近日，Food Research International在线发表了“Characterization of highly gelatinous patatin storage protein fromPichia pastoris”(Dai, et al.Food Research International, 2022, 162: 111925)。江南大学2020级硕士生戴梓桥为论文第一作者，周景文教授和江南大学糖化学与生物技术教育部重点实验室的饶义剑教授为论文通讯作者，论文作者还包括曾伟主助理研究员和2020级硕士生吴晓慧。
马铃薯糖蛋白Patatin是马铃薯蛋白的主要组成成分，具有优异的凝胶性能，在植物基食品中具有重要应用。Patatin不仅能通过粘合碎肉颗粒来改善植物蛋白肉制品的质地和外观，而且还有利于保持其中的营养和风味成分。目前，Patatin生产方式主要是从马铃薯生产淀粉的剩余废液中分离提取，其缺点是周期长、产量低、蛋白功能特性受损。因此，以微生物作为平台实现Patatin的生物合成是一种有效的替代方案，因为与植物提取工艺相比，它的生产效率更高，能避免因马铃薯发芽带入毒素的安全问题，以及能保持良好的蛋白的功能特性。然而，目前微生物细胞工厂合成Patatin的量仍然较低，未能满足食品行业的需求，且微生物合成的Patatin凝胶性能尚未可知。针对此问题，江南大学食品合成生物学与生物制造团队研究人员利用毕赤酵母(Pichia pastoris)合成Patatin。首先，选择合适的宿主以表达Patatin。结果表明通过截短Patatin基因的信号肽可有效增加其在大肠杆菌和毕赤酵母中的表达(图1)。并且，大肠杆菌表达的Patatin热凝胶性能较差，而毕赤酵母表达的Patatin具有良好的热凝胶性(图2)。此外，选择合适的酵母菌株以表达Patatin。结果表明在毕赤酵母GS115、SMD1168和KM71中，Patatin在毕赤酵母GS115中产量最高。接下来，为了提高Patatin的表达水平，对启动子和分泌信号肽进行了优化。在六种启动子中，仅有AOX1和MOX启动子可以对Patatin进行表达，且AOX1启动子为最优启动子。在十种信号肽中，最优信号肽α-MF产量达271.0 mg/L (图3)。随后，在5-L发酵罐水平上，混合流加非抑制性碳源山梨醇可有效提高Patatin的产量。当补加的甲醇和山梨醇的比例为20:1时，Patatin产量达1.4 g/L (图4)。此研究为Patatin等相应植物蛋白的发酵提供了策略。最后，研究人员探究了不同来源的Patatin的热凝胶性能。与马铃薯来源的Patatin相比，毕赤酵母表达的Patatin具有更低的凝胶温度(30-40℃)和相似的凝胶强度。并且，毕赤酵母表达的Patatin仅需2% (w/v)的蛋白浓度，即可形成稳固的凝胶(图5)。这表明在食品行业的应用中，毕赤酵母表达的Patatin具有替代商业马铃薯来源的Patatin的巨大潜力。此外，添加Patatin的植物蛋白肉具有更好的质构特性(表1)。此研究为Patatin等相应植物蛋白在植物基食品中的应用提供了思路和策略。上述研究工作得到了江苏省重点研发计划项目(BK20202002)和天津合成生物技术创新项目(TSBICIP-KJGG-003-13)的资助。

图1不同来源的Patatin的SDS-PAGE分析。A:大肠杆菌表达的Patatin，B:毕赤酵母表达的Patatin，C:商业马铃薯来源的Patatin。

图2不同来源Patatin的热凝胶外观图像。a:2%(w/v)，b:4(w/v)，c:6%(w/v)。

图3通过不同策略提高Patatin的表达水平

图4 Patatin在5-L发酵罐水平的发酵条件优化

图5不同来源Patatin的流变学特性

图6毕赤酵母表达的Patatin的鉴定

表1植物蛋白肉的质构特性