无需预处理和纤维素酶！非粮生物质一步发酵合成纤维素乙醇、苹果酸

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（来源：生物基能源与材料）

非粮生物质进展| 非粮生物质高值化利用

玉米芯作为原料，无需独立化学预处理，发酵阶段也无需外加纤维素酶，如何一步发酵生成纤维素乙醇、苹果酸？

【生物基能源与材料】获悉，中国科学院天津工业生物技术研究所 田朝光研究员团队今年连续发表三项非粮生物质高值化利用方面的研究成果，以真菌——嗜热毁丝霉（Myceliophthora thermophila）为统一底盘，针对整合生物炼制（CBP，将产酶、糖化、发酵合三为一）的三个产业化瓶颈分别给出解法：过表达DyP（染料脱色过氧化物酶）破解木质素屏障，以生玉米芯为唯一碳源一步产苹果酸157.6 g/L，无需化学预处理和外加纤维素酶；强化TPP（焦磷酸硫胺素）合成通路打通碳流方向，用廉价硫酸铵替代酵母提取物产纤维素乙醇49.5 g/L，接近有机氮源水平；“删竞争通路+转氢酶+NAD激酶微调”三步调控还原力分配，苹果酸产发酵周期缩短2天。

01 木质素屏障怎么破？

非粮生物质的核心难题之一是木质素构成的物理化学屏障。

玉米芯等原料中，木质素像一层铠甲包裹着纤维素和半纤维素，即使真菌的纤维素酶和半纤维素酶已经在卖力表达，多糖仍然无法被有效释放。

田朝光团队在转录组分析中发现了一个关键反差：嗜热毁丝霉在生玉米芯上发酵时，纤维素酶和半纤维素酶基因在第2-4天达到表达高峰，但基因组中编码的6个木质素降解酶基因——包括5个漆酶和1个DyP型过氧化物酶——整体表达远弱于纤维素酶和半纤维素酶。

转录组分析显示纤维素酶/半纤维素酶强表达而木质素降解酶弱表达，来源：《Unlocking raw-corncob consolidated bioprocessing for malic acid production by DyP-enabled lignin deconstruction in Myceliophthora thermophila》

这意味着真菌在使劲啃，但木质素这层铠甲把多糖锁住了。体外水解实验验证了这一判断：在培养物滤液中加入商品漆酶后，葡萄糖释放量提升约35%，木糖释放量提升28%。

团队的解法不是加酶，而是过表达内源的DyP型过氧化物酶。

DyP是一种依赖H₂O₂的血红素过氧化物酶，在介体辅助下能够氧化重塑木质素的芳香骨架。FTIR（傅里叶变换红外光谱）分析证实，DyP在介体存在时处理后玉米芯残基中木质素芳香骨架特征峰明显减弱，说明木质素结构确实被改变了。与此同时，DyP过表达菌株的部分纤维素酶和半纤维素酶活性也同步提升——木质素屏障一旦松动，整个降解系统的效率随之上升。

《Unlocking raw-corncob consolidated bioprocessing for malic acid production by DyP-enabled lignin deconstruction in Myceliophthora thermophila》Figure 1

最终，在5L生物反应器中，工程菌株以生玉米芯为唯一碳源，一步产苹果酸157.6 g/L，生产强度1.17 g/L/h，得率0.55 g/g玉米芯，产物纯度99%。纤维素和半纤维素转化率均超过93%，整个过程无需独立化学预处理，发酵阶段也无需外加纤维素酶。

02 碳流为什么走不到目标产物？

木质素屏障打通后，多糖释放出来了。但换一个产物，瓶颈又不一样——这在纤维素乙醇生产中尤为典型。

产业界一直想用廉价无机氮源（如硫酸铵）替代昂贵的酵母提取物来降低发酵成本。但换完之后出现了一个令人困惑的现象：菌照样长，酶照样分泌，纤维素照样被降解——乙醇产量却大幅下降。亲本菌株在硫酸铵条件下摇瓶发酵7天仅产14.3 g/L乙醇，而酵母提取物条件下可达23 g/L。（三羧酸循环，细胞呼吸的核心代谢通路）

问题出在哪？田朝光团队通过转录组与代谢组联合分析发现，根因不是菌长不好，而是碳更多流向了TCA循环（三羧酸循环，细胞呼吸的核心代谢通路）而非乙醇。

打个比方，丙酮酸就像一个岔路口：TPP（焦磷酸硫胺素）在的时候绿灯亮着，碳流直奔乙醇；TPP不在的时候，碳被导流到TCA循环这条“绕行道”上，产出大量α-酮戊二酸却不产乙醇。硫酸铵条件下，胞内α-酮戊二酸积累到约37.8 μg/g蛋白；而补充TPP后，这个数字骤降到4.8 μg/g蛋白，乙醇产量同步恢复到23 g/L。

