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Cloning,Expression of Thermostable β-mannanase and the Preparation of Mannooligosaccharide

黑曲霉嗜热β-甘露聚糖酶在毕赤酵母中的克隆表达及其魔芋降解产物分析



全 文 :·研究报告·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2014年第6期
β- 甘露聚糖酶是一类半纤维素水解酶,能够水
解含有甘露糖苷键的甘露聚糖(包括异甘露聚糖)[1],
广泛存在于动植物和微生物中,在造纸、纺织印染、
收稿日期 :2013-11-20
基金项目 : 国家林业公益性行业科研专项(201404615),教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-11-0988),江苏省杰出青年基金
(BK2012038),江苏省高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)
作者简介 :倪玉佳,女,硕士研究生,研究方向 :生物化工 ;E-mail :523869088@qq.com
通讯作者 :欧阳嘉,女,教授,研究方向 :植物纤维资源利用,基因工程和酶工程 ;E-mail :hgouyj@njfu.edu.cn
黑曲霉嗜热 β-甘露聚糖酶在毕赤酵母中的克隆表达及其
魔芋降解产物分析
倪玉佳1  周旻昱2  欧阳嘉1,3  郑兆娟1  勇强1
(1. 南京林业大学化学工程学院,南京 210037 ;2. 南京林业大学森林资源与环境学院,南京 210037 ;3. 江苏省生物质绿色燃料与化学品重
点实验室,南京 210037)
摘 要 : 根据毕赤酵母密码子偏好性优化设计合成一段来自黑曲霉 BK01 的嗜热 β- 甘露聚糖酶基因,通过构建表达载体
pPICZαA-man 线性化后电转化入不同的毕赤酵母宿主,获得最佳重组菌 KM71-MAN,其发酵罐发酵酶活最高达 2 318.85 IU/mL。表
达产物纯化后的分子量约为 40 kD,最适反应温度为 80℃,最适 pH 为 5.0。该酶在 70℃(pH5.0)保温 44 h 仍能保留 43% 的酶活
力且在 pH3.0-7.0 范围内保温 70 h(50℃)酶活力仍能保留 85% 以上。利用发酵罐所产重组酶酶解魔芋胶制备甘露低聚糖,产物
以甘露二糖和甘露六糖为主,甘露低聚糖得率为 55.6%。该重组 β- 甘露聚糖酶具有良好的热稳定性和 pH 稳定性,在魔芋制备甘
露低聚糖中具有较好的应用潜能。
关键词 : β-甘露聚糖酶 密码子偏好性 毕赤酵母 酶学性质 低聚甘露糖
Cloning,Expression of Thermostable β-mannanase and the
Preparation of Mannooligosaccharide
Ni Yujia1 Zhou Minyu2 Ouyang Jia1,3 Zheng Zhaojuan1 Yong Qiang1
(1. College of Chemical Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037 ;2. College of Forest Resource & Environment,Nanjing
Forestry University,Nanjing 210037 ;3. Jiangsu Key Lab of Biomass-based Green Fuels and Chemicals,Nanjing 210037)
Abstract:  According to the Pichia pastoris’s codon preference, a DNA sequence encoding Aspergillus niger BK01 thermophilic
β-mannanase gene was designed and synthesized. Firstly, it was inserted into pPICZαA and resulted in recombinant expression vector pPICZαA-
man. Then, pPICZαA-man was linearized and transformed into different hosts by electrotransformation. An optimal recombinant stain KM71-
MAN was obtained by screening activity. Using recombinant strain KM71-MAN, recombinant mannanase was overexpressed and its activity in
the culture medium reached 2 318.85 IU/mL in a 3 L fermentor. Recombinant enzyme had an apparent molecular size of about 40 kD by SDS-
PAGE, and optimal activity at pH 5.0 and 80℃. It was highly thermostable, retaining 43% of enzyme activity after 44 h of exposure at 70℃
and pH 5.0. Moreover, it remained over 85% activity from pH 3.0 to pH 7.0 after treating at 50℃ for 70 h. Using this crude enzyme, the main
hydrolysis products yielded from konjak gum were mannobiose and mannohexaose and the yield of mannooligosaccharides was 55.6%. The
recombinant enzyme exhibited good thermal and pH stability, which indicated that the recombinant yeast has potential value in preparation of
konjac gum mannooligosaccharides.
