Sức chống chịu furfural và sự chuyển hóa glucose và xylose thành ethanol của nấm men blastorotrys adeninivorans XE1

JSLHU JOURNAL OFSCIENCE<br /> JOURNAL OF SCIENCE https://tapchikhdt.lhu.edu.vn<br /> OFJSLHU<br /> LAC HONG<br /> OF UNIVERSITY<br /> LAC HONG UNIV ERSITY T p chí Khoa h c L c Hhttp://tapchikhdt.lhu.edu.vn<br /> ng<br /> T p chí Khoa h c L c H ng 2019, 7, 001-001<br /> <br /> <br /> S C CH NG CH U FURFURAL VÀ S CHUY N HÓA GLUCOSE VÀ<br /> XYLOSE THÀNH ETHANOL C A N M MEN<br /> BLASTOBOTRYS ADENINIVORANS XE1<br /> Furfural tolerance and glucose and xylose conversion to ethanol of yeast<br /> Blastobotrys adeninivorans XE1<br /> Phan Th Ph m*, Nguy n Tr ng Anh, Minh Anh<br /> Khoa K thu t Hóa h c và Môi Tr ng, Tr ng i h c L c H ng, ng Nai, Vi t Nam<br /> <br /> TÓM T T. S c ch ng ch u v i c t và kh n ng chuy n hóa c ng glucose và xylose trong s n ph m th y phân thành<br /> ethanol c a vi sinh v t là các y u t quan tr ng trong s n xu t ethanol th h hai. Th c nghi m cho th y n m men Blastobotrys<br /> adeninivorans XE1 có th ch ng ch u furfural n ng 3 g/L và có kh n ng chuy n hóa c glucose và xylose thành ethanol.<br /> Trong vòng 6 gi , n m men này ã phân h y hoàn toàn furfural, sau ó t o ra 8,87 g/L ethanol (hi u su t 58%) và 1,81 g/L<br /> xylitol khi c y kho ng 108 CFU n m men trong 50 ml môi tr ng g m 3 g/L furfural, 20 g/L glucose, 10 g/L xylose, 5 g/L<br /> peptone and 3 g/L yeast extract.<br /> T KHÓA: Furfural, ethanol, glucose and xylose conversion<br /> ABSTRACT. Inhibitor tolerance and conversion of both glucose and xylose in hdrolysate to ethanol of microorganism are<br /> important factors for second generation ethanol production. Experiment showed that the yeast Blastobotrys adeninivorans<br /> XE1 was able to resist to 3 g/L furfural and convert both glucose and xylose to ethanol. Within 6 h, this yeast degraded all<br /> furfural, then produced 8.87 g/L ethanol and 1.81 g/L xylitol when inoculating approximately 108 CFU yeast into 50 ml<br /> medium which contained 3 g/L furfural, 20 g/L glucose, 10 g/L xylose, 5 g/L peptone and 3 g/L yeast extract.<br /> KEYWORDS: Furfural, ethanol, s chuy n i glucose và xylose<br /> <br /> 1. GI I THI U c bi t là th y phân b ng hóa ch t, th ng sinh ra các ch t<br /> c ch vi sinh v t mà furfural c xem là ch t i di n<br /> Nh m gi m áp l c lên ngu n nhiên li u hóa th ch ang<br /> [9,10]. Trong m t s nghiên c u thành công v s n xu t<br /> ngày càng c n ki t và gây ô nhi m môi tr ng, th gi i c ng<br /> ethanol th h hai (n ng ethanol sinh ra t kho ng 4%<br /> nh Vi t Nam ã và ang y m nh nghiên c u và a vào<br /> v/v), n ng furfural kho ng 0,9 g/L, cùng v i tác ng hi p<br /> s d ng các ngu n nhiên li u m i, thân thi n v i môi tr ng.<br /> l c c a m t s ch t c ch khác ã nh h ng áng k n<br /> Theo c tính c a ngành d u khí Vi t Nam, nhu c u nhiên<br /> quá trình t o ethanol c a vi sinh v t [11,12]. Vi c lo i b các<br /> li u hóa l ng c a Vi t Nam n m 2020 là 2,1 tri u t n/n m.