Direct Fermentation of Raw Starch Using a Kluyveromyces marxianus Strain that Expresses Glucoamylase and Alpha-Amylase to Produce Ethanol
- 作者
- Rongliang Wang, Dongmei Wang, Xiaolian Gao, Jiong Hong
- 单位
- 中国科学技术大学生命科学学院; 合肥微尺度物质科学国家实验室; 休斯顿大学生物学与生物化学系
- 杂志
- Biotechnology Progress（2014）
- DOI
- 10.1002/btpr.1877
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
实现生淀粉（尤其是木薯淀粉）在高温下的直接乙醇发酵，减少传统工艺中淀粉糊化、液化和糖化的能源与酶成本。
研究策略
在耐热酵母Kluyveromyces marxianus中异源表达来自米曲霉的α-淀粉酶（AoAMY）、来自西方德巴利酵母的α-淀粉酶（DoAMY）和葡糖淀粉酶（DoGAM1），通过基因整合构建重组菌株，并优化发酵条件。
研究路线图
核心内容
本研究在耐热酵母马克斯克鲁维酵母中异源整合了来自米曲霉的α-淀粉酶基因Aoamy、西方德巴利酵母的α-淀粉酶基因Doamy与葡糖淀粉酶基因Dogam1，构建了能够直接发酵生淀粉产乙醇的重组菌株YRL 009。该菌株在42°C下以200 g/L生木薯淀粉为底物时产生66.52 g/L乙醇；当初始细胞密度提高至50 g/L湿细胞时，乙醇产量升至79.75 g/L，理论产率达78.3%，乙醇生产力由0.38 g/L/h提升至0.82 g/L/h。在45°C和48°C条件下，菌株仍分别消耗137.11和87.71 g/L糖并产生55.36和32.16 g/L乙醇。此外，采用非无菌木薯粉（含178.52 g/L淀粉）在42°C发酵可获得69.73 g/L乙醇。菌株的α-淀粉酶和葡糖淀粉酶最大活性分别为12.97和15.93 U/mL，较对照菌株YRL 007分别提高1.8倍和2.2倍。该研究实现了高温条件下无需糊化、液化和外加酶的生淀粉直接乙醇发酵，展示了整合生物加工在降低乙醇生产成本方面的潜力，为工业高温生淀粉发酵提供了迄今性能最优的菌株。
创新点
构建了整合有多拷贝淀粉水解酶基因的耐热酵母菌株YRL 009，实现生淀粉和非无菌木薯粉在42°C及以上的直接发酵，获得高乙醇产量，是迄今报道的最优高温生淀粉发酵菌株。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Kluyveromyces marxianus（YHJ 010衍生菌株） | 淀粉水解与乙醇发酵途径 | Aoamy | α-淀粉酶（来自米曲霉） | 催化 | 整合于K. marxianus基因组，驱动生淀粉水解 |
| Kluyveromyces marxianus（YHJ 010衍生菌株） | 淀粉水解与乙醇发酵途径 | Doamy | α-淀粉酶（来自西方德巴利酵母） | 催化 | 整合表达，提高淀粉液化能力 |
| Kluyveromyces marxianus（YHJ 010衍生菌株） | 淀粉水解与乙醇发酵途径 | Dogam1 | 葡糖淀粉酶（来自西方德巴利酵母） | 催化 | 多拷贝整合（5拷贝），促进糖化 |
关键发现
- 在42°C、200 g/L木薯淀粉条件下，YRL 009产生66.52 g/L乙醇
- 在更高初始细胞密度（50 g/L湿细胞）下，从200 g/L生木薯淀粉产生79.75 g/L乙醇，理论产率78.3%，乙醇生产力从0.38提高至0.82 g/L/h
- 在45°C和48°C下，从200 g/L生木薯淀粉分别消耗137.11和87.71 g/L糖，产生55.36和32.16 g/L乙醇
- 非无菌木薯粉（含178.52 g/L淀粉）在42°C产生69.73 g/L乙醇
- 可溶性淀粉发酵中，YRL 009在42°C、200 g/L可溶性淀粉下产生72.99 g/L乙醇，生产力0.38 g/L/h
- YRL 009的α-淀粉酶和葡糖淀粉酶最大活性分别为12.97和15.93 U/mL
- 相比YRL 007，YRL 009的最高α-淀粉酶和GAM1活性分别为其1.8倍和2.2倍。
研究结论
YRL 009具有整合生物加工（CBP）能力，可在高温下直接发酵生淀粉和非无菌木薯粉，无需预处理和外加酶，是迄今报道的最佳高温生淀粉发酵菌株，有潜力降低乙醇生产成本。