Key words:  β-mannanase Codon preference Pichia pastoris Enzymatic properties Mannooligosaccharide
洗涤、食品、饲料、医药和石油开采等工业中有着
广阔的应用前景[2]。该酶水解获得的产物甘露低聚
糖具有促进人和动物肠道内以双歧杆菌为代表的有
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2014年第6期182
益菌的增殖、改善肠道内菌群结构等功能性低聚糖
共同的理化特性[3],同时也有清除自由基、增强机
体抗氧化性的能力[4],若将甘露低聚糖作为功能性
食品添加剂应用于工业开发,应用前景十分广阔。
我国魔芋资源丰富,主要分布在我国西南部山
区,目前主要作为一种粗纤维粮食或食品添加剂使
用,附加值比较低[5],魔芋胶酶法降解为高附加值
的甘露低聚糖可获得较大的经济效益,对于魔芋资
源下游产业的拓宽和提高魔芋附加价值具有重要意
义。基于此,本研究旨在开发制备可应用于低聚甘
露聚糖生产的嗜热性甘露聚糖酶,优化设计合成黑
曲霉嗜热 β- 甘露聚糖酶基因,并在毕赤酵母中实现
高效表达,研究分析重组酶的酶学性质,为甘露聚
糖酶在酶法制备甘露低聚糖奠定基础。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 菌株及质粒 含有 man 基因片段的重组质粒
载体 pGH 购自上海捷瑞生物工程有限公司 ;大肠杆
菌感受态细胞 DH5α 购自南京天为生物科技有限公
司;毕赤酵母表达载体 pPICZαA 购自 Invitrogen 公司;
毕赤酵母 GS115、KM71H、SMD1168、X-33 为本实
验室保存。
1.1.2 工具酶和生化试剂 质粒提取试剂盒购自上
海捷瑞生物工程有限公司 ;限制性内切酶 EcoR Ⅰ
和 Xba Ⅰ、T4 连接酶、DNA 相对分子质量标准、凝
胶回收试盒购自宝生物工程有限公司(大连);线
性化酶 Sac Ⅰ购自 Fermentas 公司 ;博来霉素购自
Invitrogen 公司 ;洋槐豆胶、牛血清蛋白、考马斯亮
蓝 R-250 购 自 Sigma 公 司 ;Yeast extract、Peptone、
Tryptone 购自 Oxoid 公司。魔芋购自云南市场。其他
生化试剂为国产分析纯。
1.1.3 培养基 LB、LLB 培养基用于大肠杆菌的培
养,YPD、YDPS、BMGY 和 BMMY 用于毕赤酵母增
殖培养、筛选和表达,发酵基础培养基 BMS 用于高
密度发酵,具体配方见 Invitrogen 公司的毕赤酵母操
作手册。
1.2 方法
1.2.1 重组毕赤酵母表达载体的构建 将含有目的
基因的 pGH-man 质粒模板经 EcoR I 和 Xba I 双酶切
后获得目的基因片段 man,继而构建到带有高效甲
醇诱导启动子 AOX 的毕赤酵母表达载体 pPICZαA
上,命名为 pPICZαA-man。
1.2.2 毕 赤 酵 母 的 转 化 重 组 质 粒 pPICZαA-man
经 Sac I 线性化后,分别电转化入 GS115、KM71H、
SMD1168、X-33 酵母感受态细胞。电转化参数为 :
1 500 V,25 μF,200 Ω。电转化后取 200 μL 涂布于
含有 100 μg/mL 博来霉素的 YPDS 平板上,30℃条件
下培养直至转化子出现。同时取 200 μL 的感受态细
胞作为参照。
1.2.3 重组毕赤酵母工程菌株的诱导表达 将阳性
转化子接种于含 25 mL BMGY 培养基中的 250 mL 的
摇 瓶 中,30℃ 下 220 r/min 摇 床 培 养 至 OD600=2-6。
室温离心收集菌体,轻轻倒出上清液,用 BMMY 液
体培养基将细胞重悬至 OD600 为 1.0 以诱导表达(加
