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山東大學(xué)劉國棟、趙建 CEJ：以木質(zhì)纖維素水解液為原料的纖維素酶現(xiàn)場生產(chǎn)策略
2023-12-28  來源：高分子科技

  纖維素酶系的高效、低成本生產(chǎn)是降低木質(zhì)纖維糖生產(chǎn)成本，促進木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化進入商業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。經(jīng)典的纖維素酶發(fā)酵生產(chǎn)工藝依賴乳糖、槐糖、纖維素等誘導(dǎo)物的添加，原料成本高且發(fā)酵過程的調(diào)控難度大。直接以預(yù)處理秸稈等原料為碳源和誘導(dǎo)物的“整合現(xiàn)場產(chǎn)酶”（integrated on-site enzyme production）策略有利于節(jié)省成本，但存在固體原料補料難度大、產(chǎn)酶水平低等缺點，難以大規(guī)模實施。


圖1 以木質(zhì)纖維素水解液為原料的纖維素酶現(xiàn)場生產(chǎn)策略


  針對上述難題，山東大學(xué)微生物技術(shù)國家重點實驗室劉國棟副教授、趙建教授研究團隊提出了以木質(zhì)纖維素水解液為原料的新型整合現(xiàn)場產(chǎn)酶策略。首先，通過重塑纖維素酶轉(zhuǎn)錄調(diào)控模式，構(gòu)建了能夠以葡萄糖為唯一碳源發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶的菌株，并通過蛋白質(zhì)組手段證實其在葡萄糖培養(yǎng)基中能夠有效表達主要纖維素酶和半纖維素酶組分；進一步通過表達異源b-葡萄糖苷酶，顯著提升了整個酶系的糖化效率。利用工程菌株生產(chǎn)的粗酶液和間歇補料水解工藝，水解預(yù)處理玉米秸稈，獲得了葡萄糖濃度為166.67 g/L的秸稈糖液。利用該秸稈糖液替代淀粉來源的葡萄糖作為培養(yǎng)基，在5 L發(fā)酵罐上采用補料發(fā)酵工藝生產(chǎn)纖維素酶，發(fā)酵液的濾紙酶活力可達到60.4 U/ml，且該酶液的糖化效率高于使用淀粉糖進行補料發(fā)酵生產(chǎn)出的酶液的糖化效率。基于上述結(jié)果，提出了使用木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化系統(tǒng)內(nèi)部的水解液進行“閉環(huán)”現(xiàn)場產(chǎn)酶的策略。當以汽爆-亞硫酸銨預(yù)處理并經(jīng)水洗的玉米秸稈為原料時，用于產(chǎn)酶的水解液僅占全部水解液的3.1%。該研究為纖維素酶現(xiàn)場生產(chǎn)中兼顧原料成本與發(fā)酵水平提供了一種新的解決方案。 


圖2 重塑纖維素酶轉(zhuǎn)錄調(diào)控模式實現(xiàn)以葡萄糖為唯一碳源發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶 


圖3 工程菌株能夠以葡萄糖為唯一碳源生產(chǎn)主要纖維素酶和半纖維素酶組分
 

圖4 以秸稈水解液為原料補料發(fā)酵生產(chǎn)酶液的糖化效率高于以淀粉糖為原料生產(chǎn)出的酶液

  該研究以“A closed-loop strategy for on-site production of saccharolytic enzymes for lignocellulose biorefinery using internal lignocellulosic hydrolysates”為題發(fā)表于化工領(lǐng)域期刊Chemical Engineering Journal。博士研究生趙芹芹和張政為論文的共同第一作者，劉國棟副教授和趙建教授為論文的通訊作者，山東大學(xué)微生物技術(shù)國家重點實驗室為第一完成單位和通訊作者單位。研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的支持。


  原文免費下載鏈接：https://authors.elsevier.com/a/1iK6Z4x7R2gYXR

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（責任編輯：xu）
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