在纤维素水解液发酵生产乙醇的过程中,发酵液中存在多种可挥发性底物和产物(比如糠醛、乙酸),它们会对酿酒酵母产生毒害作用,从而抑制发酵过程。反复间歇真空发酵法能够有效的除去发酵液中的挥发性物质,解除它们对发酵过程的抑制,从而实现高效的乙醇生产。但是微生物在真空发酵过程中会受到真空发酵环境的影响,细胞形态和细胞行为都会发生变化,这些变化同时也会影响真空发酵的生产效率。因此获得对适应性酵母,并深入探究酵母对真空发酵的适应性与发酵性能之间的关系,对实现纤维素水解液真空发酵生产乙醇至关重要。本研究从蛋白组、代谢组和脂质组的角度分析原始酵母对反复间歇真空发酵(RBVF)的适应性进化机制;通过给氧活化的方法,获得一株具有真空适应性的乙醇高产菌株;集成多组学系统的分析了原始酵母和适应性酵母对反复间歇真空发酵响应机制的差异,探究酵母适应性与发酵性能之间的关系。本研究中反复间歇真空发酵采用50 mba的真空压力,通过间歇补料的方式控制糖浓度在20-100 g/L,历经420小时30个循环。发酵过程监控结果显示:从第13个循环开始酵母的活力减弱,死亡率上升,发酵能力下降,直到第30个循环酵母产乙醇能力又恢复,相当于第13个循环时的发酵水平,从而发现酿酒酵母在反复间歇真空发酵中存在适应性过程。实验发现有氧环境对从第13个循环取出的酵母的影响较大,因此通过对第13个循环的酵母给氧活化的方式,获得了真空适应性乙醇高产菌株。与原始酵母相比,在反复间歇真空发酵中细胞存活率较高,为98%,其单位细胞的乙醇生产能力是原始酵母的6倍。本文分别从蛋白质组、代谢组和脂质组三个方面分析了酿酒酵母对发酵过程的响应机制。1、蛋白质组分析发现酿酒酵母对反复间歇发酵的响应过程中与碳中心代谢相关蛋白的上调,与热激和氧化胁迫响应相关蛋白的上调,与细胞生长相关的基础基因蛋白发生变化,说明碳中心代谢各途径的再分配,氧化还原平衡的调控以及细胞形态和结构变化可能是酵母细胞对反复间歇发酵的适应性进化途径;2、代谢组分析揭示了酵母细胞对反复间歇真空发酵的适应性进化分为三个阶段。第一阶段,酵母细胞感受到真空条件并产生应激反应,积累保护性物质。第二阶段,酵母基本适应真空发酵,保护性物质的逐步下降。第三阶段,酵母活力减弱,发酵能力下降。碳中心代谢途径中间体代谢水平提高,与这些路径相关的氨基酸含量的减少可能是酵母对反复间歇真空发酵的适应性进化表现;3、脂质组学分析显示,反复间歇真空发酵引起细胞活性减弱,发酵能力下降的重要原因可能是激活了酵母中麦角固醇的合成途径中齿孔醇(eburicol)合成支路。同时酵母细胞通过CDP-choline途径,以及卵磷脂(PC)分子自身的转化合成PC分子,以及增强短链PI和PC的方式适应细胞膜组成的变化需求。本研究集成蛋白组、代谢组、磷脂组分析了原始酵母和适应性酵母对反复间歇真空发酵的响应差异,揭示了适应性酵母对反复间歇真空发酵的适应性表现在对细胞膜组成麦角固醇/磷脂和细胞曲率(PE/PC)稳定性的调控上。而适应性酵母的适应性是通过碳中心代谢途径中糖酵解途径被抑制,磷酸戊糖途径被削弱,TCA循环被激活,弥补了由于削弱的磷酸戊糖途径的氧化阶段所带来的NADPH的损失而实现的。在能量代谢上,适应性酵母通过调控保护性物质海藻糖和甘油的合成与分解所引入的ATP的无效循环抵消了反复间歇真空发酵所诱导的ATP代谢的不平衡性。进一步探究发现磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶催化的从草酞乙酸到磷酸烯醇式丙酮酸的回补反应维持充足的丙酮酸,可能是适应性酵母乙醇高产的主要原因。