入约 100-200 mL 液体培养基)。28℃,220 r/min 继
续培养,每 24 h 补加适量 100% 甲醇至终浓度为 1%。
每 12 h 取样,离心收集上清液,即为粗酶液。
1.2.4 重组毕赤酵母高密度发酵 整个发酵过程分
为初始甘油生长阶段,甘油流加阶段及甲醇诱导培
养 3 个阶段。种子液于 30℃下 220 r/min 摇床培养
至 OD600=2-6,以体积分数 10% 的接种量接种于甘
油含量为 40 g/L 的 BMS(4.35 mL PTM1 /L)培养基
的 3 L 发酵罐中,初始装液量 1.5 L。全程采用 NBS
Bioflo110 3 L 发酵罐自动调控温度为 30℃、pH 为 5.0
(28% 的氨水调控)下培养。重组酵母在发酵罐培养
24 h左右后,当甘油耗尽(表现为溶氧 DO 突然反弹),
湿重在 90-150 g/L 后,继而以 18.15 mL(h·L)的
速度流加甘油 4 h。停止流加甘油至 DO 再次反弹后
饥饿培养 1 h,当细胞湿量达到 180-220 g/L 后,开
始流加甲醇诱导培养基。
1.2.5 重组 β-甘露聚糖酶的纯化 将发酵罐所产
β-甘露聚糖酶粗酶液采用快速蛋白液相层析系统
(ÄKTA Explorer,GE 公司)进行凝胶过滤纯化。层
析柱 :柱长 30 cm,直径 1 cm ;层析介质 :Superdex
75 PrepGrade 凝胶过滤填料,购于 GE 公司 ;流动
压 力 :0.3 MPa ;流 速 :0.3 mL/min ;流 动 相 :100
mmol/L pH 5.0 的柠檬酸- 磷酸氢二钠缓冲液 ;上样
量为 0.5 mL,系统采用 Unicorn 5.0 控制软件。
1.2.6 重组毕赤酵母表达产物酶活测定 采用 DNS
2014年第6期 183倪玉佳等 :黑曲霉嗜热 β-甘露聚糖酶在毕赤酵母中的克隆表达及其魔芋降解产物分析
定糖法测定甘露聚糖酶的活性[6]。将 0.9 mL 5.0 g/L
洋槐豆胶底物溶液(pH5.0 柠檬酸 - 磷酸氢二钠缓
冲液),加入 0.1 mL 经适当稀释的酶液 80℃反应 10
min。立即在试管中加入 3.0 mL DNS 试剂,煮沸 7
min,冷却后定容至 25 mL,摇匀。在 540 nm 处以
蒸馏水空白测定样液吸光度。甘露聚糖酶活力单位
定义为每分钟水解底物产生 1 μmol 的甘露糖所需的
酶量定义为一个活力单位(1 IU)。
1.2.7 重组毕赤酵母表达产物蛋白浓度测定及 SDS-
PAGE 利用 Bradford 法测定蛋白含量,以牛血清蛋
白作为标准蛋白绘制标准曲线 ;分别取不含重组质
粒和含重组质粒的酵母发酵上清液 10 μL,进行 10%
的 SDS-PAGE 电泳,分析重组蛋白的表达情况。
1.2.8 重组 β-甘露聚糖酶酶解魔芋制备甘露低聚
糖 以 50 g/L 魔芋精粉(葡甘聚糖含量为 :74%)为
底物(pH5.0 柠檬酸 - 磷酸氢二钠缓冲液),30 mL 体
系中包括 50 U/g 粗酶液,80℃下于恒温水浴锅振荡
酶解 2 h。反应结束后 100℃下 10 min 灭酶活。混合
液 12 000 r/min 离心 10 min,收集上清,利用离子色
谱对产物组分进行分析。仪器 :DIONEX ICS 3000 ;
分析柱:CarboPacTMPA 200;流速:0.25 mL/min;柱温:
30℃ ;流动相 :100 mmol/L NaOH ;检测器 :标准四
电化学检测器 ;进样量 :10 μL ;时间 :40 min。
低聚糖得率(%)=C2、C3、C4、C5、C6/C×74%×
100%
其中,C2、C3、C4、C5 :酶解液中甘露二、三、
四、五、六糖的浓度(g/L);C:魔芋精粉浓度(g/L);
74% :葡甘聚糖含量。
2 结果
2.1 毕赤酵母重组表达载体的构建
按照毕赤酵母密码子偏好性优化合成设计一段
