木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)是地球上最豐富的有機(jī)可再生碳源，以其為原料制備纖維素基燃料和化學(xué)品是當(dāng)前生物質(zhì)轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。通過預(yù)處理破壞木質(zhì)纖維素的抗降解屏障，并耦合生物酶法水解其中的纖維素成分構(gòu)建糖平臺(tái)，是木質(zhì)纖維素糖基化的主流技術(shù)手段，也是制備纖維素乙醇的基礎(chǔ)。由于木質(zhì)纖維素組分與結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性和多樣性，其充分降解需依賴于適配的多種纖維素酶與輔酶的協(xié)同作用。但在實(shí)際應(yīng)用中，常存在酶系組成不全、酶種分布不均、酶的專一性與底物匹配性不足等問題，造成木質(zhì)纖維素酶解效率低，極大地限制了秸稈、楊木等農(nóng)林廢棄物的資源化利用。
針對(duì)以上問題，中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所生物質(zhì)能生化轉(zhuǎn)化研究室以楊木為代表性原料，將選育出的青霉菌、粗糙脈孢菌和嗜熱子囊菌等多菌種混合，通過固態(tài)發(fā)酵誘導(dǎo)產(chǎn)出高活性、多酶種的纖維素復(fù)合酶系，有效提升了楊木酶解糖化效率。相關(guān)研究成果發(fā)表于Chemical Engineering Journal。
研究采用混料設(shè)計(jì)法考察了四種青霉菌和兩種裂解多糖單加氧酶（LPMOs）發(fā)酵菌種在不同配比下混合發(fā)酵。利用多菌種之間互利共棲的協(xié)同作用，使發(fā)酵酶的產(chǎn)率提高且酶系比例協(xié)調(diào)，改進(jìn)了單一菌種發(fā)酵效率低、酶組分不全的缺點(diǎn)。從纖維素酶解效率可知，在青霉菌混菌發(fā)酵的基礎(chǔ)上，加入LPMOs發(fā)酵菌種的混酶液可顯著提高楊木的酶解率。以諾維信纖維素酶作為參照，通過多種酶活測(cè)定和發(fā)酵菌種的轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析可知，混菌發(fā)酵酶液在多樣性糖苷水解酶類（GH家族）、糖苷轉(zhuǎn)移酶類（GT家族）、多糖裂解酶（PL家族）和糖酯酶類（CE家族）等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，可有效增強(qiáng)半纖維素及纖維素組分的化學(xué)鍵斷裂。
為進(jìn)一步提高楊木的酶解效率，研究將上述發(fā)酵所產(chǎn)的纖維素酶與諾維信纖維素酶Cellic CTec 2進(jìn)行復(fù)配，形成具有定向降解優(yōu)勢(shì)的新型復(fù)配酶，成功將楊木的酶解效率提升至88%以上，顯著優(yōu)于兩種酶系單獨(dú)使用的結(jié)果。后續(xù)研究進(jìn)一步表明，該團(tuán)隊(duì)制備的混菌菌劑和發(fā)酵酶液可直接用于秸稈等木質(zhì)纖維素的降解，強(qiáng)化預(yù)處理和水解過程，對(duì)商品酶的替代率高達(dá)80%。研究成果有望應(yīng)用于飼料加工、纖維素乙醇等領(lǐng)域，為降低農(nóng)林廢棄物生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的用酶成本、促進(jìn)低碳綠色纖維素高值化利用做出一定貢獻(xiàn)。
該研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139352
混菌發(fā)酵產(chǎn)高活性纖維素復(fù)合酶系
發(fā)酵菌種轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析
發(fā)酵酶與商品酶復(fù)配增效楊木水解
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