菊糖酶提高釀酒酵母利用菊糖產(chǎn)乙醇能力的研究進(jìn)展

李麗麗,侯英敏,郭小宇,楊　帆,李憲臻

(大連工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院，遼寧大連 116034)

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菊糖酶提高釀酒酵母利用菊糖產(chǎn)乙醇能力的研究進(jìn)展

李麗麗,侯英敏,郭小宇,楊帆*,李憲臻

(大連工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院，遼寧大連 116034)

化石能源的枯竭和生態(tài)環(huán)境的惡化,使乙醇等清潔能源的生產(chǎn)受到越來越多的關(guān)注。作為非糧作物的菊芋,因富含菊糖且生態(tài)適應(yīng)能力極強(qiáng),是生產(chǎn)乙醇的優(yōu)良生物質(zhì)原料。但因絕大多數(shù)釀酒酵母不具有菊糖降解能力,而無法直接利用菊糖生產(chǎn)乙醇,阻礙了利用菊芋生產(chǎn)乙醇的工業(yè)化進(jìn)程。本文總結(jié)了近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用發(fā)酵工程和基因工程手段優(yōu)化菊糖生產(chǎn)乙醇的研究進(jìn)展,探討了菊糖酶在釀酒酵母生產(chǎn)乙醇中所起到的關(guān)鍵作用,并展望了利用菊糖降解元件的數(shù)據(jù)庫(kù)挖掘及釀酒酵母菊糖酶的表面展示實(shí)現(xiàn)乙醇高效生產(chǎn)的前景。

生物乙醇,菊糖酶,發(fā)酵工程,基因工程

燃料乙醇是一種潔凈的可再生能源,對(duì)于解決化石能源危機(jī)及環(huán)境污染意義重大[1]。鑒于我國(guó)人多地少、糧食生產(chǎn)壓力大的基本國(guó)情,以甘蔗、玉米為原料的乙醇生產(chǎn)因爭(zhēng)糧爭(zhēng)地而限制了其發(fā)展空間[2];以纖維素為原料的乙醇生產(chǎn),雖然容易獲得且不與人爭(zhēng)糧,但高成本的預(yù)處理過程嚴(yán)重阻礙了其工業(yè)化進(jìn)程[3-4]。富含菊糖的菊芋具有很強(qiáng)的抗逆能力。研究發(fā)現(xiàn),菊芋能夠替代玉米淀粉生產(chǎn)乙醇[3],且生產(chǎn)1 t乙醇的原料成本比淀粉低1200～1500元,優(yōu)勢(shì)明顯。

菊糖是由D-呋喃果糖通過β-2,1糖苷鍵相連而成的鏈狀多聚果糖,其還原末端為葡萄糖殘基,聚合度為2～60[4](圖1)。目前,僅有少數(shù)幾類微生物能夠直接利用菊糖生產(chǎn)乙醇,但其乙醇生產(chǎn)能力有限[5]。釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)具有其他菌株無法比擬的優(yōu)點(diǎn),如乙醇生產(chǎn)能力強(qiáng)、針對(duì)該酵母的遺傳操作平臺(tái)成熟、操作簡(jiǎn)單,有利于基因工程改造[6],已成為利用菊糖生產(chǎn)乙醇的首選微生物。然而,大多數(shù)釀酒酵母菌株都不能有效利用菊糖生產(chǎn)乙醇,嚴(yán)重制約了菊糖基生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇的工業(yè)化進(jìn)程[7]。

圖1　菊糖的分子結(jié)構(gòu)Fig.1　The molecular structure of inulin

目前,越來越多的新策略被用于釀酒酵母的菊糖發(fā)酵過程優(yōu)化、菌種改良及代謝調(diào)控,以克服菌株自身局限性。本文從利用菊糖酶提高釀酒酵母的菊糖發(fā)酵性能角度出發(fā),綜合評(píng)述了國(guó)內(nèi)外在強(qiáng)化釀酒酵母菊糖降解活性、提高乙醇生產(chǎn)能力等方面的研究進(jìn)展,并展望了菊糖降解相關(guān)元件的進(jìn)一步挖掘及細(xì)胞表面展示技術(shù)在改造釀酒酵母以提高其利用菊糖生產(chǎn)乙醇性能中的應(yīng)用。