来自黑曲霉 BK01 β-甘露聚糖酶的基因(FJ268574),
优化密码子修改率达 37.5%。优化后的基因长为
1 035 bp,编码 345 个氨基酸。将此含有目的基因
的 pGH-man 质粒模板经 EcoR I 和 Xba I 酶切后获得
目的基因片段 man,与 pPICZαA 载体经限制性内切
酶切得到的约 3.5 kb 载体片段连接,得到重组表达
载体 pPICZαA-man。其中目的基因大小为 1 035 bp,
EcoR I 和 Xba I 双酶切片段长度为 1 035 bp,双酶切
后条带在图 1 中 1 000 bp 左右相符。重组质粒大小
约为 4.5 kb,经过 Sac I 线性化后,电泳结果与理论
值相符。
5000
bp
6 5 4 3 2 1 M
3000
2000
1500
1000
750
500
250
100
M:DNA 标准分子量;1-3:pPICZαA-man/Sac I;4:pPICZαA-man/EcoR I+Xba I;
5 :pPICZαA-man ;6 :pPICZαA
图 1 重组质粒 pPICZαA-man 的酶切验证
2.2 重组β-甘露聚糖酶的诱导表达及其纯化
2.2.1 毕 赤 酵 母 宿 主 优 化 将 得 到 的 线 性 化
pPICZαA-man 质粒导入不同的巴斯德毕赤酵母宿主
(GS115、KM71H、SMD1168、X-33), 在 Zeocin 100
μg/mL 的 YPDS 平板上得到转化子。经过摇瓶筛选,
如图 2 所示,宿主为 GS115 和 SMD1168 时,菌株
发酵活力偏低 ;而 KM71H 和 X-33 作为宿主发酵能
力较佳,甲醇缓慢利用型的 KM71H 宿主更为突出。
本试验得到的重组酵母 KM71-MAN 在摇瓶中甲醇诱
导 96 h 后菌株发酵活力达到 251.45 IU/mL,因此最
佳宿主为 KM71H。
GS115 KM71H X-33 SMD1168
0
50
100
150
200
250
300
ᇯѫ
En
zy
m
e
ac
tiv
ity
IU
/m
L
图 2 不同毕赤酵母宿主对重组 β-甘露聚糖酶生产的影响
2.2.2 重组毕赤酵母 KM71-MAN 高密度发酵 将
筛选到最佳重组酵母菌 KM71-MAN 在 3 L 发酵罐中
放大培养,培养条件为装液量 1.5 L、接种量 10%、
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2014年第6期184
30℃、pH5.0。如图 3 所示,随着时间的推移,菌株
所产酶量稳步增加,两者近似呈现出线性关系。甲
醇诱导 96 h 后菌株发酵活力达到 2 318.85 IU/mL,
蛋白浓度达 2.82 g/L,在国内处于较高的水平。
的 pH 稳定性,而且酸耐受性非常好。
温度对酶活力的影响结果如图 6-A 所示,酶的
最适反应温度为 80℃,70℃时的酶活力还保持在
87.27% 的相对酶活,90℃时仍然具有高达 76.78%
的相对酶活,甚至在 100℃下仍然没有失去活力,
可见该酶是一种耐高温的酶。温度稳定性结果如图
6-B,在温度为 50℃时稳定性最佳,70 h 内保持了
95% 以上的相对稳定性,且 60℃时 70 h 内仍然保持
89% 以上的酶活力,在 70℃下 44 h 时也保持 43%
相对活力,说明该酶具有较高的温度稳定性,而且
耐受性非常好。
2.4 重组β-甘露聚糖酶的降解产物分析
本试验以 50 g/L 的魔芋精粉为底物,在 pH 5.0
下 80℃酶解 2 h,其甘露低聚糖得率为 55.6%。魔
芋精粉降解后产物成分含量如图 7 所示,其中以甘
露二糖最多含量为 45.5% ;甘露六糖次之,达到了
34.3% ;而甘露一糖、三糖、四糖含量分别为 7.5%,
8.8%,3.4% ;甘露五糖极少。本试验获得了大量的
