Xylitol production from xylose mother liquor: a novel strategy that combines the use of recombinant Bacillus subtilis and Candida maltosa
- 作者
- Hairong Cheng, Ben Wang, Jiyang Lv, Mingguo Jiang, Shuangjun Lin, Zixin Deng
- 单位
- 上海交通大学生命科学与生物技术学院微生物代谢实验室；广西民族大学化学与生态工程学院化学与生物转化过程重点实验室
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2011）
- DOI
- 10.1186/1475-2859-10-5
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
木糖母液含有高浓度木糖（35%-40%）和其他糖类（L-阿拉伯糖10%-15%、葡萄糖8%-10%、半乳糖8%-10%）以及抑制物糠醛和5-羟甲基糠醛，难以用简单方法分离木糖，导致低价值母液难以利用，需要一种有效的生物方法将其转化为高价值木糖醇。
研究策略
采用三步生物处理策略：先用Candida maltosa去除母液中的抑制物（糠醛、HMF）和葡萄糖；再利用敲除木糖异构酶基因的重组Bacillus subtilis消耗L-阿拉伯糖和部分半乳糖，富集木糖；最后用C. maltosa细胞将木糖还原为木糖醇，经纯化结晶得到高纯度木糖醇。
研究路线图
核心内容
针对木糖母液因成分复杂、抑制物含量高而难以直接利用的问题，研究者开发了一种结合重组枯草芽孢杆菌与解脂假丝酵母的三步生物处理策略。首先利用C. maltosa降解母液中的糠醛和5-羟甲基糠醛等抑制物并消耗葡萄糖；随后使用敲除木糖异构酶基因的重组B. subtilis选择性消耗L-阿拉伯糖和部分半乳糖，使木糖纯度提升至85%；最后以C. maltosa细胞将木糖还原为木糖醇。在含250 g/L木糖的富集液中，50小时产生213 g/L木糖醇，得率达0.85 g/g；提高细胞浓度至50 g/L后，28小时产率进一步升至7.5 g/L/h，最终产物纯度达99.5%。该策略通过微生物协同分工，有效规避了酵母转化时L-阿拉伯醇对结晶的干扰，并将脱毒阶段培养的酵母细胞重复用作转化催化剂，为低价值木糖母液的高值化利用提供了具备工业化潜力的可行路径。
创新点
创新性地结合两种微生物，利用重组枯草芽孢杆菌的木糖异构酶基因敲除菌株选择性消耗非木糖糖分，避免了酵母转化时产生L-阿拉伯醇干扰结晶；同时酵母细胞在脱毒阶段培养后可重复用作木糖转化生物催化剂，简化了工艺。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Bacillus subtilis 168 | 木糖代谢 | xylA | 木糖异构酶 | 催化 | 在重组菌BSxyl中被插入氯霉素抗性基因失活，使菌株不能利用木糖 |
| Bacillus subtilis 168 | 木糖代谢 | xylB | 木酮糖激酶 | 催化 | 催化木酮糖磷酸化 |
| Bacillus subtilis 168 | 木糖代谢 | xylR | XylR阻遏蛋白 | 调控 | 调控木糖利用操纵子的转录 |
| Bacillus subtilis 168 | 单糖转运 | araE | AraE转运蛋白 | 转运 | 转运L-阿拉伯糖、木糖和半乳糖进入细胞 |
| Bacillus subtilis 168 | L-阿拉伯糖代谢 | araA | L-阿拉伯糖异构酶 | 催化 | 将L-阿拉伯糖转化为L-核酮糖 |
| Bacillus subtilis 168 | L-阿拉伯糖代谢 | araB | L-核酮糖激酶 | 催化 | 将L-核酮糖磷酸化 |
| Bacillus subtilis 168 | L-阿拉伯糖代谢 | araD | L-核酮糖-5-磷酸-4-差向异构酶 | 催化 | 将L-核酮糖-5-磷酸转化为D-木酮糖-5-磷酸 |
| Candida maltosa ATCC28140 | 抑制剂降解 | CmADHs | 乙醇脱氢酶 | 催化 | 将糠醛和HMF还原为低毒醇类 |
| Candida maltosa ATCC28140 | 木糖醇合成 | — | 木糖还原酶 | 催化 | 将木糖还原为木糖醇，是木糖醇生产的关键酶 |
关键发现
- 木糖母液含木糖35%-40%、L-阿拉伯糖10%-15%、葡萄糖8%-10%、半乳糖8%-10%
- C. maltosa能降解5-20 mM糠醛和HMF，在36 h内将A280降至0.05以下
- 重组B. subtilis BSxyl在含10 g/L木糖的LB中培养24 h后木糖残留9.24 g/L，对照3.45 g/L
- 经两步处理后木糖纯度达85%
- 用C. maltosa转化含250 g/L木糖的富集液，50 h产213 g/L木糖醇，体积产率4.25 g/L/h，得率0.85 g/g
- 细胞浓度增至50 g/L时，28 h产木糖醇，体积产率7.5 g/L/h，得率0.82 g/g
- 木糖醇纯度99.5%。
研究结论
本研究开发了一种从木糖母液中生物纯化木糖并制备木糖醇的有效方法，通过C. maltosa和重组B. subtilis的协同作用，成功将低价值木糖母液转化为高纯度木糖醇，具有工业化应用前景。