1　菊糖酶及其生產(chǎn)菌輔助釀酒酵母利用菊糖生產(chǎn)乙醇

傳統(tǒng)乙醇生產(chǎn)工藝是先將菊糖基生物質(zhì)酸水解為果糖,再由釀酒酵母發(fā)酵轉(zhuǎn)化為乙醇。然而,酸水解處理菊糖基生物質(zhì)常伴有抑制劑產(chǎn)生[8],且環(huán)境不友好。因此,研究者則致力于利用微生物或酶輔助釀酒酵母直接利用菊糖生產(chǎn)乙醇。

1.1菊糖酶輔助釀酒酵母生產(chǎn)乙醇

研究發(fā)現(xiàn),有多種微生物能夠合成菊糖酶,如真菌類的黑曲霉(Aspergillusniger)、米曲霉(Aspergillusoryzae)、青霉(Penicilliumsp.),酵母類的脆壁克魯維酵母(Kluyveromycesfragilis)、馬克斯克魯維酵母(Kluyveromycesmarxianus)、擬熱帶假絲酵母等(Candidapseudotropicalis),細(xì)菌類的節(jié)桿菌(Athrobactersp.)、假單胞菌(Pseudomonassp.)、黃單胞菌(Xanthomonassp.)等[9]。不同來源的菊糖酶,其酶切方式和酶學(xué)特征各不相同,表1總結(jié)了近些年已報(bào)道菊糖酶的酶學(xué)特性。這些研究為國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用菊糖酶輔助釀酒酵母生產(chǎn)乙醇打下基礎(chǔ)。

周正等[3]利用克魯維酵母產(chǎn)菊糖酶將菊糖水解后,將濃度為150 g/L的酶解產(chǎn)物提供給釀酒酵母BY4742生產(chǎn)乙醇,其產(chǎn)量與以葡萄糖或果糖為碳源的對(duì)照組相比并無明顯差異,該結(jié)果說明釀酒酵母能夠高效地將酶水解后的菊糖轉(zhuǎn)化為乙醇。Zhang等[21]利用重組畢赤酵母(PichiapastorisX-33/pPICZa-INU1)高表達(dá)季也蒙畢赤酵母(Pichiaguilliermondii)的菊糖酶,并用粗酶液水解菊糖,提供給釀酒酵母W0進(jìn)行乙醇生產(chǎn),發(fā)酵120 h時(shí)后的總糖利用率為98.9%、乙醇產(chǎn)量為0.384 g/g菊糖,該工作進(jìn)一步證明了利用菊糖酶預(yù)處理菊糖的產(chǎn)物進(jìn)行乙醇發(fā)酵的可行性。

Tatcha等[8]比較了硫酸和菊糖酶水解菊芋汁后發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的效果,結(jié)果表明,當(dāng)用硫酸水解菊芋汁后進(jìn)行乙醇發(fā)酵時(shí),其生產(chǎn)能力為0.65 g·L-1·h-1,而用菊糖酶水解菊芋汁后發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的生產(chǎn)能力為0.39 g·L-1·h-1。酸水解菊芋生產(chǎn)乙醇技術(shù)的成本較低,但工藝較為繁瑣、水解產(chǎn)物中常含有羥甲基糠醛等微生物生長(zhǎng)抑制劑且環(huán)境不友好;菊糖酶水解菊芋生產(chǎn)乙醇技術(shù)的乙醇產(chǎn)量低于酸水解法,但其反應(yīng)條件溫和、毒副產(chǎn)物少,因而更具有研究及發(fā)展價(jià)值。