甘露低聚糖,而单糖很少,在后续制备低聚糖成品
中极具优势。
0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 96
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
En
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IU
/m
L
Time h
Enzyme activity
OD
50
100
150
200
250
300
O
D
图 3 重组 β- 甘露聚糖酶 3L 发酵罐发酵产酶历程
2.2.3 重组 β-甘露聚糖酶的纯化 用发酵所得粗酶
液经一步 Superdex 75 PrepGrade 凝胶过滤,得到电
泳纯 β-甘露聚糖酶(图 4)。纯化后酶活力回收率
为 93.3%,酶比活由 822.29 IU/mg 提高到了 1 167.65
IU/mg,纯化倍数为 1.42。而本试验电泳分析结果表
明,表达的产物分子量约为 40 kD,与理论值相符。
116.0
kD
M 1 2 3
66.2
45.0
35.0
25.0
18.4
M :标准分子量蛋白质 ;1 :对照 KM71H/pPICZαA 毕赤酵母发酵上清液 ;2 :
重组毕赤酵母 KM71-MAN 发酵上清液 ;3 :重组 β-mannanase 纯酶
图 4 重组蛋白的 SDS-PAGE 电泳图
2.3 重组β-甘露聚糖酶的酶学性质
进一步考察 pH 对酶活力的影响,结果如图 5-A
所示,重组甘露聚糖酶最适 pH 值为 5.0,当 pH 处
于 4-6 之间时,该酶均有大于 95% 的相对酶活。pH
稳定性结果如图 5-B,pH 在 3-7 之间时,酶液在
50℃下是非常稳定的,在 70 h 内酶活力能保存在
85% 以上,说明该酶在较宽的 pH 范围内具有较好
2 3 4 5 6 7 8 9
0
20
40
60
80
100
120
R
el
at
iv
e
en
zy
m
e
ac
tiv
ity
%
pH
0 15 30 45 60 75
20
40
60
80
100
120
R
el
at
iv
e
en
zy
m
e
ac
tiv
ity
%
Time h
pH 3 pH 4 pH 5
pH 6 pH 7 pH 8
A
B
图 5 重组 β-甘露聚糖酶的最适 pH(80℃)(A)和 pH 稳
定性(50℃)(B)
2014年第6期 185倪玉佳等 :黑曲霉嗜热 β-甘露聚糖酶在毕赤酵母中的克隆表达及其魔芋降解产物分析
3 讨论
随着功能性食品在实际生产生活中越来越受欢
迎,低聚糖的生产应用研究也随之持续升温。近年
来关于利用 β-甘露聚糖酶酶法制备甘露低聚糖的研
究较多,到目前为止已经有多种不同生物来源的 β-
甘露聚糖酶基因得到克隆和表达。
毕赤酵母是目前应用最为广泛和成功的外源蛋
白表达系统,有研究发现,不同基因型的毕赤酵母
作为宿主有时会显著影响基因的表达量[7,8]。本试
验在不同的巴斯德毕赤酵母宿主(GS115、KM71H、
SMD1168、X-33)中成功获得 β-甘露聚糖酶的分泌
表达,同时也确定了 KM71H 为最佳宿主。在某些情
况下,菌株缓慢生长更有利于蛋白质的折叠[9],如
Cos 等[10]利用甲醇缓慢利用型和快速利用型分别表
达米根霉脂肪酶,发现在外源表达时缓慢利用型拥
有更高的效率,其发酵酶比活是快速利用型的 1.4 倍。
高密度发酵能够在线调控某些参数,使得菌体
在最佳条件下生长,获得高的表达量,如来源于里
氏木霉 RUT-C30 的内切 β-甘露聚糖酶在 5 L 发酵罐
中诱导 120 h 酶活力达 470 IU/mL,蛋白浓度达 1.5
g/L[11]。本试验通过 3 L 发酵罐放大培养筛选得到的
最佳重组菌 KM71-MAN,甲醇诱导 96 h 后菌株发酵
