合成生物催化剂:https://bioresourcesbioprocessing.springeropen.com/articles/10.1186/s40643-021-00375-5

酒精广泛应用于酿酒、医药、生物燃料等行业,传统发酵法生产酒精需先将玉米或木薯淀粉原料粉碎,之后经液化和糖化步骤释放葡萄糖,供酿酒酵母发酵利用,其中液化和糖化步骤需外源添加液化酶和糖化酶协助淀粉水解。如果酿酒酵母能够自行分泌糖化酶,水解液化醪产糖供自身生长,那么能够减少外源糖化酶添加,降低生产成本。近日,中科院杨晟研究员与安琪酵母公司合作,开发成功自分泌糖化酶的工业酿酒酵母菌株,节约了用酶成本。相关成果 Reducing glucoamylase usage for commercial-scale ethanol production from starch using glucoamylase expressing Saccharomyces cerevisiae发表在Bioresources and Bioprocessing期刊。

研究人员以酒精行业广泛使用的安琪耐高温酒精酵母为宿主,异源表达优选的糖化酶基因获得重组糖化酵母菌株。测试重组菌株乙醇、葡萄糖、NaCl、温度及pH耐受能力,发现可耐受14%v/v)乙醇,400 g/L葡萄糖和150 g/L NaCl。最高耐受温度为63 ℃,最低耐受pH3.0,整体性能同原始菌株持平。测试构建糖化酵母发酵玉米淀粉减酶效果,在摇瓶体系糖化酶用量减少70%时,酒精浓度保持不变;体系放大到工业级600吨发酵罐,糖化酶用量减少30%,菌株发酵性能没有下降,72 h产酒精浓度接近15%v/v)。进一步测试菌株发酵木薯淀粉时糖化酶减少情况,在50 L发酵罐中,糖化酶用量减少40%时,菌株耗糖能力、产酒精能力、活细胞数目同100%糖化酶添加量相比没有变化,72 h酒精浓度达到14%v/v),发酵完全。

研究人员进一步测试培养基添加廉价氮源及金属离子对菌株生长和酒精浓度影响,发现补加不同种类氮源可不同程度提高菌株发酵表型,其中尿素效果最好。金属离子中铜离子对菌株生长有明显抑制作用,镁、钾、锌、钠、亚铁、钙、锰离子对菌株生长无影响。测试常用发酵促进酶对菌株影响,发现酸性蛋白酶有促进作用,木聚糖酶、纤维素酶和植酸酶无影响。最后采用正交优化试验分析尿素、酸性蛋白酶、酵母接种量和糖化酶用量4个因素对菌株产酒精影响,经优化后酒精浓度提高18.5%

以上研究清楚表明使用新型自分泌糖化酶酵母,可至少节约40%糖化酶用量。按1吨酒精糖化酶成本30元计算,减少40%糖化酶用量,1吨酒精糖化酶成本可节约12元,年产10万吨酒精可节约成本120万元,具有显著经济效益,进一步表达淀粉酶等外源基因将有望进一步节支增效。



 


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