1.2菊糖酶生產(chǎn)菌與釀酒酵母共發(fā)酵生產(chǎn)乙醇

雖然菊糖酶輔助釀酒酵母生產(chǎn)乙醇是一種環(huán)境友好技術(shù),但所形成的果糖會(huì)對(duì)菊糖酶形成產(chǎn)物抑制作用,因此,研究者又發(fā)展了共發(fā)酵乙醇生產(chǎn)技術(shù),將菊糖酶生產(chǎn)菌與釀酒酵母混合培養(yǎng),使釀酒酵母即時(shí)利用產(chǎn)酶微生物形成的菊糖降解糖進(jìn)行乙醇發(fā)酵,以解除產(chǎn)物抑制作用。

Ge等[22]采用誘變技術(shù)獲得一株產(chǎn)外切菊糖酶的黑曲霉SL-09,并將該菌與高乙醇耐受性釀酒酵母Z-06共培養(yǎng)。經(jīng)48 h發(fā)酵菊芋汁后,菊糖利用率達(dá)到98%,通過菊糖補(bǔ)料使乙醇濃度最終達(dá)到19.6%(v/v),糖醇轉(zhuǎn)化效率達(dá)到理論值的90%。常保磊等[23]比較了自絮凝顆粒酵母(S.cerevisiaeflo)共發(fā)酵菊芋汁與菊糖酶輔助自絮凝酵母生產(chǎn)乙醇的效果,結(jié)果表明共發(fā)酵菊芋汁的乙醇得率更高、發(fā)酵時(shí)間更短。當(dāng)菊芋汁中的總糖濃度分別為105 g/L和179 g/L時(shí),乙醇產(chǎn)量可達(dá)到50 g/L和82.5 g/L,比菊糖酶輔助酵母發(fā)酵生產(chǎn)乙醇分別高6.4%和13.8%。而在連續(xù)發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)稀釋率為0.02 h-1時(shí),乙醇產(chǎn)量約為90 g/L,乙醇得率達(dá)到理論值的90%,生產(chǎn)能力達(dá)到2.12 g·L-1·h-1。

采用菊糖酶生產(chǎn)菌與釀酒酵母共發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)乙醇時(shí),雖然乙醇產(chǎn)量和糖醇轉(zhuǎn)化率都比菊糖酶輔助釀酒酵母生產(chǎn)乙醇時(shí)高,但仍受很多因素制約,比如,產(chǎn)酶微生物是否具有較好的乙醇耐受性、共培養(yǎng)微生物的生長(zhǎng)條件是否一致、產(chǎn)酶微生物達(dá)到最大產(chǎn)酶量的時(shí)間是否與乙醇生產(chǎn)菌達(dá)到最高乙醇產(chǎn)量的時(shí)間一致等。因此,需要進(jìn)一步優(yōu)化微生物菌種和工藝優(yōu)化,使共培養(yǎng)微生物發(fā)酵參數(shù)達(dá)到一致,最大程度提高菊糖生產(chǎn)乙醇效率。

2　菊糖酶自分泌釀酒酵母直接利用菊糖生產(chǎn)乙醇

利用外加菊糖酶或產(chǎn)酶微生物策略能在一定程度上彌補(bǔ)釀酒酵母自身缺少菊糖酶的缺陷,但由于工藝繁瑣、發(fā)酵參數(shù)不易協(xié)調(diào),阻礙了利用該策略進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)乙醇的進(jìn)程?？紤]到釀酒酵母遺傳背景清晰、相應(yīng)的遺傳操作平臺(tái)成熟,越來越多的研究者將注意力集中在利用基因工程策略構(gòu)建重組有菊糖酶基因的釀酒酵母,直接利用菊糖生產(chǎn)乙醇。

2.1釀酒酵母表達(dá)異源外切菊糖酶時(shí)的乙醇生產(chǎn)

