青島能源所菊芋乙醇整合生物加工研究取得新進展

發布時間：2012-11-07 11:04 原文鏈接：青島能源所菊芋乙醇整合生物加工研究取得新進展

　　近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所微生物資源團隊李福利研究員和王士安博士在釀酒酵母菊芋乙醇整合生物加工研究方面取得了一系列階段性進展。

　　菊芋又名洋姜，是一種新型能源植物，其土壤適應性強、無病蟲害，可以在干旱、鹽堿等非耕邊際土地種植。以菊芋或菊芋工業廢渣為原料生產乙醇，是發展燃料乙醇的重要方向之一。菊芋中可以轉化為乙醇的主要多糖成分是菊糖，通過整合生物加工工藝將菊糖酶產生、菊糖水解和乙醇發酵整合為同一過程，可以直接發酵菊芋生產燃料乙醇。

　　釀酒酵母是乙醇規模化生產的最佳菌種，但以往發現的釀酒酵母菌株不具有菊糖水解能力。李福利等通過酵母菌資源篩選和抗逆性評價，獲得了一株溫度耐受性菊糖代謝釀酒酵母菌株，該菌株在40 oC下發酵200 g/L菊芋粉，產乙醇65.2 g/L, 乙醇得率為79.7%，這是目前報道的非工程釀酒酵母菊芋乙醇發酵的最高產量和得率。傳統乙醇發酵溫度為30 oC至35 oC，發酵溫度提高5 oC可以顯著降低成本，能夠在40 oC下正常發酵體現了該菌株的優勢。相關研究成果發表在Appl Microbiol Biotechnol (2012) 95:1359–1368，并獲得1項中國發明授權ZL(ZL201010111324.4)。

　　菊糖代謝釀酒酵母菌株的發現，突破了通常認為釀酒酵母不能代謝菊糖的觀點。那么，釀酒酵母中哪種酶催化了菊糖的水解？應用分子生物學和遺傳學方法，李福利等揭示了釀酒酵母中負責菊糖水解的關鍵酶是一種外切轉化酶SUC2，屬國際上首次發現釀酒酵母菊糖水解酶。相關研究成果在線發表在Appl Environ Microbiol (DOI:10.1128/AEM.02658-12)。

　　在菊糖代謝酵母菌資源篩選中，還獲得了一株高效菊糖代謝酵母新種，通過蛋白純化和基因克隆，揭示了該菌株的新菊糖酶和菊糖酶基因。與目前應用最為廣泛的馬克思克魯維酵母的外切菊糖酶基因相比，新菊糖酶基因在釀酒酵母中游離表達后，轉化子表現了更高的菊糖代謝能力。相關研究成果在線發表在Appl Microbiol Biotechnol (DOI 10.1007/s00253-012-4108-y)。

　　釀酒酵母菊糖水解酶和新菊糖酶的發現為進一步發展菊芋乙醇整合生物加工菌種提供了新思路。高聚合度的菊糖分子是釀酒酵母菊糖發酵的主要限制因素，如果在釀酒酵母中引入外源內切菊糖酶基因，借助內切酶的作用將高聚合度菊糖切割為低聚合度的寡糖，這些寡糖分子很容易被外切酶水解，從而提高菊糖的水解效率和菊芋乙醇發酵效率。基于這一設想，李福利等正在開展釀酒酵母內切菊糖酶基因的外源表達研究，為了進一步提高釀酒酵母外切菊糖酶活力，同時引入新菊糖酶基因。下一階段的目標是實現釀酒酵母工程菌株在40 oC且菊芋粉大于200 g/L條件下，菊芋乙醇發酵的乙醇得率從79.7%提高到90%以上，并將這一項目推進到中試階段。