Five types of agricultural wastes were used for the production of xylanolytic enzyme by Aspergillus flavus K-03. All wastes materials supported high levels of xylanase and ${\beta}-xylosidase$ production. A high level of proteolytic activity was observed in barley and rice bran cultures, while only a weak proteolytic activity was detected in corn cob, barley and rice straw cultures. Maximum production of xylanase was achieved in basal liquid medium containing rice barn as carbon source for 5 days of culture at pH 6.5 and $25^{\circ}C$. The xylanolytic enzyme of A. flavus K-03 showed low thermostability. The times required for 50% reduction of the initial enzyme activity were 90 min at $40^{\circ}C$, 13 min at $50^{\circ}C$, and 3 min at $60^{\circ}C$. Xylanolytic activity showed the highest level at pH $5.5{\sim}10.5$ and more than 70% of the original activity was retained at pH 6.5 and 7.0. The higher stability of xylanolytic enzymes in the broad range of alkaline pH is useful for utilization of the enzymes in industrial process requiring in alkaline conditions. Moreover, the highest production of xylanolytic enzyme was obtained when 0.5% of rice bran was supplied in basal liquid medium. SDS-PAGE analysis revealed a single xylanase band of approximately 28.5 kDa from the culture filtrates.
The production and location of xylanolytic enzymes in alkaliphilic Bacillus sp. K-1, isolated from the wastewater treatment plant of the pulp and paper industry, was studied. When grown in alkaline xylan medium, the bacteria produced xylanolytic enzymes such as xylanase, $\beta$-xylosidase, arabinofuranosidase, and acetyl esterase. Two types of xylanases (23 and 45 kDa) were found to be extracellular, but another type of xylanase (35 and/or 40 kDa) was detected as pellet-bound that was eluted with 2% triethylamine from the residual xylan of the culture. The xylanases were different in their molecular weight and xylan-binding ability. Arabinofuranosidase and $\beta$-xylosidase were found to be intracellular and extracellular, respectively, and acetyl esterase was found to be extracellular. The extracellular xylanolytic enzymes effectively hydrolyzed insoluble xylan, lignocellulosic materials, and xylans in kraft pulps.
Filamentous fungi colonizing rice straw were collected from 11 different sites in Korea and were identified based on characterization of their morphology and molecular properties. The fungi were divided into 25 species belonging to 16 genera, including 14 ascomycetes, one zygomycete, and one basidiomycete. Fungal cellulolytic and xylanolytic enzymes were assessed through a two-step process, wherein highly active cellulase- and/or hemicellulase-producing fungi were selected in a first screening step followed by a second step to isolate the best enzyme-producer. Twenty-five fungal species were first screened for the production of total cellulase (TC), endo-${\beta}$-1,4 glucanase (EG), and endo-${\beta}$-1,4 xylanase (XYL) using solid-state fermentation with rice straw as substrate. From this screening, six species, namely, Aspergillus niger KUC5183, A. ochraceus KUC5204, A. versicolor KUC5201, Mucor circinelloides KUC6014, Trichoderma harzianum 1 KUC5182, and an unknown basidiomycete species, KUC8721, were selected. These six species were then incubated in liquid Mandels' media containing cellulose, glucose, rice straw, or xylan as the sole carbon source and the activities of six different enzymes were measured. Enzyme production was highly influenced by media conditions and in some cases significantly increased. Through this screening process, Trichoderma harzianum 1 KUC5182 was selected as the best enzyme producer. Rice straw and xylan were good carbon sources for the screening of cellulolytic and xylanolytic enzymes.