外切菊糖酶(EC 3.2.1.80)能夠催化菊糖從非還原末端水解并釋放果糖,以供釀酒酵母生產(chǎn)乙醇。研究者已將多種不同來源的外切菊糖酶轉(zhuǎn)化至釀酒酵母中,并結(jié)合工藝優(yōu)化、酶學(xué)特性比較、優(yōu)良宿主與啟動(dòng)子選擇等手段,提高釀酒酵母利用菊糖生產(chǎn)乙醇的效率。

表1　不同微生物來源菊糖酶的酶學(xué)性質(zhì)

Yuan等[24]將馬克斯克魯維酵母外切菊糖酶基因重組到釀酒酵母中,使其具有菊糖糖化能力,并采用聯(lián)合生物加工工藝優(yōu)化了乙醇發(fā)酵條件,當(dāng)以總糖濃度為200 g/L的菊芋汁為原料時(shí),經(jīng)48 h發(fā)酵后的乙醇產(chǎn)量為72.5 g/L,生產(chǎn)能力為1.12～1.15 g·L-1·h-1。Du等[25]以自表達(dá)青霉菌(P.janthinellum)外切菊糖酶基因的釀酒酵母6525重組子為生產(chǎn)菌,利用響應(yīng)面法進(jìn)行菊芋粉培養(yǎng)基優(yōu)化,結(jié)果表明,當(dāng)接種量為39.8 mL/L、培養(yǎng)基中的酵母浸粉為9.24 g/L、MgSO4·7H2O為0.45 g/L時(shí),獲得最高乙醇產(chǎn)量為91.1 g/L。

Yuan等[26]比較了重組有馬克斯克魯維酵母和假絲酵母外切菊糖酶基因的釀酒酵母重組菌的乙醇生產(chǎn)性能,結(jié)果發(fā)現(xiàn),含有假絲酵母外切菊糖酶基因的釀酒酵母重組子利用菊糖生產(chǎn)乙醇的性能優(yōu)于含有馬克斯克魯維酵母外切菊糖酶基因的重組子,其中前者發(fā)酵菊糖的乙醇產(chǎn)量及生產(chǎn)強(qiáng)度分別為0.38 g/g和1.35 g·L-1·h-1,而表達(dá)有馬克斯克魯維酵母外切菊糖酶的重組菌菊糖的乙醇產(chǎn)量及生產(chǎn)強(qiáng)度分別為0.34 g/g和1.22 g·L-1·h-1。因此,來自于假絲酵母的外切菊糖酶基因更適于構(gòu)建利用菊糖生產(chǎn)乙醇的釀酒酵母工程菌。

釀酒酵母W0由于其優(yōu)秀的乙醇生產(chǎn)能力,逐漸成為研究者們進(jìn)行基因工程改造的熱點(diǎn)宿主菌。Zhang等[27]將海洋季也蒙畢赤酵母菌的外切菊糖酶基因INU1在W0菌中進(jìn)行表達(dá),重組菌在2 L發(fā)酵罐中培養(yǎng)96 h后,乙醇產(chǎn)量為14.9%(v/v)。為了使攜帶外源INU1基因的重組子傳代性能更加穩(wěn)定,Wang等[28]將外切菊糖酶基因INU1整合至W0菌的染色體上,重組子在含30%菊糖的5 L發(fā)酵罐中發(fā)酵,得到的乙醇濃度為14.7%(v/v)。隨后,Zhang等[29]將海洋酵母(C.membranifacienssub sp.flavinogenie)W14-3的外切菊糖酶基因INU1轉(zhuǎn)化至W0菌中,在250 g/L菊糖中培養(yǎng)168 h后的乙醇產(chǎn)量為12.5%(v/v)。為了進(jìn)一步提高菊糖酶活力,Liu等[30]對(duì)季也蒙酵母(Meyerozymaguilliermondii)的外切菊糖酶基因INU1進(jìn)行密碼子優(yōu)化并在W0菌中異源表達(dá),所獲重組子在發(fā)酵300 g/L菊糖時(shí)的乙醇產(chǎn)量達(dá)到126.3 g/L,乙醇生產(chǎn)強(qiáng)度為2.25 g·L-1·h-1。

