再注入酸性乳清,一种能够将乳糖(乳制品中的糖)代谢成塔格糖的酵母菌株

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希腊酸奶因其味道、口感和丰富蛋白质受到消费者青睐。然而,酸奶制造会产生大量的食物残渣——液体乳清。现在,美国和德国研究人员已经找到一种方法,利用细菌将希腊酸奶渣中的糖和酸转化成可以用于生物燃料或安全饲料添加剂的分子。相关研究近日发表于《焦耳》杂志。

寻求满足甜食而不增加腰围在其武器库中有一种新的武器:一种能够将乳糖(乳制品中的糖)代谢成塔格糖的酵母菌株,一种天然甜味剂,其中不含一半的食糖热量。

该研究负责人、美国康奈尔大学微生物学家Lars Angenent
指出,将酸性乳清转化成可食用原料,是当今可持续社会中所需的闭式循环的一个重要示范。

伊利诺伊大学食品科学与人类营养学教授Yong-Su
Jin领导的研究团队设计了酵母菌株,该菌株比传统的酶制造技术产生更多的塔格糖,可以帮助使塔格糖成为一种具有成本效益的替代品。糖或高果糖玉米糖浆。

这些乳清主要由乳糖、果糖和乳酸组成。研究人员利用细菌将这种混合物转化为含有两种更有用的化合物的萃取物:己酸和辛酸。这两种化合物都是“绿色抗菌剂”,
可以添加到牲畜饲料中以替代标准抗生素。而进一步添加更多的碳元素能够产生一种可以混合到喷气机燃料中的“嵌入式”燃料。

研究人员在Nature Communications杂志上发表了他们的研究成果。

这两种选择都具有经济和社会吸引力。“虽然农业市场比燃料市场小,但它的碳足迹却非常大。把酸乳清变成动物可以吃的饲料,有助于实现可持续发展。”Angenent说,“当然,另一方面,燃料市场的运营成本较低,但其需求却是无限的。”

塔格糖是一种甜味剂,具有几乎相同的口味和质地的蔗糖或食糖。但是,塔格糖的卡路里含量比蔗糖少得多

约占蔗糖的40%,Jin说。此外,它不会像蔗糖或果糖那样增加血糖水平。塔格糖的血糖指数是3,远远低于蔗糖68和果糖24的血糖指数。因此,塔格糖的风险较低用于治疗由血液中快速和重复葡萄糖增加引起的2型糖尿病和其他疾病。

Jin表示,尽管有其优点,但塔格糖具有很高的制造成本,使其不能广泛用于商业用途。虽然它天然存在于水果和乳制品中,但浓度太低而无法有效地分离塔格糖。传统的制造方法涉及多步骤酶促过程,将半乳糖(乳糖的一种成分)转化为塔格糖。

不幸的是,酶反应效率很低,只有30%的半乳糖转化为塔格糖,迫使制造商使用昂贵的工艺从半乳糖混合物中除去塔格糖。

Jin的团队使用酵母细胞的内部机器作为小型塔格糖工厂,就像乙醇制造商如何使用酵母从玉米生产燃料一样。研究人员设计了一种酵母菌株,通过两次基因调整从乳糖中产生塔格糖。首先,他们拿出一种基因,让酵母在乳糖代谢过程中使用半乳糖作为细胞燃料。其次,他们添加了两个将半乳糖转化为塔格糖的基因。

因此,当酵母喂养乳糖时,它自己的新陈代谢驱使它产生90%塔格糖的溶液 –
远高于传统制造的30%产率。Jin表示,酵母反应器的操作规模也比基于酶的反应器大得多,这样可以有效地大规模生产塔格糖。

另一个优势是我们的酵母基因工艺可间接使用乳清。乳清是奶酪和希腊酸奶制造工艺不可避免的副产品,Jin说。由于最近希腊酸奶的普及,乳清的处理是乳制品行业的一个问题。我们希望我们的工艺可以用来解决乳清过剩问题。因为我们的酵母发酵方法可以提高产品比例和直接使用廉价的乳制品废弃物,我们预计塔格糖的生产成本可以大大降低。

接下来,研究人员将探索使用他们基于酵母的方法来制造乳糖的其他产品。

我们发现乳糖可以被工程酵母有效和快速地利用。通过进一步的代谢工程,我们可以使用我们的工程酵母菌株从乳清中丰富的乳糖中生产其他有价值的产品,Jin说。

能源生物科学研究所和美国能源部支持这项工作。Jin是伊利诺伊州Carl R.
Woese基因组生物学研究所的成员。

通常,在给可生物降解的废物注入微生物时,抑制氧气能产生富含甲烷的气体。相反,研究人员将两个“开放培养”反应器连在一起——第一个调节到嗜热微生物喜欢的50°C,第二个则为30°C。将微生物注入每个反应器后,再注入酸性乳清,己酸、辛酸和其他小产品可以在几个月里不断提取。

下一步,Angenent表示,还需要进一步优化提取工艺,并以最经济的方式扩大规模。同时还可以了解更多微生物的性质和相关生物学,研究这项技术是否可以运用于其他废物流。

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