活力达到 2 318.85 IU/mL,蛋白浓度达 2.82 g/L,在
国内处于较高的水平。毕赤酵母含有许多翻译后修
饰功能,如蛋白质折叠,糖基化等,但不同的毕赤
酵母在分泌重组蛋白时糖基化程度不均一,本试验
在毕赤酵母 KM71H 中分泌的重组 β-甘露聚糖酶电
泳图表明为非糖基化的形式存在于发酵液中。
尽管一些耐热的甘露聚糖酶已被研究,如来源
于黑曲霉 WM20-11 的 β-甘露聚糖酶,其最适温度为
70℃,但在 70℃下保温 1 h 后相对酶活就降至 50%
左右[12];来源于枯草芽孢杆菌 SA-22 的 β-甘露聚糖
酶 70℃的酶活半衰期仅为 3 h[13]。本试验构建所获
的重组 β-甘露聚糖酶,最适反应温度为 80℃,最适
pH5.0,且该酶在 70℃(pH5.0)保温 44 h 仍能保留
43% 的酶活力,在 pH 3.0-7.0 范围内保温 70 h(50℃)
酶活力仍能保留 85% 以上,展现了良好的热稳定性
和 pH 稳定性,具有较好的未来发展前景。
不同来源的 β-甘露聚糖酶作用于不同的底物,
其降解产物分布不同。乔宇等[14]以洋槐豆胶为底
物进行酶水解,其主要产物为甘露一糖和甘露二糖。
本试验以魔芋为底物,产物以甘露二糖和甘露六糖
为主,酶解魔芋胶制备甘露低聚糖得率为 55.6%,
非常适合于魔芋甘露低聚糖的制备工艺,未来发展
前景不容小觑。
4 结论
首 次 将 黑 曲 霉 第 5 家 族 β-甘 露 聚 糖 酶 基 因
10 20 30 40 50 60 70 80
0
20
40
60
80
100
120
R
el
at
iv
e
en
zy
m
e
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ity
%
Time (h)
T=50ć T=60ć T=70ć
T=80ć T=90ć
A
B
40 50 60 70 80 90 100 110
20
40
60
80
100
120
R
el
at
iv
e
en
zy
m
e
ac
tiv
ity
%
Temperature ć
图 6 重组 β-甘露聚糖酶的最适温度(pH5.0)(A)和温度
稳定性(pH5.0)(B)
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0
-50
125
250
375
500
600 nC
C
ha
rg
e
[n
C
]
Retention Time min
M
1
M
2
M
3
M
4
M
5
M
6
M1 :甘露一糖 ;M2 :甘露二糖 ;M3 :甘露三糖 ;M4 :甘露四糖 ;M5 :甘
露五糖 ;M6 :甘露六糖
图 7 甘露聚糖酶酶解魔芋降解产物的离子色谱图
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2014年第6期186
(FJ268574)进行密码子优化后成功在毕赤酵母中表
达。筛选获得的重组菌 KM71-MAN 在摇瓶和 3 L 发
酵罐中诱导 96 h 后发酵活力分别为 251.45 IU/mL 和
2 318.85 IU/mL,在国内处于较高水平。酶学性质研
究发现,该酶蛋白分子量大小与理论值相符,未发
生糖基化现象,反应最适温度为 80℃,最适 pH 为 5.0,
具有优良的耐热性和宽的 pH 稳定性,酶解产物以
甘露二糖和甘露六糖为主,酶解魔芋胶制备甘露低
聚糖得率为 55.6%,非常适合于魔芋甘露低聚糖的
制备工艺,具有极大的发展前景。
参 考 文 献
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农业科学 , 2006, 34(13):3249-3250. 
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(责任编辑 李楠)