絕大多數(shù)釀酒酵母在表達(dá)外源菊糖酶基因時(shí)均以基底水平進(jìn)行轉(zhuǎn)錄,為了高效表達(dá)菊糖酶基因,必須提高釀酒酵母的基底轉(zhuǎn)錄水平,而酵母啟動(dòng)子在酵母表達(dá)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用[31],因此,選擇高強(qiáng)度啟動(dòng)子是提高釀酒酵母菊糖酶活力的關(guān)鍵。Hong等[32]將馬克斯克魯維酵母外切菊糖酶基因分別與三種不同啟動(dòng)子(GPD PGK1、HXT7)及分泌信號(hào)肽(KmINU,MFα1,SUC2)融合,構(gòu)建出9種不同表達(dá)盒并轉(zhuǎn)化至釀酒酵母D452-2中。結(jié)果表明,含有PGK1啟動(dòng)子和MFα1分泌信號(hào)肽的釀酒酵母表現(xiàn)出最高酶活力和發(fā)酵性能,其發(fā)酵188.2 g/L菊糖時(shí)的乙醇產(chǎn)量為80.2 g/L,生產(chǎn)強(qiáng)度為1.22 g·L-1·h-1。

2.2釀酒酵母自表達(dá)內(nèi)源外切菊糖酶時(shí)的乙醇生產(chǎn)

研究發(fā)現(xiàn),自然界中有部分釀酒酵母,在不需要菊糖預(yù)處理?xiàng)l件下能夠直接利用低聚合度的菊糖生產(chǎn)乙醇,如釀酒酵母NCYC 625能夠有效利用聚合度在6～7之間的菊糖生產(chǎn)乙醇[33]。釀酒酵母KCCM50549在5 L發(fā)酵罐中,利用180 g/L菊芋粉(菊糖聚合度小于15)生產(chǎn)乙醇時(shí)的乙醇產(chǎn)量為36.2 g/L[7],而另一株釀酒酵母JZ1C利用200 g/L菊糖進(jìn)行乙醇發(fā)酵時(shí)的生產(chǎn)強(qiáng)度為0.91 g·L-1·h-1[34]。作者實(shí)驗(yàn)室[5]也從菊芋根際土壤中分離到一株能夠直接利用菊糖生產(chǎn)乙醇的釀酒酵母L610,離子色譜分析表明,L610能夠有效利用聚合度小于20的菊糖,其發(fā)酵110 g/L菊糖時(shí)的乙醇產(chǎn)量為37.2 g/L。然而,所有這些釀酒酵母的基因組中都沒有注釋的菊糖酶基因。那么,釀酒酵母利用菊糖生產(chǎn)乙醇的分子機(jī)制是什么？Wang等[35]將釀酒酵母JZ1C發(fā)酵上清液中具有外切菊糖酶活性的蛋白質(zhì)進(jìn)行分離純化,并通過質(zhì)譜數(shù)據(jù)及序列比對(duì)證明,分離得到的蛋白質(zhì)為蔗糖轉(zhuǎn)化酶SUC2,是釀酒酵母利用菊糖的關(guān)鍵酶,但由于其蛋白質(zhì)分子中缺少一段菊糖結(jié)合基序(SVEVF),導(dǎo)致該酶的菊糖降解能力較低。

