阿魏酸酯酶在毕赤酵母中的表达及在啤酒中的应用研究

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阿魏酸酯酶是能够水解植物细胞壁中以酯键连接在多糖侧链上的阿魏酸的一类水解酶,能与纤维素酶及木聚糖酶等协同作用,彻底降解植物半纤维素并释放阿魏酸,在造纸、纺织、饲料、食品和生物能源等领域有着广阔的应用前景。近年来,对产阿魏酸酯酶工程菌的研究取得了长足进展,但阿魏酸酯酶产量低的问题依然是限制其工业化应用的关键。本研究通过基因的克隆表达及密码子优化,获得一株性能优良、高产阿魏酸酯酶的毕赤酵母工程菌,并将该酶应用于啤酒酿造过程中,改善麦汁过滤性能和抗氧化能力,提高小麦啤酒典型风味物质4-乙烯基愈创木酚(4-VG)的含量。根据GenBank数据库中收录的黑曲霉阿魏酸酯酶基因序列,设计引物从黑曲霉基因组中扩增得到不含信号肽及内含子的阿魏酸酯酶基因,并对该目的基因进行毕赤酵母密码子偏好性“一对一优化”和“随机优化”,化学合成优化后基因,构建重组表达载体pPICZαA-AnfaeA,pPICZαA-op Anfae A I和pPICZαA-opAnfae A II。转化毕赤酵母X-33中构建酵母工程菌,诱导表达后基因“一对一优化”和“随机优化”的重组酶酶活力分别为5.2±0.1 U·mL-1和39.9±0.1 U·mL-1,“随机优化”后酶活力比优化前提高了近6倍。通过单因素实验及正交实验,确定了最优发酵条件:诱导培养基pH为7.0,3%(v/v)的接种量,1%(v/v)的甲醇浓度,30℃培养4.5 d,最终酶活力可达到49.8 U·mL-1,发酵液酶活力比优化前提高了24.8%。亲和色谱分离纯化后,对重组阿魏酸酯酶酶学性质研究,其最适反应pH为5.5,pH 4.5-7.0范围内酶的稳定性较好,35℃保温60 min,仍能保持80%以上的酶活力;该酶的最适反应温度为50℃,40℃-60℃范围内酶活力较高,45℃保温120 min,仍能保持90%以上的酶活力。金属离子及EDTA对该酶活性影响较小,其中Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Zn2+对该酶活性有促进作用,而Fe2+、Co2+、Mn2+和EDTA对酶活性有抑制作用。将重组阿魏酸酯酶应用于啤酒的酿造过程中,发现阿魏酸酯酶可有效水解大麦麦芽中的结合态阿魏酸,抑制水溶性阿拉伯木聚糖的氧化交联,使麦芽过滤速度提高了14.5%,过滤麦汁中游离阿魏酸含量从1.3 mg·L-1增加到9.8 mg·L-1,阿魏酸可有效提高麦汁的抗氧化性,对啤酒延缓老化有重要作用。在糖化阶段添加重组阿魏酸酯酶,使小麦啤酒中4-VG的含量从3.1 mg·L-1增加到9.38 mg·L-1,强化了小麦啤酒的典型风味。
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