<br /> ch t c ch này có th th c hi n b ng cacbon ho t tính hay<br /> Tuy nhiên, v i tình hình khai thác và s d ng nh hi n nay,<br /> k t t a trong môi tr ng ki m cao. Tuy nhiên, công o n này<br /> Vi t Nam s s m c n ki t lo i tài nguyên này [1]. Trong các<br /> làm t ng chi phí s n xu t và m t l ng ng áng k c ng<br /> lo i nhiên li u m i, thân thi n v i môi tr ng, ethanol sinh<br /> m t i do s lôi cu n hay bám dính [13–15]. Do v y, vi c<br /> h cr t c quan tâm vì nó có th s d ng b sung hay<br /> tìm ki m các vi sinh v t có th chuy n hóa c hai ng<br /> thay th x ng t nhiên li u hóa th ch. Ngoài ra, ây là ngu n<br /> glucose và xylose thành ethanol và có s c ch ng ch u v i<br /> nhiên li u s ch vì quá trình s n xu t và s d ng ethanol sinh<br /> furfural là h ng nghiên c u r t ang c chú ý. Trong bài<br /> ra ít khí th i CO2 h n so v i quá trình s n xu t và s d ng<br /> báo này, n m men Blastobotrys adeninivorans XE1, m t<br /> x ng truy n th ng nhi u xét trên cùng m t m c n ng l ng<br /> gi ng n m men c phân l p t lá trà lên men, có th s<br /> t o ra [1,2-4]. Do ó, ethanol sinh h c không nh ng óng<br /> d ng nhi u ngu n carbon [16], s c kh o sát v kh n ng<br /> góp vào s gi m phát th i CO2 mà còn là gi i pháp cho ngành<br /> lên men ng glusoe và xylose thành ethanol và s c ch ng<br /> d u khí Vi t Nam hi n t i và t ng lai. Hi n t i, s n xu t<br /> ch u v i ch t c ch furfural, h ng n dùng làm vi sinh v t<br /> ethanol sinh h c th h m t g p nhi u c nh tranh v giá và<br /> chuy n hóa ng thành ethanol trong s n xu t ethanol th<br /> an ninh l ng th c vì th ng ngu n nguyên li u s n xu t là<br /> h hai.<br /> tinh b t t cây l ng th c và ng c c [5,6]. Vì v y, s n xu t<br /> ethanol sinh h c th h hai d a trên ngu n nguyên li u là 2. N I DUNG<br /> lignocellulose th i có nhi u u th h n và do ó r t c<br /> 2.1 V t li u và ph ng pháp<br /> quan tâm hi n nay.<br /> Trong s n xu t ethanol th h hai, quá trình s n xu t g m Gi ng n m men<br /> hai công o n quan tr ng là th y phân cellulose và Vi sinh v t c dùng kh o sát kh n ng chuy n hóa<br /> hemicellulose trong v t li u lignocellulose thành các ng ng glucose và xylose thành ethanol sinh h c và ch ng<br /> n và chuy n hóa các ng này thành ethanol. Vi c lên ch u furfural c t là n m men B. adeninivorans XE1 [16].<br /> men c hai ng chính g m glucose t cellulose và xylose N m men c tr i trên môi tr ng th ch YM g m 10 g/L<br /> t hemicellulose (glucose th ng nhi u h n xylose) thành glucose, 5 g/L peptone, 3 g/L yeast extract, 3 g/L malt extract<br /> ethanol góp ph n quan tr ng trong hi u qu c a quá trình s n<br /> xu t vì hi n nay, h u h t các vi sinh v t t nhiên ph bi n Received: July, 1st, 2019<br /> trong s n xu t ethanol sinh h c nh Saccharomyces Accepted: July, 26th, 2019<br /> cerevisiae ch có th t o thành ethanol t ng glucose *Corresponding Author<br /> [7,8]. Ngoài ra, quá trình th y phân v t li u lignocellulose, Email:pham8384@gmail.com<br /> <br /> T p chí Khoa h c L c H ng 23<br /> S c ch ng ch u furfural và s chuy n hóa glucose và xylose thành ethanol c a n m men B. adeninivorans XE1<br /> và 15 g/L agar ( c i u ch nh pH kho ng 