Direct utilization of purple sweet potato by sake yeasts to produce an anthocyanin-rich alcoholic beverage
- 作者
- Ja-Yeon Lee, Young-Kum Im, Hyun-Mi Ko, Jong-Eon Chin, Il-Chul Kim, Hwanghee Blaise Lee, Suk Bai
- 杂志
- Biotechnology Letters（2015）
- DOI
- 10.1007/s10529-015-1811-7
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
清酒酵母不能直接利用紫甘薯中的淀粉进行发酵，需要外加淀粉酶进行液化和糖化，成本高且工艺复杂。本研究旨在构建能够直接利用紫甘薯淀粉生产富含花青素的酒精饮料的重组清酒酵母菌株。
研究策略
利用双rDNA整合系统，在清酒酵母Saccharomyces cerevisiae KCTC 7904中共表达来自Debaryomyces occidentalis的葡糖淀粉酶基因GAM1和α-淀粉酶基因AMY，以自身CUP1基因作为选择标记，实现一步整合，从而获得直接利用淀粉进行液化和糖化及发酵的工程菌株。
核心内容
针对清酒酵母无法直接利用紫甘薯淀粉、需外加淀粉酶导致成本高且工艺复杂的问题，本研究利用双rDNA整合系统，在清酒酵母KCTC 7904中一步共表达来自Debaryomyces occidentalis的葡糖淀粉酶基因GAM1和α-淀粉酶基因AMY，并以酵母自身CUP1基因作为食品级选择标记，构建了能直接液化和糖化淀粉的重组菌株KCTC 7904SGSA。该菌株在含5%紫甘薯粉的培养基中培养3天，细胞干重达14.5 mg/ml，为野生型的2.4倍；在20%紫甘薯粉发酵中，乙醇产量达12%（v/v），消耗98%的淀粉，而野生型仅产6.8%乙醇。其葡糖淀粉酶活性比仅表达GAM1的菌株高1.9倍，α-淀粉酶活性比仅表达AMY的菌株高约23倍。结果表明，该工程菌株能一步完成紫甘薯淀粉的降解与乙醇发酵，省略外加酶步骤，简化工艺并降低成本，为生产富含花青素的健康酒精饮料提供了可行方案。
创新点
（1）采用双rDNA整合系统一步共表达GAM1和AMY，避免重复转化和抗生素抗性标记；（2）使用酵母衍生的CUP1基因作为选择标记，适合食品级应用；（3）构建的菌株可直接利用紫甘薯粉发酵生产乙醇，并获得富含花青素的酒精饮料。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae KCTC 7904 | 淀粉降解与乙醇发酵 | GAM1 | glucoamylase | 催化 | 来自Debaryomyces occidentalis，通过双rDNA整合系统共表达 |
| Saccharomyces cerevisiae KCTC 7904 | 淀粉降解与乙醇发酵 | AMY | alpha-amylase | 催化 | 来自Debaryomyces occidentalis，通过双rDNA整合系统共表达 |
关键发现
- 构建的KCTC 7904SGSA菌株在含5%（w/v）紫甘薯粉的培养基中，3天后细胞干重达到14.5 mg/ml，是野生型的2.4倍
- 在20%（w/v）紫甘薯粉发酵中，乙醇产量达到12%（v/v），并消耗98%的淀粉
- 其葡糖淀粉酶活性比仅表达GAM1的菌株高1.9倍，α-淀粉酶活性比仅表达AMY的菌株高约23倍
- 而在相同条件下，野生型菌株最高仅产生6.8%（v/v）乙醇。在2%可溶性淀粉培养基中，该菌株2天内利用100%的淀粉，而仅表达GAM1的菌株为85%。
研究结论
成功构建了高效淀粉同化型清酒酵母菌株，可直接利用紫甘薯粉一步发酵生产富含花青素的健康酒精饮料，省略了外加淀粉酶的步骤，降低了成本并简化了工艺。