TPP相关的胞内代谢重塑，显示TCA通路代谢物丰度变化，来源：《Engineering thiamine pyrophosphate metabolism improves consolidated bioprocessing for cellulosic ethanol with inorganic nitrogen in Myceliophthora thermophila》Figure 3

背后的机制是：TPP是丙酮酸脱羧酶（PDC）的辅因子，TPP供给不足时，PDC无法有效催化丙酮酸走向乙醇，碳就被迫流向TCA循环。

找到根因后，团队分两步解决：先强化内源TPP合成通路（工程菌株JC3235，摇瓶产量提升31.5%），再过表达PDC把碳流拉向乙醇（工程菌株JC3802，PDC活性较JC3235提升44.3%）。在5L发酵罐中，JC3802以硫酸铵为唯一氮源，无需外源TPP，乙醇产量达到49.5 g/L，得率0.25 g/g纤维素，生产强度0.258 g/L/h——接近硫酸铵加TPP条件下的51.2 g/L。

工程菌株JC3802在5L发酵罐中的乙醇产量、得率和生产率，来源：《Engineering thiamine pyrophosphate metabolism improves consolidated bioprocessing for cellulosic ethanol with inorganic nitrogen in Myceliophthora thermophila》Figure 7

03 产物合成的“弹药”从哪来？

碳流方向对了，但如果目标产物是苹果酸，还缺一样东西：还原力。

通过反向TCA（rTCA）路径合成苹果酸，每产1分子苹果酸需要消耗1分子NADH（还原型辅酶Ⅰ，细胞内主要的还原力载体）。但胞内NADH同时被多条竞争通路消耗——细胞生长、ATP合成、副产物生成都要抢NADH。NADH供给不足，苹果酸合成就被卡住。

田朝光团队的策略是“三步走”精准调控NADH流向：

第一步，删竞争通路。敲除两条NADH消耗途径——线粒体替代NADH脱氢酶和甘油-3-磷酸脱氢酶（GPDH），减少NADH的无谓消耗。

第二步，引入转氢酶SthA，将胞内丰度更高的NADPH转化为NADH，直接扩大“弹药库”。

第三步，微调NAD激酶UTR1的表达水平——UTR1催化NAD⁺生成NADP⁺，调控胞内NAD(H)与NADP(H)两个氧化还原池之间的平衡，适度上调能间接影响NADH供给，但过量反而扰乱整体氧化还原状态。

代谢工程策略示意图，展示竞争通路删除、转氢酶引入和NAD激酶微调，来源：《Redox engineering of thermophilic fungus Myceliophthora thermophila enhances production of L-malic acid by consolidated bioprocessing》Figure 1

三步叠加后，苹果酸产量从64.2 g/L提升至89.2 g/L，增幅38.9%。在此基础上，团队进一步强化LPMO和CDH加速纤维素降解，最终产量达到89.8 g/L，发酵周期还缩短了2天。三步敲除菌株N303的NADH/NAD⁺比值较亲本提升1.34倍，还原力供给的瓶颈被有效打开。

《Redox engineering of thermophilic fungus Myceliophthora thermophila enhances production of L-malic acid by consolidated bioprocessing》Figure 4

把三篇论文放在一起看，CBP的真正瓶颈不在“酶解效率不够高、菌种不够强”，而在“代谢方向没打通”——木质素屏障没破，多糖释放不出来；TPP供给不足，碳流被锁在TCA循环；NADH分配失衡，产物合成缺弹药。三个瓶颈都落在同一个底盘上，构成了一套从底物到产物的完整拆解方案。企业在评估CBP菌株时，不能只看酶活和产量，还要关注碳流分配效率和还原力平衡——这才是决定产业化成败的隐性指标。

论文信息：

[1] Yuying Zhang, et al. Unlocking raw-corncob consolidated bioprocessing for malic acid production by DyP-enabled lignin deconstruction in Myceliophthora thermophila. Synthetic and Systems Biotechnology, 2026. DOI: 10.1016/j.synbio.2026.07.011

[2] Jiaxing Chen, et al. Engineering thiamine pyrophosphate metabolism improves consolidated bioprocessing for cellulosic ethanol with inorganic nitrogen in Myceliophthora thermophila. Biotechnology for Biofuels and Bioproducts, 2026. DOI: 10.1186/s13068-026-02786-y

[3] Yuying Zhang, et al. Redox engineering of thermophilic fungus Myceliophthora thermophila enhances production of L-malic acid by consolidated bioprocessing. Mycology, 2026. DOI: 10.1080/21501203.2025.2509017