北化团队利用发光杆菌，以木薯粉水解液为碳源高效生产PHB

日常生活中，塑料无处不在，从包装到建筑材料，从电子产品到汽车部件，它的身影随处可见。然而，随着塑料使用量的急剧增加，塑料污染已成为一个全球性的严峻问题。

PHA 是一类生物聚合物，最著名的是聚羟基丁酸酯（PHB）和聚（3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯）的共聚物（PHBV）。其由多种原核生物合成并积累为细胞内颗粒，用于储存碳和能量。当细菌处于营养受限的环境时，就会降解积累的 PHA 来维持生长。PHA 有着有很好的生物降解性和生物相容性，可以在海洋、淡水、土壤和垃圾填埋场等多种环境中自然降解，非常适合用作一次性用品和包装材料。

但是，目前 PHA 的大规模应用面临着生产成本高的难题，其中原材料成本，特别是碳源成本占据了总成本的一半以上。因此，寻找低成本的碳源替代食物来源的葡萄糖，成为推动 PHA 工业化生产的关键。

近日，北京化工大学李正军团队发表于 ACS Food Science & Technology 的一篇题为“Efficient Production of Poly-3-hydroxybutyrate by Photobacterium sp. TLY01 Using Hydrolysate of Cassava Powder as the Carbon Source”的研究中，研究人员成功以价格低廉且来源广泛的木薯粉水解液作为碳源，实现了高效生产 PHB，或推动这种环保材料在未来的大规模工业化生产。

为了实现 PHB 生产，研究人员首先需要将木薯粉水解为可发酵糖。以往水解木薯粉获取可发酵糖的方法主要有酸水解和酶水解两种。酸水解虽然能分解木薯粉，但会产生糠醛、5-羟甲基糠醛等抑制物，影响后续的细菌发酵，而直接酶水解的效率较低。为了进一步提高木薯粉的酶解效率，研究团队采用了将酶水解和超声预处理以及低共熔溶剂（DES）预处理相结合的方法。

本次研究所用的木薯粉中淀粉含量为 70.19%，水分和粗纤维含量分别为 13.89% 和 8.12%，蛋白质和灰分所占比例较小。木薯粉经淀粉葡萄糖苷酶水解后，淀粉大量转化为葡萄糖。

超声处理可以通过空化效应产生的剪切力破坏木薯淀粉的颗粒结构，使其表面粗糙并出现裂纹，从而增加酶与底物的接触面积。实验表明，在 55 ℃ 下超声处理 30 分钟，木薯粉糖化率可达 92.01%。而 DES 作为一种由氢键受体（如氯化胆碱）和氢键供体（例如醇或酸）组成的绿色溶剂，能够破坏淀粉的结晶区，降低分子间氢键的稳定性。研究发现，当氯化胆碱与甘油以 1:2 的摩尔比混合时，形成的 DES 预处理效果最佳，木薯粉糖化率提升至 89.07%。不仅如此，通过优化温度（40℃）、处理时间（30 分钟）和固液比（1:10）等预处理条件，糖化效率还进一步得到了提高。

更令人惊喜的是，超声与 DES 的联合使用产生了协同效应。木薯粉经两种方法依次处理后，淀粉颗粒从紧密的球形变为分散的开放结构，酶解效率显著提升。

最终经过预处理的木薯粉糖化率高达 96.92%，生产的葡萄糖浓度达到 29.56 g/L。此外，研究人员发现预处理中的 DES 溶液还可循环使用并回收，更进一步降低了预处理成本。

在获得高浓度葡萄糖后，研究团队利用发光杆菌 Photobacterium sp.TLY01 生产 PHB，这株菌具有广谱碳源利用能力，能够高效积累PHB。

在生物反应器中进行发酵实验时，分批发酵在初始葡萄糖浓度为 80 g/L 的条件下，产生了 25.96 g/L 的 PHB。而补料分批发酵后则进一步提升了 PHB 产量，当初始葡萄糖浓度调整为 40 g/L 时，最终 PHB 产量达到了 64.71 g/L，这是目前以木薯生物质为碳源生产 PHB 的最高报道产量。

可以看到的是，这项研究不仅为 PHB 生产提供了一条低成本路径，也为其他生物基产品的开发提供了借鉴。例如，类似的预处理技术可应用于将低价值非食品产品（如马铃薯和玉米副产品）转化为高价值生物产品。随着合成生物学和绿色化学的进步，相信生物制造有望在减少碳排放、缓解塑料污染方面发挥更大作用。

参考文献：

1.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsfoodscitech.5c00165

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