功能寡糖绿色生物合成技术的研究进展

功能寡糖是自然界中复杂且结构多样的一类化合物,具有独特生理功能,在食品、药品及饲料等领域应用广泛。传统的功能寡糖通过天然多糖绿色降解技术制备,然而该技术对制备非天然构型的功能寡糖应用有限。本文聚焦绿色生物技术在制备天然来源匮乏、结构多样性、新型生理功能的功能寡糖及其衍生物方面的应用研究进展:基于更多高效、立体选择性新酶元件的发现与表征,建立寡糖合成的新途径和复杂级联反应,并在宿主细胞中重构新的合成途径,突破天然微生物合成代谢的极限,实现应用多酶级联催化与生物发酵技术生物制备功能寡糖,进一步探讨了具有未来功能食品特征的寡糖合成研究方向。     

二氧化碳人工生物转化

二氧化碳(carbon dioxide, CO₂)资源化利用是全球可持续发展面临的巨大挑战。自然界生物固碳绿色环保,但能效低、速度慢,难以满足工业生产需求;物理化学固碳效率高,但能耗高、产品单一,如何结合生物、物理与化学技术优势,以二氧化碳为原料进行生物转化利用是当前迫切需要解决的科技难题。本文结合中国科学院天津工业生物技术研究所建所10年来的发展,综述了人工固碳元件、途径与系统的设计与构建等前沿基础领域取得的重要进展,特别是首次实现二氧化碳人工合成淀粉,并对建立二氧化碳人工生物转化技术体系进行了展望。相关进展与展望为助力实现“碳达峰、碳中和”目标提供了新思路。     

生物转化生产D-塔格糖的食品级菌种选育及L-阿拉伯糖异构酶的克隆表达

L-阿拉伯糖异构酶(L-arabinose isomerase,L-AI)是一种可以催化D-半乳糖为D-塔格糖的胞内异构化酶。随着塔格糖在食品工业中越来越广泛的应用,能够将半乳糖转化为塔格糖的食品级微生物以及食品级来源的L-AI受到更大的关注。文中从各种酸奶制品、泡菜及其他一些食品中采集不同的样品,筛选出1株具有L-AI酶活的食品级菌株,经过生理生化鉴定以及16S rDNA序列测定,确定该菌株为戊糖片球菌,命名为Pediococcus pentosaceus PC-5。以该菌基因组为模板,克隆L-AI基因,并在大肠杆菌BL21成功地异源表达。表达产物经粗提取后,在40℃下加入Mn2+,使D-半乳糖转化为D-塔格糖的转化率为33%。     

双酶偶联转化果糖制备含有稀少糖的混合糖液

酶转化法是功能性稀少糖生产的重要途径,但单一稀少糖转化酶的转化率普遍较低。文中提出构建双酶偶联转化系统提高转化效率的思路,即利用D-阿洛酮糖3-差向异构酶(D-psicose 3-epimerase,DPE)和L-鼠李糖异构酶(L-rhamnose isomerase,L-RhI)双酶偶联反应,催化D-果糖生成D-阿洛酮糖和D-阿洛糖等功能性稀少糖。DPE和L-RhI加酶量的比例为1∶10,其中DPE的浓度为0.05 mg/mL;转化反应的最佳温度为60℃,最适pH为9.0。当D-果糖浓度为2%时,反应10 h达到平衡,此时D-阿洛酮糖和D-阿洛糖的产量分别为5.12和2.04 g/L。利用文中提出的双酶偶联系统可以将果葡糖浆等富含果糖的低附加值原料转化为含有功能性稀少糖的高附加值混合糖液。     

未来食品的低碳生物制造

受到人口增长过快、社会经济发展水平不平衡、人口老龄化和不健康饮食方式等影响,人类面临着食品和营养缺乏、部分人群中营养相关疾病高发等问题。同时,社会低碳发展的需求呼唤一种可持续的食物供给模式。因此,既能满足消费者口感和营养需求,又是绿色可持续食物供给模式的技术,例如功能糖、人造肉等未来食品技术,受到了广泛的关注。近年,新兴的生物制造技术及产品得到了迅猛发展,将会支撑形成绿色、低碳的未来食品产业,引发传统生产模式的深刻变革,是新兴生物经济的重大战略发展方向。本文聚焦于未来食品——功能糖、微生物蛋白及人造肉等关键辅配料的生物制造技术研究,追踪其在细胞工厂构建、工业环境下菌种测试与过程优化和衍生产品开发等研究的最新进展,展望未来的发展趋势,旨在为微生物制造未来食品的产业发展提供指导。     

