李清福
五碳糖發酵生產生質酒精的前鋒--
Pichia stipitis酵母菌簡介
為解決石油危機及降低溫室氣體排放效應，生質酒精成為全球普遍接受之替代選項。生質酒精生產主要以農產廢棄物為理想基質，既可解決廢棄物污染，又不會如澱粉基質般產生食物排擠效應。農產廢棄物以纖維素、半纖維素及木質素為主要組成。前兩者成份占總量約60-90 %左右，經水解後可產生五碳及六碳單醣，其中以葡糖糖含量最高，木糖次之。酵母菌
Saccharomyces cerevisiae發酵葡萄糖生產酒精的效率極高，同時也已進入工業生產階段。然木糖的利用則因缺乏具有工業化價值的發酵菌株，使得其生產酒精的工業化產程受到限制。某些學者則利用基因工程改良菌株，以增進其木糖發酵能力，但菌株的穩定性仍為試驗成敗的關鍵。
近年來，學者致力於篩選木糖發酵菌株，具有該發酵能力的菌株遍及細菌及真菌，但仍以酵母菌最為普遍且效率較高。可發酵木糖之酵母菌類別廣泛，包括
Candida,
Pichia,
Clavispora,
Issatchenkia,
Kluyveromyces,
Kloeckera,
Torulaspora,
Geotrichum等屬的菌種(Rao
et al., 2008)，這些菌種當中，以
Pichia stipitis產量較高，其研究也最為徹底，尤其是
Pichia stipitis產量可高達41g/L酒精產量(Agbogbo and Wenger, 2007)，因此該菌種廣受重視且研究也最為深入。該酵母菌
Pichia stipitis為酵母科菌屬，在營養培養基質下，呈球形、橢圓或卵形之單細胞形態（圖一），但是當營養較缺乏情況下則可能產生菌絲或為菌絲（圖二），其雙套體細胞在適當培養基下也能轉化成子囊，並產生2-4顆球型孢子（圖三）。該菌種可分離自腐木或棲居其中之昆蟲幼體中。同時因為該菌種可產生木糖還原酶(xylose reductase, XR)及木糖醇去氫酶(xylitol dehydrogenase, XDH)兩酵素，依序將木糖還原成木糖醇後，再進一步氧化形成木酮糖，並利用木酮糖進ㄧ步發酵產生酒精。發酵過程中，
Pichia stipitis 對氧濃度極為敏感，於好氣下無法發酵，而完全無氧下，也無法發酵產生酒精(Delgenes
et al., 1996)，這一點與酒精發酵酵母菌
Saccharomyces cerevisiae在無氧狀態下才能大量發酵酒精的特性有極大的差異。除木糖外，
Pichia stipitis 還可發酵葡萄糖、甘露糖(mannose) 、半乳糖(galactose)及纖維二糖(cellobiose)等五碳及六碳糖。此菌種對不同醣類發酵酒精的速率取決於細胞對糖類之運送速率與優先性，因此在葡萄糖及木糖二單糖共存的情況下，木糖的吸收將因葡萄糖存在而受到限制。
Pichia stipitis 過去研究中曾用於發酵稻稈、麥稈、蔗渣、玉米梗、松木等木質纖維素等進行酒精發酵，發酵過程中，培養基成分與含量將影響酒精產量，其中胺基酸和氮源將與酒精產量有關，而銨鹽將可促進酒精產量(Slininger
et al., 2006)，另鎂離子於氧化還原平衡上扮演重要的角色，其濃度充足時，將有助於木糖發酵之酒精產量。
Pichia stipitis發酵最適溫度介於25~33℃間，最適pH值則為4.5~5.5。有氧狀態下將造成發酵停止。故惟有嫌氣狀態下，始能誘導
Pichia stipitis 發酵產生酒精，而於微好氣條件下，其酒精產量最高。另
Pichia stipitis 對酒精耐受性不高，成為該菌種發酵酒精的另一弱點。
木糖發酵的瓶頸，至今仍受制於菌種本身的特性。故許多學者利用突變或基因轉殖技術進行菌種改良，然而重組或改良後菌株仍有其使用上限制，故當前學者仍著重於
Pichia stipitis改良外，也從自然界中篩選發酵特性較佳菌種，以期有利於後續發酵製程及菌種改良。
* 圖說：1.Pichia stipitis 於營養培養基培養3天（25℃）後之細胞形態，刻度為10微米
* 作者：李清福
* 圖說：2.Pichia stipitis 於玻片覆蓋培養7天（25℃）後之菌絲形態，刻度為25微米
* 作者：李清福
* 圖說：3.Pichia stipitis 於產孢培養基培養7天（25℃）後之子囊及孢子形態，刻度為10微米
* 作者：李清福