菊粉酶与全细胞催化剂协同催化转化菊粉合成甘露醇

【摘要】：甘露醇是一种天然存在的糖醇,目前在食品、化工医药等领域具有广泛应用。传统生产甘露醇的方法成本及能耗较高,因此具有高选择性、低能耗的生物转化方法备受关注。其中,利用全细胞催化进行甘露醇的生物合成被认为是一个具有前景的生物合成路线。然而,成本较高的果糖底物是制约该方法实现产业化的瓶颈问题。菊芋是一种可在边际化土地生长的富含菊粉的能源植物,菊粉通过菊粉酶的水解可作为一种廉价的果糖资源。因此,通过生物转化的方法实现菊芋中的菊粉向甘露醇的转化,对于开发低成本的甘露醇合成路线具有重要意义。本论文首先利用分子生物学的方法构建了一个具有Leuconostoc mesenteroides来源的甘露醇脱氢酶及Mycobacterium vaccae来源的甲酸脱氢酶的共表达载体,并与表达葡萄糖辅助蛋白的表达载体共转入大肠杆菌BL21(DE3)中,成功构建了一个可将果糖转化为甘露醇的全细胞催化剂Strain I。该全细胞催化剂在pH 6.5,温度为30℃时,具有最高的转化效率,甘露醇的产率可达到0.91 g/g。构建了菊粉酶表达载体,并转入全细胞催化剂Strain I中表达,构建了全细胞催化剂Strain II。经过酶活力测定及SDS-PAGE分析,发现菊粉酶在胞内大量表达但严重影响了甘露醇脱氢酶及甲酸脱氢酶的表达,导致Strain II无法实现甘露醇的合成。因此,为实现以菊粉为底物向甘露醇的生物转化。本论文建立了Strain I与高活力的菊粉酶协同催化体系,首次实现了以菊粉为底物利用全细胞催化进行甘露醇的合成,甘露醇的产率可达到0.93 g/g菊粉。本论文的研究,对于拓宽全细胞催化剂的底物选择范围,建立以能源植物菊芋中的菊粉为底物实现甘露醇的高效合成提供了参考。