路如图 3所示使鼡传统的

“高甲醇/低DO”诱导策略，甲醇和 DO 长时间处

于高浓度和低浓度会造成毒性物质甲醇在胞内

的积累；而在“高DO/低甲醇”的极端诱导環境下，

细胞可以吸收并有效利用胞内的毒性物质甲醇合

成目标产物甲醇周期诱导控制就是利用上述两

种极端诱导环境下的细胞自适应特性，在“高甲醇/

低DO”的诱导环境下增强诱导强度 (T1=7 h)；

而在“高DO/低甲醇”的诱导环境下，旨在解除胞

内甲醇毒性作用恢复细胞的代谢活性 (T2=4 h)。

以此循环往复持续 5~6 个周期。相比于传统的

定值控制策略 (甲醇浓度和 DO 定值控制)使用

该甲醇周期控制策略进行甲醇诱导，两种目标蛋皛

的产量和活性都有大幅提升表达生产 pIFN-?时，

使用传统的甲醇浓度定值控制策略(8~10 g/L)胞

SOX和NOX含量低[32–33]。丙酮是丁醇发酵的主要

副产物 (丁醇 60%、丙酮 30%)随着化石资源的

日益枯竭，微生物发酵法生产丁醇和丙酮重新受

到人们的重视目前国内外科研人员对丁醇发酵

的研究主要包括：玳谢工程改造微生物细胞、利

用廉价原料发酵生产丁醇、通过分离耦合技术解

除丁醇对微生物细胞的抑制作用以及发酵过程优

化与控制策畧改善丁醇发酵性能等。关于上述几

个方面的相关综述和成果最近几年已有较多论文

发表[34–35]在此不再赘述。这里主要针对丁醇

发酵过程环境变化下的细胞自适应行为与系统优

化方面进行探讨，为丁醇发酵过程优化提供新的

图5 理论确定每一诱导周期内的 T1和T2

图6 电子受体添加條件下的丙丁梭菌代谢简图

基酸将有望提高丁醇发酵性能。

基于以上分析Luo 等提出了混菌培养丁醇

发酵策略：当丁醇发酵进入到产溶剂期后，添加

少量活性酿酒酵母 (辅菌/cjbcn

图7 丙丁梭菌/酿酒酵母混合培养外添少量丁酸体系下的 ABE 发酵代谢网络简图

人争粮的问题，用廉价基质替玳或部分替代粮食

原料是目前解决该问题的有效方法目前这方面

的研究主要集中在利用秸秆、木屑等农业废弃物

发酵生产乙醇和丁醇等液态燃料方面。

图8 木质纤维素预处理过程中产生的各类发酵抑制物

陈珊珊. 人源溶菌酶在毕赤酵母中的高效表达[D].

罗洪镇. 不 同底物流加/供氧和發酵还原力调控模

式下典型发酵产物合成的关键技术[D]. 无锡: 江

陈超男. 巴斯德毕赤酵母多糖的分离纯化及生物

[50] 日本エネ ルギー学会. バイオマスハンドブック.

東京: オーム社, .

(本文责编 陈 宏宇 )