隨后,作者實(shí)驗(yàn)室[36]利用實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)考察了不同釀酒酵母菌中SUC2的轉(zhuǎn)錄水平,發(fā)現(xiàn)釀酒酵母L610細(xì)胞內(nèi)的SUC2表達(dá)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非菊糖利用釀酒酵母BY4741,說明釀酒酵母的菊糖利用能力及菊糖酶活性與細(xì)胞內(nèi)SUC2的表達(dá)水平直接相關(guān)。作者進(jìn)一步構(gòu)建了過表達(dá)SUC2 的BY4741重組菌,并對(duì)其利用菊糖進(jìn)行乙醇發(fā)酵的性能進(jìn)行考察。結(jié)果表明,與出發(fā)菌株BY4741相比(乙醇產(chǎn)量16 g/L),過表達(dá)SUC2菌的乙醇產(chǎn)量有顯著提高,達(dá)到50 g/L。然而,與其他來源的外切菊糖酶相比,SUC2的活力有限,過表達(dá)SUC2釀酒酵母重組子的乙醇產(chǎn)量提高程度亦有限。

2.3釀酒酵母共表達(dá)內(nèi)源外切菊糖酶與異源內(nèi)切菊糖酶時(shí)的乙醇生產(chǎn)

釀酒酵母細(xì)胞中的內(nèi)源性外切菊糖酶SUC2由于只能水解低聚合度的菊糖,無法釋放出大分子菊糖中的果糖為酵母利用。而內(nèi)切菊糖酶能夠水解菊糖分子內(nèi)糖苷鍵,將高聚合度菊糖分解成低聚合度菊糖如三糖、四糖和五糖等。因此,如果能夠在釀酒酵母中異源表達(dá)內(nèi)切菊糖酶,使菊糖部分水解以降低聚合度,再利用釀酒酵母自身的SUC2繼續(xù)水解低聚合度菊糖,有望實(shí)現(xiàn)重組釀酒酵母高效利用菊糖生產(chǎn)乙醇。為了證明這一設(shè)想,Yuan等[37]將黑曲霉的菊糖內(nèi)切酶基因INUA整合至釀酒酵母JZ1C染色體DNA的Ty1位點(diǎn)上,得到的重組菌的菊糖酶活力顯著提高,乙醇生產(chǎn)強(qiáng)度達(dá)到1.15 g·L-1·h-1。隨后,利用高效陰離子交換色譜HPAEC-PAD對(duì)菊糖發(fā)酵上清液進(jìn)行糖組分分析,結(jié)果表明,較之野生型釀酒酵母JZ1C,重組菌發(fā)酵上清液中的高聚合度菊糖含量大幅降低甚至消失,而新增加了一些低聚合度菊糖組分,說明黑曲霉中的內(nèi)切菊糖酶在釀酒酵母中的表達(dá),能夠有效水解高聚合度菊糖,但所形成的低聚合度菊糖中仍有一部分不能被釀酒酵母JZ1C的SUC2有效分解。

Li等[38]在Yuan等的研究基礎(chǔ)上做了一定改進(jìn),他們將節(jié)桿菌中的內(nèi)切菊糖酶基因整合到另一株性能優(yōu)良的釀酒酵母W0染色體DNA的δ序列上,在含有30%菊糖培養(yǎng)基的3 L發(fā)酵罐中,重組酵母D5發(fā)酵菊糖所得乙醇產(chǎn)量為106 g/L。隨后,Li等[38]又考察了D5直接發(fā)酵未滅菌菊芋粉的能力,乙醇產(chǎn)量為78.7 g/L。

雖然共表達(dá)外源內(nèi)切菊糖酶與釀酒酵母SUC2對(duì)菊糖的協(xié)同降解能力仍然低于釀酒酵母單獨(dú)表達(dá)異源外切菊糖酶所獲得的菊糖降解能力,但這種研究為繼續(xù)探究釀酒酵母細(xì)通過胞內(nèi)內(nèi)切菊糖酶基因與外切菊糖酶基因的協(xié)同作用,進(jìn)一步提高釀酒酵母降解菊糖速率、縮短發(fā)酵周期、降低發(fā)酵成本、以實(shí)現(xiàn)乙醇工業(yè)化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

3　展望

迄今為止,釀酒酵母基因工程重組菌還無法滿足菊糖基乙醇工業(yè)化生產(chǎn)需要。因此,如何借助綜合策略對(duì)釀酒酵母進(jìn)行理性改造以獲得性能優(yōu)良的工程菌將成為今后研究的重點(diǎn),而以下兩方面的新型技術(shù)和理念為上述研究提供了嶄新的視角。