An alkaliphilic bacterium, Bacillus sp. strain BK, was found to produce extracellular cellulase-free xylanolytic enzymes with xylan-binding activity. Since the pellet-bound xylanase is eluted with 2% TEA from the pellet of the culture, they contain a xylan-binding region that is stronger than the xylan-binding xylanase of the extracellular enzyme. The xylanases had a different molecular weight and xylan-binding ability. The enzyme activity of xylanase in the extracellular fraction was 6 times higher than in the pellet-bound enzyme. Among the enzymes, xylanase had the highest enzyme activity. When Bacillus sp. strain BK was grown in pH 10.5 alkaline medium containing xylan as the sole carbon source, the bacterium produced xylanase, arabinofuranosidase, acetyl esterase, and $\beta$-xylosidase with specific activities of 1.23, 0.11, 0.06, and 0.04 unit per mg of protein, respectively. However, there was no cellulase activity detected in the crude enzyme preparation. The hydrolysis of agricultural residues and kraft pulps by the xylanolytic enzymes was examined at 50$^{\circ}C$ and pH 7.0. The rate of xylan hydrolysis in com hull was higher than those of sugarcane bagasse, rice straw, com cop, rice husk, and rice bran. In contrast, the rate of xylan hydrolysis in sugarcane pulp was 2.01 and 3.52 times higher than those of eucalyptus and pine pulp, respectively. In conclusion, this enzyme can be used to hydrolyze xylan in agricultural residues and kraft pulps to breach and regenerate paper from recycled environmental resources.
Xylophagous termites are capable of degrading lignocellulose by symbiotic gut microorganisms along with the host's indigenous enzymes. Therefore, the termite gut might be a potential niche to obtain natural yeasts with celluloytic, xylanolytic and ethanologenic traits required for bioethanol production from lignocellulosic biomass. In this study, we cultured 79 yeasts from three different termites viz. Coptotermes heimi, Odontotermes javanicus and Odontotermes obesus. After suitable screening methods, we identified 53 yeasts, which belonged to 10 genera and 16 different species of both ascomycetous and basidiomycetous yeasts. Most yeasts in the present study represent their first-ever isolation from the termite gut. Representative strains of identified yeasts were evaluated for their cellulolytic, xylanolytic, and ethanologenic abilities. None of the isolates showed cellulase activity; 22 showed xylanolytic activity, while six produced substantial quantities of ethanol. Among xylanolytic cultures, Pseudozyma hubeiensis STAG 1.7 and Hannaella pagnoccae STAG 1.14 produced 1.31 and 1.17 IU of xylanase. Among ethanologenic yeasts, the strains belonging to genera Candida and Kodamaea produced high amount of ethanol. Overall, highest ethanol level of 4.42 g/L was produced by Candida tropicalis TS32 using 1% glucose, which increased up to 22.92 g/L at 35 ℃, pH 4.5 with 5% glucose. Fermentation of rice straw hydrolysate gave 8.95 g/l of ethanol with a yield of 0.42 g/g using the strain TS32. Our study highlights the gut of wood-feeding termites as a potential source of diverse yeasts that would be useful in the production of xylanase and bioethanol.
Syntheses of the B. stearothermophilus xylanolytic enzymes such as xylanases, ${\beta}$-xylosidases, ${\alpha}$-arabinofurano-sidases, and esterases, were observed to be regulated by the carbon source present in the culture media. Xylan induced synthesis of ${\beta}$-xylosidase at the highest level while xylose gave about 30% of the ${\beta}$-xylosidase activity induced by xylan. The lowest syntheses of the xylanolytic enzymes above mentioned were detected in the basal medium containing glucose as a sole carbon source. When a mixture of xylan and glucose was used as a carbon source, we could observe glucose repression of xylanase (about 70-fold) and ${\beta}$-xylosidase (about 40-fold) syntheses. Whereas, the level of the glucose repression of the expression of the xylA gene encoding the major ${\beta}$-xylosidase of B. stearothermophilus was assessed to be about l0-fold when the relative amounts of the xylA transcript were determined. From the sequence of the xylA gene, we could find two CRE-like sequences (CRE-l: nucleotides +124 to +136 and CRE-2:+247 to +259) within the reading frame of the xylA gene, either or both of which were suspected to be involved in catabolite repression of the xylA gene.
