玉米秸秆变身肌醇，浙大团队利用多酶级联“一锅法”处理纤维素

在可持续化学和绿色生物制造领域，将农业废弃物转化为高附加值化学品一直是研究热点。其中，玉米秸秆作为农业生产中大量产生的废弃物，其有效利用对于实现资源循环和可持续发展具有重要意义。

传统的玉米秸秆处理方式多为焚烧或自然降解，不仅造成资源浪费，还会带来严重的环境污染问题。而现有的一些转化技术，往往面临着成本高、效率低、工艺复杂或污染排放大等诸多挑战，难以实现大规模的工业化应用。在此背景下，开发一种高效、环保且经济可行的玉米秸秆生物转化技术显得尤为迫切。

近日，来自浙江大学方浩团队的一篇题为“Biomanufacturing of Inositol from Corn Stover with Biological Pretreatment by an In Vitro Synthetic Biology Platform”的研究中，研究人员利用构建的体外合成生物学平台对玉米秸秆进行生物预处理和多酶级联催化，最终成功将农业废弃物玉米秸秆转化为高附加值化学品——肌醇，实现了从生物质到化学品的高效转化，该文章发表于 ACS Sustainable Chemistry & Engineering 期刊。

起初，研究团队以玉米秸秆这一重要农业废弃物为木质纤维素底物，利用白腐真菌（Trametes versicolor）对玉米秸秆进行固态发酵（SSF）预处理，以提高后续转化效率。在 SSF 过程中，白腐真菌能够分泌大量的漆酶，这种漆酶不但能够有效去除木质纤维素中的木质素，还可作为一种副产品，用于染料脱色和废水处理，具有额外的经济效益。

在固态发酵过程中，研究人员通过单因素优化对影响发酵的九个主要因素进行了考察。结果表明，温度、pH、葡萄糖、硫酸铵、水含量、接种量、磷酸二氢钾、硫酸镁和硫酸铜等因素均对白腐真菌产漆酶有显著影响。通过进一步的实验分析，确定了最佳的发酵条件，使漆酶的平均比活性从 68.184 U/g 提高到 83.098 U/g，发酵效率提升了 21.87%。

随后，研究人员又采用蒸汽爆破技术去除半纤维素，进一步促进后续的酶解过程。经过生物预处理和蒸汽爆破后，玉米秸秆中木质素和其他成分的降解率达到 45.90%，固体底物中的纤维素含量从 38.03% 增加到 64.71%。这一预处理过程不仅有效去除了木质素的阻碍，还显著提高了纤维素的可及性，为后续的酶催化奠定了转化基础。

在预处理后的玉米秸秆转化过程中，研究团队构建了一种体外合成多酶催化体系。该体系首先使用商业纤维素酶对底物进行预处理，然后引入五种外源耐热酶，分别为纤维二糖磷酸化酶（CBP）、多聚磷酸葡萄糖激酶（PPGK）、磷酸葡萄糖变位酶（PGM）、肌醇-1-磷酸合酶（IPS）和肌醇单磷酸酶（IMP），通过“一锅法”将纤维二糖和葡萄糖转化为肌醇。这些酶分别来源于不同的嗜热或超嗜热菌株，如热纤梭菌（Clostridium thermocellum）、褐色高温双歧菌（Thermobifida fusca）、古细菌嗜热球菌（Thermococcus kodakaraensis）、球菌（Archaeoglobus fulgidus）和海栖热袍菌（Thermotoga maritima）。与此同时，研究人员对这些酶的活性进行了详细分析，并根据酶活性测量结果确定了最佳的反应条件，包括温度、pH 值和酶负载比等。

最终，经过一系列优化后，该体外合成多酶催化体系能够从每 10 g 预处理的玉米秸秆中生产 4.596 g 肌醇，基于纤维素酶的降解产物，多酶级联反应中肌醇的最终产率达到理论产率的 89.42%，充分表明该体系具有着良好的转化能力。

总而言之，与传统方法相比，本研究具有多方面的创新和优势。一方面，利用白腐真菌进行固态发酵预处理玉米秸秆，不仅有效降解了木质素，还能产生具有商业价值的漆酶作为副产品，不但避免了潜在的环境污染，更提高了整个过程的经济价值；另一方面，采用“一锅法”进行酶催化转化，也可以减少了中间产物的分离和纯化步骤，简化了工艺流程，降低了生产成本。

在未来的研究，研究人员也可以进一步聚焦于提高酶的活性和稳定性，或通过蛋白质工程等手段对酶进行优化，提升转化效率和生产规模，相信随着研究的不断深入，这一技术为类似的农业废弃物转化提供更好的思路。

参考文献：

1.https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acssuschemeng.4c08006

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