首先,以Illumina公司的HiSeq2000，ABI公司的SOLiD和Roche公司的454 技術(shù)為代表的第二代高通量測(cè)序技術(shù)[39]及Helicos Heliscope和Pacific Biosciences推出的單分子測(cè)序技術(shù)[40],將生物信息學(xué)相關(guān)研究帶入了一個(gè)嶄新的時(shí)代,大大推動(dòng)菊糖降解微生物基因組、轉(zhuǎn)錄組的研究,未來將有更多、更有效的菊糖降解相關(guān)酶基因及轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子陸續(xù)得到挖掘。其次,釀酒酵母表面展示技術(shù)由于具有糖基化作用及蛋白翻譯后折疊等優(yōu)勢(shì),更利于基因工程操作,近年來有大量研究集中在利用該技術(shù)構(gòu)建能夠利用多種生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇的重組菌[41]。Fujita等[42]在釀酒酵母細(xì)胞表面展示表達(dá)了內(nèi)切葡聚糖酶II和章魚(Abdopusaculeatus)的β-葡糖苷酶I,重組菌能利用β-葡聚糖生產(chǎn)乙醇,產(chǎn)量為0.48 g/g,且發(fā)酵培養(yǎng)基中的β-葡聚糖能在酵母細(xì)胞表面連續(xù)水解為葡萄糖后,進(jìn)入胞內(nèi)被立即轉(zhuǎn)化為乙醇。因此,該技術(shù)為今后進(jìn)行釀酒酵母理性改造以實(shí)現(xiàn)有效生物質(zhì)轉(zhuǎn)化提供了有力的技術(shù)支持。

綜上所述,借助綜合策略,從基因組、轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫(kù)中甄選性能優(yōu)良的外切/內(nèi)切菊糖酶,并分析挖掘高強(qiáng)度啟動(dòng)子元件,有效啟動(dòng)下游高活性菊糖酶轉(zhuǎn)錄,隨后利用釀酒酵母表面展示技術(shù),實(shí)現(xiàn)外切/內(nèi)切菊糖酶在細(xì)胞表面的共表達(dá),有望最終獲得適于工業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)酵菊糖生產(chǎn)乙醇的優(yōu)良工程菌。

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Advance in the improvement ethanol production from Jerusalem artichoke flour bySaccharomycescerevisiaeusing inulinase

LI Li-li,HOU Ying-min,GUO Xiao-yu,YANG Fan*,LI Xian-zhen

(School of Biological Engineering,Dalian Polytechnic University,Dalian 116034,China)

The exhaustion of fossil fuels and the serious environmental problems lead to the continued concerning on the ethanol production. Jerusalem artichoke,as non-food grain crop,is suitable for ethanol production because of its high inulin content and excellent ecological adaptability. However,ethanol-producingSaccharomycescerevisiaecould not directly assimilate inulin into ethanol due to lacking inulinase,which delays its application in the industrial production of inulin-based ethanol. This review summarized the advance in studying ethanol production from inulin using fermentation engineering and genetic engineering approaches,as well as the key role of inulinase for ethanol production byS.cerevisiae. A comprehensive strategy based on both omics data mining and yeast surface display technology was discussed for the rational construction ofS.cerevisiaeproducing ethanol from inulin.

ethanol;inulinase;fermentation engineering;genetic engineering

2015-11-16

李麗麗(1990-)，女，碩士研究生，研究方向：分子微生物學(xué)，E-mail:13591829130@163.com。

楊帆(1982-)，博士，副教授，研究方向：釀酒酵母代謝工程方面的研究，E-mail:yangfan@d/pu.edu.cn。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31201302)；遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(LJQ2015009)。

TS261.1

A

1002-0306(2016)11-0367-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.11.067