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为解决木质纤维素生物炼制中预处理的瓶颈问题，研究人员以桑树为材料，开展了真菌预处理与木质素修饰协同作用的研究。结果表明，CAD 缺陷能促进脱木质素和酶解糖化，二者协同可提高生物炼制效率，为生物质利用提供新策略。
在当今能源领域，随着化石资源的环境和经济问题日益凸显，寻找可再生、可持续的能源替代品成为了全球科研人员关注的焦点。木质纤维素作为陆地植物的主要成分，储量丰富且化学性质适宜，有望成为生物基生产的优质原料。然而，其结构复杂，尤其是木质素的存在，严重阻碍了木质纤维素的分解和后续的糖化过程，使得高效的生物炼制面临诸多挑战。传统的预处理方法，如机械、热和化学处理，不仅耗能大、使用危险化学品，还会产生大量废弃物，限制了后续工艺。在此背景下，研究如何优化木质纤维素的预处理过程，提高生物炼制效率，成为了亟待解决的关键问题。
为了攻克这些难题，来自 Mariano Marcos State University 和东京大学农业与技术学院（Tokyo University of Agriculture and Technology）的研究人员，开展了一项极具意义的研究。他们将目光聚焦于真菌预处理和木质素修饰的协同作用，旨在探索一种更高效、环保的木质纤维素生物炼制方法。研究发现，CAD 基因功能缺失可促进脱木质素和后续的酶解糖化过程，当与真菌预处理相结合时，能够显著提高木材的生物炼制效率。这一成果发表在《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》杂志上，为生物质能源的开发和利用开辟了新的道路。
研究人员采用了多种关键技术方法来开展此项研究。在材料准备上，选取了 cad - null 突变体 Sekizaisou 与 F1 杂交后代的分支茎作为植物材料，并将其制备成木粉 。针对实验用的三种白腐真菌（Ceriporiopsis subvermispora、Phanerochaete chrysosporium 和 Trametes versicolor），先进行预培养。实验过程中，运用了 Klason 和酸溶性木质素测定、硫代酸解、单糖组成分析、尺寸排阻色谱以及酶解糖化效率测定等技术，从多个角度对样本进行分析检测 。
下面来详细看看研究结果：
- 木材外观与木质素化学特征：通过对不同基因型（cad/cad 和 CAD/cad）桑树后代木材的研究发现，cad/cad 纯合子木材呈淡橙色，而 CAD/cad 杂合子木材为浅黄色。化学分析表明，纯合子木材的 Klason 木质素（KL）和酸溶性木质素（ASL）含量均低于杂合子，且纤维素含量较低，半纤维素含量较高。在木质素单体组成方面，纯合子的 S/G 比值显著低于杂合子，并且通过硫代酸解检测到纯合子木质素中存在与 CAD 缺陷相关的特定结构123。
- 真菌预处理下的降解情况：在真菌预处理实验中，发现不同真菌对木材的降解效果存在差异。对于两种基因型的桑树后代，经 Phanerochaete chrysosporium（PC）预处理后重量损失最大，Ceriporiopsis subvermispora（CS）预处理后重量损失最小。在纤维素降解方面，PC 预处理对两种基因型木材的纤维素降解作用最强；而 CS 预处理时，纯合子木材的纤维素降解速度较慢。在脱木质素效率上，CS 处理的纯合子木材 KL 降解效率显著高于杂合子，且 CS 对两种基因型木材都具有较高的木质素选择性降解能力456。
- 木质素降解特征：利用硫代酸解对木质素降解进行进一步表征，结果显示，经真菌预处理后，两种基因型木材的硫代酸解单体水平均下降，且 CS 预处理的纯合子木材单体水平最低。通过对硫代酸解二聚体的分析发现，纯合子木质素的结构比杂合子更 “致密”，且真菌处理后，纯合子木质素的二聚体总量下降幅度更大，表明其更容易被降解789。
- 特定结构对木质素降解的影响：研究还探讨了 β - 0 - 4 亚基与肉桂醛残基的异常结构对纯合子木材真菌降解的影响，结果发现该结构与木材总重量或木质素含量的减少无关，即不影响纯合子木材及其木质素的降解性10。
- 木质素分子分布变化：通过尺寸排阻色谱比较真菌预处理前后木质素的摩尔质量分布，发现未预处理的纯合子木材的木质素重量平均摩尔质量（Mw）和数均摩尔质量（Mn）值小于杂合子。真菌预处理后，Mw 进一步下降，且与各真菌的脱木质素效率大致相关1112。
- 糖化效率：计算经真菌预处理和未经预处理木材的糖化效率，发现 CS 预处理对两种基因型桑树的木材都有助于提高葡萄糖释放量。尽管在真菌预处理过程中纤维素有所减少，但 CS 预处理后的糖化效率仍较高13。
综合研究结果，研究人员得出结论：CAD1 基因座的遗传修饰对木材的木质素含量、化学组成、CEL 摩尔质量以及真菌降解均有显著影响。CAD 缺陷的木材在与真菌预处理结合时，酶解糖化效果得到改善。不过，糖化效率受多种因素影响，如真菌种类、预处理条件（温度、湿度、养分和木质纤维素尺寸等）。因此，进一步优化这些因素，有望进一步提高木质素修饰木材的生物炼制效率。这项研究为木质纤维素的生物炼制提供了新的思路和方法，对于推动生物质能源领域的发展具有重要意义，为可持续能源的开发和利用提供了有价值的参考。
