Direct and efficient ethanol production from high-yielding rice using a Saccharomyces cerevisiae strain that express amylases
- 作者
- Ryosuke Yamada, Syun-ichi Yamakawa, Tsutomu Tanaka, Chiaki Ogino, Hideki Fukuda, Akihiko Kondo
- 单位
- Department of Chemical Science and Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University; Organization of Advanced Science and Technology, Kobe University
- 杂志
- Enzyme and Microbial Technology（2011）
- DOI
- 10.1016/j.enzmictec.2011.01.002
- 所属领域
- 代谢工程 / 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
酿酒酵母缺乏降解生淀粉的能力，传统乙醇生产需要高温液化和酶解等昂贵且复杂的预处理步骤。
研究策略
利用表达α-淀粉酶和葡糖淀粉酶的四倍体酿酒酵母菌株，直接以日本高产水稻为原料进行乙醇发酵，无需预处理、额外酶添加和营养补充。
核心内容
本研究利用表达α-淀粉酶和葡糖淀粉酶的四倍体酿酒酵母菌株MNIV/6GS，以日本高产水稻为底物直接进行乙醇发酵，全程无需高温液化、额外酶添加及营养补充。通过多倍化策略增强菌株的鲁棒性和产乙醇能力，并借助水稻自身成分满足发酵营养需求。结果显示，在添加营养条件下，以高产褐米为碳源时乙醇生产率达1.1 g/L/h，约为纯生玉米淀粉（0.2 g/L/h）的5倍，乙醇产率为96%；无营养补充且10%接种量时，24小时内生产率达1.2 g/L/h，乙醇产率高达101%，并在2 L发酵罐中成功放大。接种量提高至20%时生产率可达1.8 g/L/h，但产率降至85%。发酵中最高葡糖淀粉酶和α-淀粉酶活性分别为16.3 U/mL和22.6 U/mL，远高于纯玉米淀粉对照。结果表明，高产水稻是优良的乙醇发酵原料，该多倍体菌株能在简化工艺条件下高效转化真实生物质，具备低成本生物乙醇生产的实际应用潜力。
创新点
首次报道使用表达淀粉酶的酵母直接从真实生物质（高产水稻）生产乙醇，且不需要任何预处理或商业酶添加；通过多倍化策略提高了菌株的鲁棒性和产乙醇能力；利用水稻自身成分满足发酵营养需求，实现低成本生产。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae MNIV/6GS | 淀粉降解与乙醇发酵 | — | α-淀粉酶 | 催化 | 四倍体菌株，表达α-淀粉酶和葡糖淀粉酶，可直接利用生淀粉 |
| Saccharomyces cerevisiae MNIV/6GS | 淀粉降解与乙醇发酵 | — | 葡糖淀粉酶 | 催化 | 四倍体菌株，表达α-淀粉酶和葡糖淀粉酶，可将淀粉分解为葡萄糖 |
| Saccharomyces cerevisiae MT8-1 | 淀粉降解与乙醇发酵 | — | — | 催化 | 对照菌株，不产生淀粉酶，作为阴性对照 |
关键发现
- 在添加营养成分的条件下，以高产褐米为碳源的乙醇生产率为1.1 g/L/h，约为纯生玉米淀粉（0.2 g/L/h）的5倍
- 褐米发酵的乙醇产率为96%。无营养补充且接种量为10%时，24小时内乙醇生产率可达1.2 g/L/h，乙醇产率高达101%
- 接种量20%时生产率达1.8 g/L/h，但产率为85%。在2 L发酵罐中，10%接种量得到乙醇生产率1.2 g/L/h和101%的理论产率。褐米发酵中最高葡糖淀粉酶和α-淀粉酶活性分别为16.3 U/mL和22.6 U/mL，远高于纯玉米淀粉（1.5 U/mL和1.2 U/mL）。
研究结论
高产水稻是适合生物乙醇生产的优良原料；多倍体淀粉酶表达酿酒酵母菌株MNIV/6GS能够在无预处理、无外加酶和无营养补充条件下直接从真实生物质高效生产乙醇，且工艺易于放大，具备低成本乙醇发酵的潜力。