Deinococcus geothermalis is a moderate thermophillic radiation resistant bacterium producing greater abundance of sugar metabolism enzymes than other Deinococcus species. In this study, optimal condition for xylanolytic activity of D. geothermalis was determined and xylooligosaccharides from oat spelt, beechwood, and birchwood xylan hydrolysates by this organism were analyzed through HPLC. Reducing sugar yield was increased in the order of beechwood, birchwood, and oat spelt xylan. D. geothermalis displayed maximal xylanolytic activity at $40^{\circ}C$ and pH 8.0. Magnesium ion increased xylanolytic activity upto 7.5 fold. Six kinds of xylooligosaccharides (xylose, xylobios, xylotriose, xylotetraose, xylopentaose, and xylohexalose) were detected from beechwood and birchwood xylan reaction products. Among them, xylose was the major product. However, only three kinds of xylooligosaccharides (xylose, xylopentaose, and xylohexalose) were clearly detected from oat spelt xylan. Gamma-ray (50 kGy) treatment of beechwood xylan, birchwood xylan and oat spelt xylan increased xylanolytic activity of D. geothermalis. The results indicate that D. geothermalis and pretreatment of radiation is useful for xylooligosaccharides production.
Enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass into fermentable sugars is a key step in the conversion of agricultural by-products to biofuels and value-added chemicals. Utilization of a robust microorganism for on-site production of biomass-degrading enzymes has gained increasing interest as an economical approach for supplying enzymes to biorefinery processes. In this study, production of multi-polysaccharide-degrading enzymes from Aspergillus aculeatus BCC199 by solid-state fermentation was improved through the statistical design approach. Among the operational parameters, yeast extract and soybean meal as well as the nonionic surfactant Tween 20 and initial pH were found as key parameters for maximizing production of cellulolytic and hemicellulolytic enzymes. Under the optimized condition, the production of FPase, endoglucanase, ${\beta}$-glucosidase, xylanase, and ${\beta}$-xylosidase was achieved at 23, 663, 88, 1,633, and 90 units/g of dry substrate, respectively. The multi-enzyme extract was highly efficient in the saccharification of alkaline-pretreated rice straw, corn cob, and corn stover. In comparison with commercial cellulase preparations, the BCC199 enzyme mixture was able to produce remarkable yields of glucose and xylose, as it contained higher relative activities of ${\beta}$-glucosidase and core hemicellulases (xylanase and ${\beta}$-xylosidase). These results suggested that the crude enzyme extract from A. aculeatus BCC199 possesses balanced cellulolytic and xylanolytic activities required for the efficient saccharification of lignocellulosic biomass feedstocks, and supplementation of external ${\beta}$-glucosidase or xylanase was dispensable. The work thus demonstrates the high potential of A. aculeatus BCC199 as a promising producer of lignocellulose-degrading enzymes for the biomass conversion industry.
To the best of our knowledge, this is the first report on thermophilic fungi isolated in Korea. Three species of thermophiles were isolated from compost and were identified as Myriococcum thermophilum, Thermoascus aurantiacus, and Thermomyces lanuginosus. They can grow at temperatures above $50^{\circ}C$ and produce high levels of cellulolytic and xylanolytic enzymes at high temperatures. Notably, the considerable thermostability of the endo-glucanase produced by T. aurantiacus has made the fungus an attractive source of industrial enzymes.
Agricultural waste products, beech wood and walnut shells, were hydrolyzed at 40$^{\circ}C$ using mixed crude enzymes produced by Penicillium sp. AHT-1 and Rhizomucor pusillus HHT-1. D-xylose, 4.1 g and 15.1 g was produced from the hydrolysis of 100 g of beech wood and walnut shells, respectively. For xylitol production, Candida tropicalis IFO0618 and the waste product hydrolyzed solutions were used. The effects on xylitol production, of adding glucose as a NADPH source, D-xylose and yeast extract, were examined. Finally, a 50% yield of xylitol was obtained by using the beech wood hydrolyzed solution with the addition of 1% yeast extract and 1% glucose at an initial concentration.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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