5 b ng HCl và 2.2 K t qu và th o lu n<br /> h p kh trùng tr c khi c a ngu i) và t vào t<br /> S chuy n i glucose và xylose thành ethanol b i n m<br /> nuôi 30oC trong 48 h, sau ó c b o qu n nhi t 4oC<br /> men B. adeninivorans XE1<br /> trong vòng 30 ngày. Môi tr ng nhân gi ng n m men là bình<br /> Thí nghi m E1 và E2 c th c hi n nh m kh o sát kh<br /> th y tinh 100 ml có ch a 50 ml môi tr ng YM l ng không<br /> n ng t o ethanol t ng glucose và xylose c a n m men<br /> ch a agar, c i u ch nh pH kho ng 5, có nút y và c<br /> B. adeninivorans XE1. Hình 1 cho th y B. adeninivorans<br /> h p kh trùng và làm ngu i tr c khi c y nhân gi ng n m<br /> XE1 có kh n ng s d ng c ng glucose và xylose<br /> men. Dùng que c y tròn l y 1 m u u que y n m men c y<br /> chuy n thành ethanol.<br /> vào bình nhân gi ng và nuôi t nuôi 30oC, t c l c 120<br /> vòng/phút. Sau 36 gi nuôi nhân gi ng, n ng n m men<br /> kho ng 108 CFU/ml.<br /> Hóa ch t<br /> Các hóa ch t c dùng trong nghiên c u này do Merck,<br /> c s n xu t.<br /> B trí thí nghi m<br /> kh o sát kh n ng chuy n i ng glusoe và xylose<br /> thành ethanol và ch ng ch u v i ch t c ch furfural c a n m<br /> men B. adeninivorans XE1, các thí nghi m v i các n ng<br /> glucose, xylose, furfural c b trí nh b ng 1.<br /> B ng 1. B trí thí nghi m<br /> Thí<br /> Thành ph n N m men<br /> nghi m<br /> 20 g/L glucose L y li tâm 1 ml môi<br /> E1 5 g/L peptone tr ng nhân gi ng<br /> 3 g/L yeast extract sau 36 h nuôi n m<br /> 10 g/L xylose men B.<br /> E2 5 g/L peptone adeninivorans XE1,<br /> 3 g/L yeast extract sau ó b ph n<br /> 20 g/L glucose l ng bên trên, ch l y<br /> 10 g/L xylose ph n l ng bên d i<br /> E3 5 g/L peptone a vào bình thí<br /> 3 g/L yeast extract nghi m<br /> 1 g/L furfural<br /> 20 g/L glucose<br /> 10 g/L xylose Hình 1. Kh n ng chuy n i glucose và xylose thành ethanol<br /> E4 5 g/L peptone b i n m men B. adeninivorans XE1<br /> 3 g/L yeast extract Trong môi tr ng lên men v i c ch t là glucose (Hình 1.<br /> 2 g/L furfural<br /> E1), n m men nhanh chóng s d ng glucose và chuy n thành<br /> 20 g/L glucose<br /> 10 g/L xylose ethanol. Sau 24 gi c y nuôi, n m men ã s d ng h t 20,03<br /> E5 5 g/L peptone g/L ng glucose và n ng ethanol cao nh t t c là<br /> 3 g/L yeast extract 7,21 g, n ng su t 0,36 g ethanol/g glucose, hi u su t 71%.<br /> 3 g/L furfural i v i môi tr ng lên men v i c ch t là xylose (Hình 1.<br /> Các môi tr ng thí nghi m c chu n b v i thành ph n E2), tuy có ch m h n so v i glucose nh ng n m men B.<br /> nh B ng 1, c i u ch nh pH kho ng 5. Sau ó l y 50 ml adeninivorans XE1 c ng ã s d ng h t 9,93 g xylose trong<br /> m i môi tr ng cho vào các bình th y tinh 100 ml có nút y vòng 30 gi sau khi c y nuôi và t o ra n ng ethanol cao<br /> và h p kh trùng, làm ngu i tr c khi c y n m men. Các thí nh t t 2,06 g/L ethanol, n ng su t 0,21 g/L, hi u su t 41%.