The Use of Cellulases from a β-Glucosidase-Hyperproducing Mutant of Trichoderma reesei in Simultaneous Saccharification and Fermentation of Wheat Straw
- 作者
- Janusz Szczodrak
- 单位
- Department of Applied Microbiology, Maria Curie-Skłodowska University, Akademicka 19, 20-033 Lublin, Poland
- 杂志
- Biotechnology and Bioengineering（1988）
- DOI
- 10.1002/bit.260330906
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
里氏木霉分泌的纤维素酶复合物中β-葡萄糖苷酶活性偏低，导致纤维二糖积累，抑制纤维素水解并降低乙醇产率。
研究策略
对里氏木霉F-522进行UV和NTG诱变，利用七叶灵-铁离子显色平板筛选β-葡萄糖苷酶高产突变株；将其纤维素酶与耐热酵母Kluyveromyces fragilis FT23联用，对预处理小麦秸秆进行同步糖化发酵（SSF）生产乙醇。
核心内容
针对里氏木霉纤维素酶复合物中β-葡萄糖苷酶活性不足导致纤维二糖积累并抑制乙醇生产的问题，该研究通过UV和NTG诱变里氏木霉F-522，并利用七叶灵-铁离子显色平板筛选获得高产突变株V-7。此突变株的β-葡萄糖苷酶活性达1.15 U/mL，约为亲本（0.20 U/mL）的5.75倍，滤纸酶活性和内切葡聚糖酶活性也分别提高45%和31%。将V-7的酶与耐热酵母Kluyveromyces fragilis FT23联用，对预处理小麦秸秆进行同步糖化发酵，结果表明在43°C下，突变株酶仅需24小时即产乙醇3.4%（w/v），而亲本酶48小时仅产2.5%（w/v），乙醇产量提高36%，反应时间减半，且水解产物中纤维二糖完全消失，葡萄糖占74.0%（干重）。基于葡萄糖的乙醇转化率约为理论值的87%。该工作证实了高β-葡萄糖苷酶活性是高效转化麦秆为乙醇的关键，突变株V-7的酶系与耐热酵母组合可显著提升同步糖化发酵效率，为降低纤维素乙醇生产成本提供了有效酶源。
创新点
开发了基于七叶灵和铁离子的可视化筛选方法；获得β-葡萄糖苷酶活性提高约6倍的突变株V-7；该突变株酶用于SSF时使乙醇产量提高36%、反应时间缩短一半且完全消除纤维二糖残留。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Trichoderma reesei F-522 | 纤维素降解 | — | β-1,4-D-葡萄糖苷酶 | 催化 | 亲本菌株，β-葡萄糖苷酶活性0.20 U/mL |
| Trichoderma reesei V-7 | 纤维素降解 | — | β-1,4-D-葡萄糖苷酶 | 催化 | β-葡萄糖苷酶高产突变株，活性1.15 U/mL，约6倍提升 |
| Trichoderma reesei V-7 | 纤维素降解 | — | 滤纸纤维素酶（外切葡聚糖酶，FPase） | 催化 | 活性0.74 U/mL，较亲本提高45% |
| Trichoderma reesei V-7 | 纤维素降解 | — | 内切-1,4-β-D-葡聚糖酶（CMCase） | 催化 | 活性30.2 U/mL，较亲本提高31% |
| Kluyveromyces fragilis FT23 | 乙醇发酵 | — | — | 催化 | 耐热酵母，用于SSF中发酵葡萄糖产乙醇 |
关键发现
- 突变株V-7的β-葡萄糖苷酶活性达1.15 U/mL，为亲本（0.20 U/mL）的5.75倍
- 滤纸酶活性0.74 U/mL，较亲本（0.51 U/mL）提高45%
- 内切葡聚糖酶活性30.2 U/mL，较亲本（23.1 U/mL）提高31%。在10%乙醇-碱预处理麦秆的SSF过程中，亲本酶在43°C、48h产乙醇2.5%（w/v），而突变株酶在24h即产乙醇3.4%（w/v），且无纤维二糖检出。水解液糖分分析显示，突变株酶水解产物中葡萄糖占74.0%（干重），纤维二糖仅痕量
- 亲本酶水解产物中葡萄糖53.4%、纤维二糖20.1%。基于葡萄糖的乙醇转化率约为理论值的87%。
研究结论
高β-葡萄糖苷酶活性是纤维素酶复合物高效转化麦秆为乙醇的关键因素；突变株V-7的纤维素酶与耐热酵母K. fragilis FT23联用可显著提高同步糖化发酵效率，缩短反应时间并消除纤维二糖抑制。