近期，我校生物工程学院周哲敏教授团队在普鲁兰酶改造及应用方面取得重要进展，研究成果“Engineering hyperthermophilic pullulanase to efficiently utilize corn starch for production of maltooligosaccharides and glucose”正式发表于Food Chemistry(IF = 8.8) (https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.124665)。
麦芽低聚糖由2-10个葡萄糖单位以α-1,4-糖苷键连接，是营养品和功能性产品的重要成分。葡萄糖是合成多种高附加值产品的主要碳源。麦芽低聚糖及葡萄糖传统生产方法通常需要两步：淀粉液化步骤和糖化步骤。I型普鲁兰酶常与麦芽低聚糖合成酶或者糖化酶协同作用，用于糖化步骤以生产麦芽低聚糖和葡萄糖。然而传统的方法通常存在过程繁琐、糖化时间过长或者转化率较低等弊端。而超嗜热古菌来源的II型普鲁兰酶通常表现出良好的高温耐受性，可以与淀粉酶协同作用于淀粉，从而实现淀粉糊化、液化和脱支过程的同步进行。将该类型普鲁兰酶应用于淀粉糖工业有望高效地制备麦芽低聚糖及葡萄糖。然而，超嗜热II型普鲁兰酶的催化活性较低，需要进一步提高以推动其在麦芽低聚糖及葡萄糖生产中的应用。
周哲敏教授团队针对麦芽低聚糖及葡萄糖制备中的问题，对超嗜热普鲁兰酶PulPY2不同区域的合理突变，并将优势突变体与淀粉水解酶协同作用，用于高效制备麦芽低聚糖及葡萄糖。通过对PulPY2的底物结合口袋及活性位点上方盖子关键氨基酸的定向进化，结合构建的高通量筛选方法，获得了催化效率提高5倍的优势突变体。将优势突变体与α-淀粉酶协同作用于玉米淀粉，一锅法生产麦芽低聚糖，其转化率高达96.1%，比原始酶PulPY2提高了5.4%，比单酶法（α-淀粉酶）提高了12.6%。该方法操作简单，并可以充分利用淀粉资源。将优势突变体与α-淀粉酶协同用于淀粉液化过程及使用糖化酶用于糖化过程以制备葡萄糖。优势突变体反应体系的整体糖化时间分别比原始酶反应体系及传统方法反应体系缩短了8 h及16 h，表明突变体与α-淀粉酶协同用于淀粉液化过程有利于加速淀粉制糖工业的进程。本研究所获得的普鲁兰酶优势突变体以及建立的麦芽低聚糖和葡萄糖制备的新工艺在淀粉糖工业中具有广泛的应用前景。
图形摘要
我校2019级博士生谢婷和周丽副教授为论文的共同第一作者，周哲敏教授为论文的通讯作者。上述研究得到了国家重点研发计划（2023YFC3402400）、国家自然科学基金（21878125）等项目的资助。