<br /> nghi m lên men c th c hi n t nuôi 30oC, t c l c Trong môi tr ng lên men v i c ch t xylose, ngoài ethanol<br /> 120 vòng/phút. Sau m i 3, 6 hay 12 gi nuôi, m u s c còn thu c 1,97 g xylitol. ây là s n ph m ph trung gian<br /> l y phân tích. M i thí nghi m u c th c hi n l p l i. r t áng quan tâm c a quá trình trao i, chuy n hóa các ch t<br /> c a n m men t ng xylose. Xylitol r t có ý ngh a v d c<br /> Phân tích và tính toán ph m nên có th nghiên c u sâu thêm tính ch t này c a n m<br /> N ng glucose, xylose, xylitol, ethanol và furfural c men B. adeninivorans XE1.<br /> o c b ng máy s c kí l ng hi u n ng cao (High- Hi u su t s n xu t ethanol c a vi sinh v t s n xu t ethanol<br /> performance liquid chromatography - HPLC) s d ng c t nói chung và n m men B. adeninivorans XE1 nói riêng<br /> phân tích ng Shodex SH1011, u dò RI, L – 3300 không t 100% b i m t ph n ng ã c vi sinh v t s<br /> (Hitachi Ltd., Nh t B n). Các phân tích c th c hi n 3 l n. d ng cho s phát tri n sinh kh i và t o m t s s n ph m ph<br /> Hi u su t t o ethanol c a n m men B. adeninivorans XE1 khác [12]. Hình 1 còn c ng c thêm m t c i m khác các<br /> c ánh giá d a trên t s gi a n ng su t ethanol th c t vi sinh v t có th lên men ng th i ng c xylose và<br /> và lí thuy t. Theo ph ng trình ph n ng t o ethanol t glucose là t c và hi u su t lên men t ng glucose c a<br /> ng glucose và xylose, n ng su t lí thuy t là 0,51 g sinh v t cao h n t ng xylose vì s hình thành ch m ATP<br /> ethanol/g ng glucose ho c/và xylose b tiêu th . N ng trong quá trình trao i ch t c a vi sinh v t t ng xylose<br /> su t th c t là l ng (g) ethanol sinh ra/g ng glucose [18].<br /> ho c/và xylose b tiêu th [15,17].<br /> <br /> <br /> <br /> 24 T p chí Khoa h c L c H ng<br />  Phan Th Ph m, Nguy n Tr ng Anh, Minh Anh<br /> S c ch ng ch u furfural c a n m men B. adeninivorans 3. K T LU N<br /> XE1<br /> N m men B. adeninivorans XE1 có th chuy n hóa c<br /> S c ch ng ch u furfural c a n m men B. adeninivorans<br /> ng glucose và xylose thành ethanol v i hi u su t 58%<br /> XE1 c th c hi n b ng 3 thí nghi m E3, E4 và E5. Hình 2<br /> trong môi tr ng g m 3 g/L furfural, 20 g/L glucose, 10 g/L<br /> s bi u hóa k t qu thí nghi m E3 và E5.<br /> xylose nên là vi sinh v t ti m n ng cho s n xu t ethanol sinh<br /> h c th h hai. Tuy nhiên, ây ch m i là k t qu nghiên c u<br /> trên môi tr ng nhân t o. Do ó, c n có nh ng nghiên c u<br /> sâu h n, c th h n v c ch t th t (s n ph m th y phân t<br /> v t li u lignocellulose) c ng nh i ch ng, so sánh kh<br /> n ng chuy n hóa ng glucose và xylose c ng nh s c<br /> ch ng ch u furfural c a m t s vi sinh v t khác trong cùng<br /> i u ki n nuôi c y có th l a ch n, ánh giá kh n ng ng<br /> d ng n m men này vào quá trình s n xu t ethanol sinh h c<br /> th h hai.<br /> 4. L I C M N<br /> Nhóm tác gi xin c m n Vi n Công ngh Tokyo, Nh t<br /> B n ã h tr v gi ng n m men và thi t b k thu t th c<br /> hi n nghiên c u này. Nhóm tác gi c ng xin c m n tr ng<br /> i h c L c H ng ã t o i u ki n v tài chính nhóm tác<br /> gi có th hoàn thành nghiên c u.<br /> 5. TÀI LI U THAM KH O<br /> [1] Phan Th Ph m, Lê Th Thu H ng, oàn Th Tuy t Lê, Lê Phú<br /> ông. S chuy n i sinh kh i lignocellulose: T ph th i n<br /> nguyên li u ti m n ng cho s n xu t ethanol sinh h c th h th<br /> hai t i Vi t Nam. T p chí Khoa h c L c H ng, 2017, s c<br /> bi t, 159-164.