米曲霉酸性蛋白酶基因在毕赤酵母中的异源表达及酶学性质

酸性蛋白酶作为一类重要的天冬氨酸蛋白酶,被广泛应用于食品、医药和皮革等领域。为推动酸性蛋白酶的研究及应用,通过对发酵豆制品样品进行宏基因组测序,从中获得米曲霉酸性蛋白酶基因pepA,在毕赤酵母GS115中进行异源表达,并对重组酶PepA进行酶学性质分析。结果显示毕赤酵母发酵上清液中酸性蛋白酶的活性为50.62 U/mL。SDS-PAGE验证PepA的分子量约为50 kDa,且发酵上清液几乎无杂蛋白。PepA的最适pH值为4.5,最适温度为50℃,Mn~(2+)和Cu~(2+)对其具有激活作用,而Fe~(3+)、Fe~(2+)与Ca~(2+)则具有抑制作用。上述研究结果可为米曲霉酸性蛋白酶的异源表达及其相关工业应用提供指导。     

产胶原酶菌株的筛选鉴定、发酵优化及胶原酶纯化

【目的】从肉联厂附近土壤中筛选出新型的胶原酶菌种,并通过提高其产酶量后研究其胶原酶的纯化方法,进一步研究该胶原酶对胶原蛋白的降解效率。【方法】经形态特征、生理生化特征以及16S rRNA基因进化树分析鉴定该菌株,并对该菌株产酶发酵条件进行优化,最终利用强阴离子交换树脂对该菌株所产的胶原酶进行分离纯化。【结果】该菌株鉴定为蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus)。对该菌株的产酶发酵条件进行优化,结果表明最适碳源为2.0%葡萄糖、最适氮源为1.5%胰蛋白胨、最适无机盐为0.005%Ca~(2+);初始发酵液pH 7.5、发酵温度37℃,在最适条件下,该菌株发酵液的酶活为(65.81±2.06)U/m L,相比优化前(26.7±1.9)U/m L,酶活提高约1.5倍。对该菌株所产的胶原酶进行分离纯化,得到1个分子量约为100 k Da、纯度大于90%的胶原酶,其比酶活力约为(7615.0±78.7)U/mg。【结论】该研究所发现的胶原酶酶活较高,能够使胶原蛋白在短时间内被有效地降解为具有生物活性的胶原短肽,在食品、医疗、保健品、化妆品等领域具有较广泛的应用前景。     

以D-果糖为原料利用新型异构酶转化生产D-阿洛糖

稀少糖是自然界中含量稀少、化学合成困难的一类低热量单糖。D-阿洛糖是一种重要的稀少己醛糖,其具有减少活性自由基、抑制癌细胞增殖等独特的生理学功能。因此,以微生物发酵生产D-阿洛酮糖-3-差向异构酶(DPE)和L-鼠李糖异构酶(L-RhI)转化生产D-阿洛糖,成为近几年来国际研究的热点之一。文中分别克隆了来源于解纤维梭菌Clostridium cellulolyticum H10的DPE基因以及来源于枯草芽胞杆菌Bacillussubtilis 168的L-RhI基因,并分别使其在宿主菌B.subtilis及大肠杆菌Escherichia coli BL21(DE3)中得到了表达。进一步利用镍亲和层析和阴离子交换色谱等手段对这两种酶进行了纯化,并对这两种纯化后酶的转化能力进行了分析测定。结果表明,以D-果糖为原料利用两种异构酶依次转化获得D-阿洛酮糖及D-阿洛糖,其两步转化效率分别为27.34%和34.64%。     

来源于瘤胃菌Ruminococcus sp.的D-阿洛酮糖3-差向异构酶的底物结合位点分析

【目的】研究来源于瘤胃菌Ruminococcus sp.的D-阿洛酮糖3-差向异构酶的底物结合机制。【方法】通过同源模拟和同源序列比对,筛选与其底物结合相关的关键位点,进而通过定点突变构建突变体并对其动力学性质进行研究。【结果】筛选得到关键位点Y6和A109,构建了突变体Y6F、Y6I、A109P及A109L。【结论】Y6既与底物结合又与催化能力相关,其-OH只与底物结合相关,芳香环则与催化能力和结合能力均相关;而A109则只是底物结合的位点。该研究结果为D-阿洛酮糖3-差向异构酶的催化机理研究及分子改造提供了借鉴。