Fermentation of Corn Starch to Ethanol with Genetically Engineered Yeast
- 作者
- D. Inlow, J. McRae, A. Ben-Bassat
- 单位
- Cetus Corporation, 1400 Fifty-Third Street, Emeryville, California 94608
- 杂志
- Biotechnology and Bioengineering（1988）
- DOI
- 10.1002/bit.260320213
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
酿酒酵母缺乏淀粉酶和葡糖淀粉酶，无法直接发酵淀粉，传统工艺需要先液化糖化，增加成本并降低乙醇得率。本研究旨在通过基因工程使酵母直接发酵可溶性淀粉，实现同步糖化发酵。
研究策略
将黑曲霉（Aspergillus awamori）的葡糖淀粉酶基因克隆至实验室酿酒酵母C468和工业蒸馏酒酵母C162中，使其表达并分泌葡糖淀粉酶，直接发酵可溶性淀粉生产乙醇，并研究发酵动力学、连续培养表现及限速因素。
核心内容
本研究将黑曲霉的葡糖淀粉酶基因分别克隆至实验室酿酒酵母C468和工业蒸馏酒酵母C162中，使重组菌株能够直接分泌葡糖淀粉酶并发酵可溶性淀粉生产乙醇，从而省去传统工艺中先行的液化与糖化步骤。研究者构建了高表达质粒pPM18和整合型质粒pPM20，并系统考察了分批与连续发酵中的动力学表现。结果显示，重组酵母能利用约95%的碳水化合物，乙醇得率可达0.44至0.48克每克消耗糖，与葡萄糖发酵相当甚至略高，同时甘油产量降低。淀粉发酵速率与葡糖淀粉酶表达水平直接相关，酶水平为1.1%细胞蛋白的C468pPM18菌株发酵速率达0.14每小时，而酶水平较低的菌株仅约0.05每小时。连续发酵中，C468pPM18能利用87%的碳水化合物，远高于低表达菌株的41%；工业菌株C162pPM20在超过800代连续培养中未发生质粒丢失。该研究证明，葡糖淀粉酶表达水平达到细胞蛋白的1%至2%即可满足工业批次发酵需求，且具备麦芽糖代谢能力的工业菌株更具优势，为直接淀粉发酵产乙醇的简化工艺提供了可行性依据。
创新点
首次在酿酒酵母中克隆表达A. awamori葡糖淀粉酶基因实现淀粉直接发酵；构建了高表达质粒pPM18和整合型质粒pPM20；揭示了葡糖淀粉酶表达水平与淀粉发酵速率的关系；发现麦芽糖发酵能力在连续发酵中的优势。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae C468 | 淀粉糖化与乙醇发酵 | Aspergillus awamori glucoamylase gene | Glucoamylase | 催化 | 实验室菌株，携带质粒pGAC9或pPM18，分泌葡糖淀粉酶，可发酵可溶性淀粉、麦芽糖和葡聚糖。 |
| Saccharomyces cerevisiae C162 | 淀粉糖化与乙醇发酵 | Aspergillus awamori glucoamylase gene | Glucoamylase | 催化 | 蒸馏酒酵母菌株，整合型质粒pPM20，基因组整合表达葡糖淀粉酶，具有麦芽糖发酵能力。 |
| Saccharomyces cerevisiae C162 | 麦芽糖代谢 | MAL genes (内源) | Maltase | 催化 | 宿主菌株固有的麦芽糖酶，在淀粉连续发酵中表达水平为麦芽糖诱导时的47%，有助于降解二糖和极限糊精。 |
关键发现
- 表达葡糖淀粉酶的重组酵母可发酵可溶性淀粉，约95%的碳水化合物被利用
- 乙醇得率在0.44-0.48 g/g（以消耗糖计），显著高于葡萄糖发酵时的0.45 g/g
- 甘油产量降低
- 淀粉发酵速率与葡糖淀粉酶表达水平直接相关，C468pGAC9、C468pPM18和C162pPM20的酶水平分别为0.28%、1.1%和0.26%细胞蛋白，对应发酵速率0.05、0.14和0.05 h^-1
- 连续发酵中C468pPM18利用87%碳水化合物，而C468pGAC9仅利用41%
- C162pPM20在800代以上无质粒丢失
- 葡糖淀粉酶合成和分泌对细胞生长和发酵无不良影响。
研究结论
利用基因工程酵母直接发酵可溶性淀粉生产乙醇在技术上可行，葡糖淀粉酶表达水平达到细胞蛋白的1-2%即可满足48小时工业批次发酵要求；具有麦芽糖和异麦芽糖发酵能力的工业菌株具有明显优势；该工艺可省去糖化阶段，提高乙醇得率并降低成本。