<br /> [2] Ngô Quang Nhâm, Nguy n Quang Kh i, Tr n V n M nh,<br /> Ph m Ng c Hòa, Phan Th Ph m. Ti m n ng s n xu t ethanol<br /> sinh h c t ph th i nông nghi p t i ng Nai nh m gi m s<br /> d ng x ng t nhiên li u hóa th ch. T p chí Khoa h c L c H ng,<br /> 2017, S c Bi t,180-183.<br /> [3] Schmer, M. R.; Vogel, K. P.; Varvel, G. E.; Follett, R. F.;<br /> Mitchell, R. B. and Jin, V. L. Energy Potential and Greenhouse<br /> Hình 2. S c ch ng ch u furfural c a n m men<br /> Gas Emissions from Bioenergy Cropping Systems on<br /> B. adeninivorans XE1<br /> Marginally Productive Cropland. PLoS One, 2014, 9 (3).<br /> Trong các thí nghi m này, n m men c nuôi c y trên [4] Ramos, J. and Valdivia, M. Opinion Bene fits and perspectives<br /> môi tr ng nhân t o h n h p g m glucose, xylose và furfural on the use of biofuels. Microb. Biotechnol., 2016, 9, 436-440.<br /> vì ây là các thành ph n ch y u trong s n ph m th y phân, [5] Mohr, A. and Raman, S. Lessons from first generation biofuels<br /> c bi t là th y phân b ng hóa ch t v t li u lignocellulose. and implications for the sustainability appraisal of second<br /> S c ch ng ch u furfural c a n m men B. adeninivorans XE1 generation biofuels. Energy Policy, 2013, 63, 114-122.<br /> thí nghi m E4 t ng t E3 nên không c th hi n b ng [6] Branco, R. H.; Serafim, R. S. and Xavier, A. M. R. B. Second<br /> th . Hình 2 cho th y khi trong môi tr ng có s hi n di n Generation Bioethanol Production : On the Use of Pulp and<br /> c a furfural, n m men ã phân h y furfural tr c khi s d ng Paper Industry Wastes as Feedstock. Fermentation, 2019, 5 (4),<br /> 1-30.<br /> glucose và xylose chuy n thành ethanol. ây là c tính<br /> [7] Ishola, M. M.; Ylitervo, P. and Taherzadeh, M. J. Co-<br /> chung c a nhi u n m men và n u furfural n m trong gi i h n Utilization of Glucose and Xylose for Enhanced<br /> s c ch u ng c a n m men, furfural s c chuy n hóa Lignocellulosic Ethanol Production with Reverse Membrane<br /> thành furoic acid trong môi tr ng hi u khí ho c furfuryl Bioreactors. Membranes (Basel)., 2015, 5, 844-856.<br /> trong môi tr ng k khí [10]. Hình 2 c ng cho th y khi t ng [8] Buzała, K.; Kalinowska, P. H.; Przybysz, P. and Małachowska,<br /> n ng furfural t 1 g/L n 3 g/L ã nh h ng n t c E. Conversion of various types of lignocellulosic biomass to<br /> phân h y furfural (m t nhi u th i gian h n) và quá trình t o fermentable sugars using kraft pulping and enzymatic<br /> ethanol c a n m mem B. adeninivorans XE1 c ng ch m h n hydrolysis. Wood Sci. Technol., 2017, 51 (4), 873-885.<br /> (sau 12 gi nuôi c y). Tuy v y, cu i thí nghi m E3 và E5, [9] Ylitervo, P.; Franzén, C. J. and Taherzadeh, M. J. Impact of<br /> Furfural on Rapid Ethanol Production Using a Membrane<br /> k t qu t o ethanol t ng t nhau (E3: 9,25 g/L ethanol,<br /> Bioreactor. Energies, 2013, 6, 1604-1617.