背景介绍
木质纤维素类生物质是地球上最丰富的有机可再生碳源，以其为原料制备纤维素基燃料和化学品是当前生物质转化领域的研究热点之一。通过预处理破坏木质纤维素的抗降解屏障，并耦合生物酶法水解其中的纤维素成分构建糖平台，是木质纤维素糖基化的主流技术手段，也是制备纤维素乙醇的基础。由于木质纤维素组分与结构的异质性和多样性，其充分降解需依赖于适配的多种纤维素酶与辅酶的协同作用。但在实际应用中，常存在酶系组成不全、酶种分布不均、酶的专一性与底物匹配性不足等问题，造成木质纤维素酶解效率低，极大地限制了秸秆、杨木等农林废弃物的资源化利用。
针对以上问题，中科院广州能源所亓伟课题组以杨木为代表性原料，将选育出的青霉菌、粗糙脉孢菌和嗜热子囊菌等多菌种混合，通过固态发酵诱导产出高活性、多酶种的纤维素复合酶系。结合酶活测定和菌种转录组学分析可知，该复合酶系在多样性糖苷水解酶类和多糖裂解酶、酯酶等辅酶方面具有明显优势，可有效增强半纤维素及纤维素组分的协同降解。将发酵粗酶液与诺维信纤维素酶进行复配，能进一步提高杨木酶解效率到88%以上，显著优于两种酶系单独使用的结果。
图文解读
1、不同预处理方法对杨木底物特性的改造
木质纤维素具有复杂的化学机制和致密的物理结构，通过预处理技术对非纤维素组分进行初步降解分离，并使纤维素聚合度降低、可及性增加，是提高纤维素酶解效率的重要途径。该研究考察了酸碱法、碱-有机溶剂法和固体酸催化法等多种预处理方式对杨木组分与特性的改变，及对后续纤维素酶解的影响。实验表明，酸碱预处理后杨木底物的半纤维素去除率高达82%，且纤维素含量与物料结晶度适当增高，有利于酶解，所得酶解效率和糖液浓度高 （图1）。相比之下，碱-有机溶剂法去除非纤维素组分效果不明显；而固体酸催化法虽去除了大部分木质素与半纤维素，但酶解效率和糖液浓度较低，可能是因为过度去除木质素造成纤维素共结晶和纤维聚结，降低了酶可及性。
图1. 不同预处理方法对杨木酶解的影响。
2、混菌固态发酵产纤维素复合酶系
混菌发酵可利用多菌种之间互利共栖的协同作用，使发酵酶的产率提高且酶系比例协调，以改进单一菌种发酵效率低、酶组分不全的缺点。该研究工作采用混料设计法考察了四种青霉菌和两种LPMOs发酵菌种在不同配比下混菌发酵，根据滤纸酶活和LPMOs酶活结果筛选出6种菌的最优配比。从纤维素酶解效率可知，在青霉菌混菌发酵的基础上，加入LPMOs发酵菌种的混酶液可显著提高杨木的酶解率（图2a-b）。以诺维信纤维素酶作为参照，通过多种酶活测定和发酵菌种的转录组学分析可知，混菌发酵酶液在多样性糖苷水解酶类（GH家族）、糖苷转移酶类（GT家族）、多糖裂解酶（PL家族）和糖酯酶类（CE家族）等方面具有明显优势，可有效增强半纤维素及纤维素组分的化学键断裂（图2c-d）。尤其是糖苷水解酶GH，广泛分布于GH1、GH3、GH20等40多个家族，可通过修饰或破坏多种糖苷键协同降解葡聚糖、木聚糖和甘露聚糖等组分。
图2. 混菌发酵产高活性纤维素复合酶系。
3、发酵酶与商品酶复配增效杨木水解
商品酶多为普适性产品，若直接用于不同特性的木质纤维素类材料易导致匹配度不足，水解效率低的问题。将不同酶系按比例混合发挥多酶种的协同作用，是提高酶解效率的一种有效方式。研究团队将上述发酵所产的纤维素酶与诺维信纤维素酶Cellic CTec 2进行复配研究，形成具有定向降解优势的新型复配酶，成功将杨木的酶解效率提升至88%以上，显著优于两种酶系单独使用的结果（图3）。此外，该研究借助SEM和XRD等表征手段探究了杨木底物预处理前后和酶解前后的特性变化，结果标明杨木预处理后表面结构由平整光滑变为多孔的鳞状结构；酶解后由于纤维素组分降解，残渣部分的结晶度下降，表面结构被进一步破坏（图4）。
图3. 发酵酶与商品酶复配增效杨木水解。
图4. 杨木底物特性SEM表征：a)原始物料，b)酸碱预处理后物料，c)酶解后物料。
总结
该研究团队长期聚焦于木质纤维素绿色拆解及糖平台构建的基础理论研究与工艺技术开发，已选育出多株高产纤维素酶发酵菌种并获得专利保护。本研究所报道的混菌固态发酵法，可产出多组分纤维素酶复合酶系，显著提高杨木的酶解糖化效率。后续研究进一步表明，该团队制备的混菌菌剂和发酵酶液可直接用于秸秆等木质纤维素的降解，强化预处理和水解过程，对商品酶的替代率高达80%。研究成果有望应用于饲料加工、纤维素乙醇等领域，为降低农林废弃物生物质转化的用酶成本、促进低碳绿色纤维素高值化利用做出一定贡献。
