当今世界存在着 3 大危机，即人口扩张、环境破坏及资源枯竭，这些危机正在全球范围日益蔓延^[1-3]。环境、能源和持续性发展已经成为目前世界性的问题。能源是人类社会经济生活中的重要物质基础，然而随着现代工业、农业和国防科技事业的迅猛发展，人类对能源的消耗量显著增加。乙醇是一种重要的化工原料，广泛用于化工、轻工、药品、食品添加剂、工业溶剂及防冻剂等。而乙醇作为燃料具有以下优点：①生产成本相对较低；②对环境的污染比汽油、柴油小得多；③20%的乙醇和汽油混合使用，汽车发动机不必改装；④其生产原料来源广泛。利用生物质生产燃料乙醇已经引起多国重视，经过上世纪 70 年代和 80 年代初 3 次石油危机的冲击，人们越来越清醒地认识到人类社会不能只依赖石油等化石资源获得能源，必须逐步扩大可再生的生物质资源的比例。全球经济的高速发展导致以石油为代表的不可再生的各类矿物质资源日益短缺，寻找可再生能源成为必然的趋势。

燃料酒精是公认的最有发展前景的可再生清洁能源之一，传统酒精生产是由淀粉质原料经发酵而得到，以木质纤维类生物质生产燃料酒精不仅能够降低燃料酒精生产的原料成本，同时在废物处理、环境保护等方面起到一定的作用 。木糖是木质纤维水解物中含量仅次于葡萄糖的一种单糖，以木糖发酵生产酒精，能使木质纤维原料酒精发酵的产量在原有的基础上增加25%^[3]，因此木糖发酵产生酒精是植物纤维资源综合利用的一条重要途径。

木糖发酵需要限制供氧 ,由于氧可作为终端电子受体来缓解木糖代谢起始两步的部分氧化还原失衡.在低比氧气利用速率下,电子转移系统不能够重新氧化呼吸和发酵产生的全部 NADH,导致细胞内的 NADH水平上升 ,使得 NAD -木糖醇脱氢酶活性下降,最终导致木糖醇的积累.以休哈塔假丝酵母与酿酒酵母为发酵菌株,木糖为发酵底物, 通过限制性供氧来提高糖利用率及乙醇得率 ,为工业化高糖浓度分批添料发酵制备乙醇的生产工艺提供理论基础 .

文献综述

2.1 木糖发酵机理

木糖的异构化是微生物代谢木糖的最初生化反应。自然界中木糖的代谢途径有两条: 其一，在大多数能利用木糖的细菌中，木糖首先在木糖异构酶的直接作用下，转化为木酮糖，该酶不需要辅酶的参与; 然后在木酮糖激酶的作用下转变成 5-磷酸木酮糖，随后进入磷酸戊糖途径( PPP) ，与 PPP 途径偶联的是 ED 途径，并通过 ED 途径产生乙醇，细菌的木糖代谢途径见图 1。

其二，在某些利用木糖的酵母及丝状真菌中，需经过两步氧化还原反应将木糖转化为木酮糖。首先在依赖于 NAD( P) H 的木糖还原酶的作用下将木糖转化为木糖醇; 然后依赖于 NAD 的木糖醇脱氢酶的作用将木糖醇转化为木酮糖，木酮糖经木酮糖激酶作用磷酸化后进入磷酸戊糖循环( PPP 途径) ，经过一系列的生物化学反应生成乙醇。整个代谢过程见图 2。糖发酵是在兼性厌氧条件下进行的，其总反应式为: 3C₅ H₁₀ O₅ = 5C₂ H₅ OH 5CO₂

酵母木糖代谢的途径比葡萄糖代谢的途径复杂得多，在代谢过程中部分木糖转化为其他副产物，因此，酵母木糖代谢产生酒精的理论得率为 0.46 克酒精 / 克木糖^[3]，低于葡萄糖酒精发酵的理论得率 0.51克酒精 / 克葡萄糖^[3]。

图 1真菌中的木糖代谢途径 图 2细菌中的木糖代谢途径

2.2 单菌、混菌发酵

在酵母细胞的混合糖发酵过程中，木糖的代谢途径比葡萄糖的代谢途径更为复杂，一般酵母细胞优先利用葡萄糖进行发酵。在酵母菌代谢过程中，木糖在木糖还原酶作用下转化为木糖醇，然后在木糖醇脱氢酶作用下转化为木酮糖，木酮糖经过磷酸化作用进入磷酸戊糖循环，经过一系列生化反应生成乙醇。

葡萄糖的存在会对木糖利用产生抑制作用，而酿酒酵母能够快速利用葡萄糖，解除葡萄糖对木糖的抑制作用，可通过固定化休哈塔假丝酵母和酿酒酵母混合菌戊糖和己糖同步发酵生产乙醇，加快葡萄糖代谢速率，从而缩短其对木糖代谢的抑制作用，进而提高休哈塔假丝酵母对木糖利用效率。固定化混合菌发酵较固定化单菌发酵木糖消耗快，这是因为固定化混合菌种发酵时酿酒酵母可快速利用葡萄糖，有效解除葡萄糖对木糖代谢的抑制作用。