<br /> 60%; E5: 8,87 g/L ethanol, 58%). Ngoài ra, s n ph m ph [10]Field, S. J. et al. Identification of furfural resistant strains of<br /> xylitol c ng c t o thành t quá trình t o ethanol t ng Saccharomyces cerevisiae and Saccharomyces paradoxus from<br /> xylose có trong h n h p. Nh ã c pt u, trong dung a collection of environmental and industrial isolates.<br /> d ch th y phân b ng hóa ch t v t li u cellulose trong các Biotechnol. Biofuels, 2015, 8, 1-8.<br /> nghiên c u thành công v s n xu t ethanol th h hai, n ng [11] Sun, Z.; Tang, Y.; Iwanaga, T.; Sho, T. and Kida, K.<br /> furfural kho ng 0,9 g/L. Do ó, n m men B. Bioresource Technology Production of fuel ethanol from<br /> adeninivorans XE1 trong nghiên c u này ch u c n ng bamboo by concentrated sulfuric acid hydrolysis followed by<br /> furfural 3 g/L furfural nên c xem là có s c ch ng ch u continuous ethanol fermentation. Bioresour. Technol., 2011,<br /> 102 (23), 10929–10935.<br /> v i c t furfural, thích h p dùng làm tác nhân chuy n hóa<br /> [12]Tanaka, K. et al. International Biodeterioration &<br /> sinh h c cho quá trình s n xu t ethanol sinh h c th h hai. Biodegradation Production of high-concentration bioethanol<br /> <br /> <br /> T p chí Khoa h c L c H ng 25<br /> S c ch ng ch u furfural và s chuy n hóa glucose và xylose thành ethanol c a n m men B. adeninivorans XE1<br /> from cassava stem by repeated hydrolysis and intermittent yeast Bioresour. Technol., 2011, 102 (11), 6473–6478.<br /> inoculation. Int. Biodeterior. Biodegrad., 2019, 138, 1–7. [16]Abe, M.; Takaoka, N.; Idemoto, Y. et al. International Journal<br /> [13]Martinez, A.; Rodriguez, M. E.; York, S. W.; J. F. and Preston, of Food Microbiology Characteristic fungi observed in the<br /> L.; Ingram, O. Effects of Ca ( OH ) 2 Treatments (‘ Overliming fermentation process for Puer tea. Int. J. Food Microbiol., 2008,<br /> ’) on the Composition and Toxicity of Bagasse Hemicellulose 124, 199–203.<br /> Hydrolysates. Biotechnol. Bioeng., 2000, 69, 526–536. [17]Srimachai, T.; Nuithitikul, K.; O-thong, S. and Kongjan, P.<br /> [14]Chandel, A. K.; Singh, O. V; Rao, L. V.; Chandrasekhar, G. Optimization and Kinetic Modeling of Ethanol Production from<br /> and Narasu, M. L. Bioresource Technology Bioconversion of Oil Palm Frond Juice in Batch Fermentation, Energy Procedia,<br /> novel substrate Saccharum spontaneum , a weedy material , into 2015, 79, 111 - 118.<br /> ethanol by Pichia stipitis NCIM 3498. Bioresour. Technol., [18]Nielsen, F.; Zacchi, G.; Galbe, M. and Wallberg, O. Sequential<br /> 2011, 102 (2), 1709–1714. Targeting of Xylose and Glucose Conversion in Fed-Batch<br /> [15] Yadav, K. S.; Naseeruddin, S.; Prashanthi, G. S.; Sateesh, L. Simultaneous Saccharification and Co-fermentation of Steam-<br /> and Rao, L. V. Bioresource Technology Bioethanol Pretreated Wheat Straw for Improved Xylose Conversion to<br /> fermentation of concentrated rice straw hydrolysate using co- Ethanol. Bioenerg. Res., 2017, 10, 800–810.<br /> culture of Saccharomyces cerevisiae and Pichia stipitis,”<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 26 T p chí Khoa h c L c H ng<br />