国外使用多功能过氧化物酶对水稻秸秆脱木质素预处理以提高产率

近年来，全球能源消耗持续加剧，其中大部分能源都依赖于化石燃料，化石燃料不可再生且对生态环境造成污染。相较之下，以生物乙醇为代表的生物燃料是一种更好的替代产品，其燃烧时产生的有害污染物（二氧化硫、颗粒物等）更少，还可作为生产高价值精细化学品（如烯烃、汽油和合成气）的前体，具有广阔的应用前景。

水稻秸秆是一种富含碳水化合物的农业废弃物，具有生产生物乙醇的巨大潜力，然而水稻秸秆中的木质素限制了这些碳水化合物的获取并阻碍其向生物乙醇的高效转化。

近期，日本京都大学先进能源研究所Masato Katahira团队开发出一种新的脱木质素处理方法，通过多功能过氧化物酶对水稻秸秆进行脱木质素并使生物乙醇产量提升 1.4 倍，达到 7.8 mg/mL，为生物乙醇的高效生产提供了一种新的生物质预处理方法。

目前，这项研究已经以“Enhancing Bioethanol Production from Rice Straw through Environmentally Friendly Delignification Using Versatile Peroxidase”为题发表在Journal of Agricultural and Food Chemistry上。

（来源：Journal of Agricultural and Food Chemistry）

作为一种丰富的木质纤维素生物质资源，水稻秸秆具有高含量的多糖，包括纤维素（32−47%）和半纤维素（19−27%），非常适合用于生产生物乙醇。

生产过程中，纤维素需要被转化为可发酵的糖，一般是通过酶途径进行转化；而在酶途径转化中，纤维素酶（具有纤维素降解活性的酶）在糖化阶段将纤维素转化为葡萄糖，然后将得到的葡萄糖通过微生物发酵（如酵母）生产生物乙醇。

然而，由于木质素的存在，水稻秸秆在未处理状态下的糖化是一个重大挑战，木质素阻碍了纤维素酶对纤维素的获取，进而导致糖化效率较低。为了克服这一限制，需要对水稻秸秆进行预处理、降解去除木质素以提高纤维素酶对纤维素的获取。

在当前的工业应用中，物理和化学的预处理方法（如蒸汽爆破、有机溶剂、酸/碱处理等）可用于从生物质中有效降解和去除木质素，然而这些方法通常需要较高的反应温度，或使用有毒化学物质，造成较高的能源消耗且污染生态环境。

比起传统的物理、化学预处理方法，生物预处理是更有潜力的替代方案，比如利用真菌、细菌或木质素降解酶对生物质进行脱木质素处理，提高酶促糖化和发酵过程的效率。

木质素降解微生物能够产生多种类型的木质素降解酶，比如漆酶、锰过氧化物酶、木质素过氧化物酶以及多功能过氧化物酶（VP）。其中，多功能过氧化物酶是一种含血红素的木质素过氧化物酶，可以看作是锰过氧化物酶和木质素过氧化物酶的混合物，其多功能主要源于多个不同的底物氧化活性位点，在过氧化氢的存在下，它可以氧化多种物质，包括木质素、酚类和非酚类化合物等。

目前，这种酶在生物质脱木质素和后续生物乙醇生产中的应用仍然受限，一个主要的挑战是高效生产有活性的多功能过氧化物酶。同源表达系统存在表达水平低、产酶时间长等缺点，相比之下，异源表达系统（尤其是在酵母中）具有生长速度快、易于遗传操作、重组蛋白产量高等优势，能够快速高效地大规模生产酶。

（来源：Journal of Agricultural and Food Chemistry）

在这项研究中，Masato Katahira团队首先使用毕赤酵母生产多功能过氧化物酶，他们优化了可溶性多功能过氧化物酶在毕赤酵母中的表达，同时保证了足够的血红素掺入。随后，他们使用各种木质素类单体和二聚体化合物作为底物，评估了这种多功能过氧化物酶的催化活性。

最后，他们探索了多功能过氧化物酶利用膜生物反应器催化水稻秸秆脱木质素的效力，并评估了其对糖化产率和生物乙醇产量的提升效果。研究结果表明，多功能过氧化物酶作为一种生物催化剂，在30℃下的温和反应条件下，可以促进水稻秸秆中木质素的降解，该酶可使水稻秸秆的脱木质素效率达35%。

▲图｜Ctrl-RS 和 VP-RS 糖化时产生葡萄糖和还原糖浓度的时间过程（来源：Journal of Agricultural and Food Chemistry）

▲图｜Ctrl-RS 和 VP-RS 同时糖化和发酵时产生的葡萄糖、木糖和乙醇浓度的时间过程（来源：Journal of Agricultural and Food Chemistry）

对比不使用多功能过氧化物酶（Ctrl-RS）和使用多功能过氧化物酶（VP-RS）处理水稻秸秆的糖化产率和生物乙醇产量，在酶促糖化 96 h 后，VP-RS 产生的葡萄糖浓度为4.5 mg/mL，而 Ctrl-RS 仅产生了 3.1 mg/mL，表明 VP-RS 的葡萄糖产量提高了约1.5倍；在培养 48 h 时，VP-RS 产生了7.8 mg/mL的乙醇，而 Ctrl-RS 产生了 5.4 mg/mL，表明 VP-RS 的生物乙醇产量增加了1.4倍。

这篇论文的共同通讯作者Masato Katahira是日本京都大学先进能源研究所教授，他的实验室专注于从结构生物学的角度开发生物质以及生物炼油等领域。

素材来源官方媒体/网络新闻

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