Ethanol production from inulin and unsterilized meal of Jerusalem artichoke tubers by Saccharomyces sp. WO expressing the endo-inulinase gene from Arthrobacter sp.
- 作者
- Yang Li, Guang-Lei Liu, Zhen-Ming Chi
- 单位
- Unesco Chinese Center of Marine Biotechnology, Ocean University of China, Yushan Road, No. 5, Qingdao 266003, China
- 杂志
- Bioresource Technology（2013）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2013.08.043
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
菊粉和菊芋块茎粉作为原料生产乙醇时，Saccharomyces sp. WO 对菊粉的利用效率较低，需要提高其菊粉水解和乙醇发酵能力，并简化原料处理（免灭菌）以降低成本。
研究策略
将来自 Arthrobacter sp. 的 endo-inulinase 基因（EnIA）通过同源重组整合到 Saccharomyces sp. WO 的 delta 序列或 18S rDNA 中，获得重组菌株，并优化未灭菌菊芋块茎粉的发酵条件。
核心内容
本研究将来源于节杆菌属的endo-inulinase基因（EnIA）通过同源重组分别整合至Saccharomyces sp. WO的delta序列和18S rDNA中，构建重组菌株以提升其菊粉利用与乙醇发酵能力。结果显示，delta序列整合菌株D5的菊粉酶活达8.6 U/ml，高于18S rDNA整合菌株R1的7.6 U/ml，而野生型仅3.2 U/ml。在30%菊粉发酵中，D5产乙醇13.5 ml/100ml，3-L罐规模达13.6 ml/100ml，总糖利用率91%、还原糖利用率98.8%。进一步以30%未灭菌菊芋块茎粉为原料，D5直接发酵产乙醇10.1 ml/100ml，残留总糖4.8%、还原糖0.4%，显著优于对照菌株S. cerevisiae J21C-I的7.0%。该研究证明delta序列整合策略更优，且重组菌D5可免灭菌处理直接利用菊芋块茎粉产乙醇，简化了工艺并降低能耗，展现出工业应用潜力。
创新点
首次在 Saccharomyces sp. WO 中表达 Arthrobacter sp. 的 endo-inulinase 基因；证明 delta 序列整合比 18S rDNA 整合的酶活更高；直接利用未灭菌的菊芋块茎粉发酵产乙醇，节省了灭菌能耗。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces sp. WO | 菊粉乙醇发酵 | EnIA | Endo-inulinase | 催化 | 重组菌株 D5，基因整合于 delta 序列 |
| Saccharomyces sp. WO | 菊粉乙醇发酵 | EnIA | Endo-inulinase | 催化 | 重组菌株 R1，基因整合于 18S rDNA 序列 |
关键发现
- 重组菌 D5（delta 序列整合）的菊粉酶活性为
- 6 U/ml，R1（18S rDNA 整合）为
- 6 U/ml，野生型 W0 仅
- 2 U/ml；在 30% 菊粉的小规模发酵中 D5 产乙醇
- 5 ml/100ml，3-L 发酵罐中为
- 6 ml/100ml，总糖利用率 91%，还原糖利用率
- 8%；以 30% 未灭菌菊芋块茎粉为原料，D5 在 3-L 发酵罐中产乙醇
- 1 ml/100ml，残留总糖
- 8%、还原糖
- 4%；对照菌株 S. cerevisiae J21C-I 产乙醇仅
- 0%（v/v）。
研究结论
在 Saccharomyces sp. WO 中表达 endo-inulinase 基因能显著增强菊粉酶活性和菊粉乙醇发酵效率，delta 序列整合优于 18S rDNA 整合；重组菌 D5 可直接利用未灭菌菊芋块茎粉生产乙醇，具有工业应用潜力。