Synthetic resin-bound truncated Candida antarctica lipase B for production of fatty acid alkyl esters by transesterification of corn and soybean oils with ethanol or butanol
- 作者
- Stephen R. Hughes, Bryan R. Moser, Samantha Robinson, Elby J. Cox, Amanda J. Harmsen, Jon A. Friesen, Kenneth M. Bischoff, Marjorie A. Jones, Rebecca Pinkelman, Sookie S. Bang, Ken Tasaki, Kenneth M. Doll, Nasib Qureshi, Siqing Liu, Badal C. Saha, John S. Jackson, Michael A. Cotta, Joseph O. Rich, Paolo Caimi
- 单位
- United States Department of Agriculture (USDA), Agricultural Research Service (ARS), National Center for Agricultural Utilization Research (NCAUR), Renewable Product Technology Research Unit; USDA, ARS, NCAUR, Bio-oils Research Unit; Illinois State University, Department of Chemistry; Mitsubishi Chemical Corporation, Mitsubishi Chemical Research & Innovation; South Dakota School of Mines & Technology, Department of Chemical and Biological Engineering; USDA, ARS, NCAUR, Bioenergy Research Unit; Residion Srl, Subsidiary of Mitsubishi Chemical Corporation
- 杂志
- Journal of Biotechnology（2012）
- DOI
- 10.1016/j.jbiotec.2012.01.025
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
降低生物柴油生产中的酶催化剂成本，通过产生稳定且高表达的截短CALB酶并固定化，用于植物油与醇的酯交换反应。
研究策略
设计并合成截短的CALB基因（对应成熟蛋白氨基酸35-317），在酿酒酵母中异源表达，经Sepabeads EC-EP树脂固定化，以玉米油/大豆油和乙醇/丁醇为底物评估酯交换产脂肪酸烷基酯的能力，并优化反应条件（醇油比、离子树脂顺序等）。
核心内容
该研究针对生物柴油生产中酶催化剂成本高的问题，设计并合成了截短的南极假丝酵母脂肪酶B（CALB）基因，对应成熟蛋白第35至317位氨基酸，在酿酒酵母中异源表达并通过Sepabeads EC-EP树脂固定化，用于催化玉米油和大豆油与乙醇或丁醇的酯交换反应。实验检测到五种截短变体，其中33.8-kD蛋白表达量最高，细胞沉淀中达4.85 mg/10 mL，上清中为1.5 mg/10 mL。截短酶表达量比全长酶高约60倍，比活高6倍。固定化截短CALB催化玉米油乙酯产量比商业Novozym 435高36%，大豆油高50%。当乙醇与玉米油体积比为5:1时，乙酯产量分别为15:1和30:1时的3.7倍和8.4倍；用正丁醇替代乙醇时，丁酯产量比乙酯高56%；在CALB树脂前加离子催化树脂使乙酯产量提高53%。结果表明，树脂结合的截短CALB具备替代商业酶的潜力，优化醇油比和预处理可显著提升产率，为降低生物柴油生产成本提供了可行途径。
创新点
1. 截短CALB（删除N端34个氨基酸）仍保持催化活性；2. 在酵母中截短酶表达量比全长酶高约60倍，比活高6倍；3. 固定化截短CALB在玉米油乙酯产量上比商业Novozym 435高36%，大豆油高50%；4. 通过5:1醇油比和离子树脂前置显著提高产量。
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae (PJ69-4) | 脂肪酸烷基酯合成（三酰甘油酯交换） | 截短CALB基因（源自Candida antarctica lipase B，GenBank Z30645，包含核苷酸178-1026，含T53M和F304Y突变） | 截短Candida antarctica lipase B（CALB） | 催化 | 在pYES2 DEST 52质粒中由GAL1启动子驱动表达，C端带His标签和attB序列，固定于Sepabeads EC-EP树脂 |
关键发现
- 在酿酒酵母中表达了截短CALB，检测到5种截短变体，其中33.8-kD蛋白表达量最高，细胞沉淀中达4.85 mg/10 mL，上清1.5 mg/10 mL，且上清中每mg酶的酯产率比沉淀高3.4-4.5倍。固定化截短CALB催化玉米油乙酯产量比大豆油高4倍
- 与Novozym 435相比，玉米油乙酯产量高36%，大豆油高50%。当乙醇与玉米油体积比为5:1时，乙酯产量分别为15:1和30:1时的3.7倍和8.4倍。用正丁醇替代乙醇时，丁酯产量比乙酯高56%。在CALB树脂前加离子催化树脂，乙酯产量提高53%（706 vs 462 μg/mg酶）。截短酶表达量比全长酶高约60倍，用于大豆油时每mg酶乙酯产量比全长酶高6倍。
研究结论
结果表明，树脂结合的截短CALB具有作为生物柴油生产生物催化剂的潜力，通过优化醇油比和预处理可显著提高产率，但还需进一步研究其工业稳定性、成本及可重复使用性。