曝气对软木质预处理液抑制物及酿酒酵母发酵性能的影响：氧化作用与发酵抑制的双刃剑效应

本研究针对木质纤维素生物精炼过程中曝气策略的副作用展开探讨，发现曝气虽能促进裂解性多糖单加氧酶（LPMO）提升酶解效率，但会通过氧化反应增加甲醛等抑制物浓度，导致酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）发酵性能下降。研究提出亚硫酸盐还原处理可有效缓解曝气引起的抑制效应，为优化木质纤维素生物转化工艺提供了重要理论和实践依据。

　　

随着全球对可持续能源需求的日益增长，利用木质纤维素生物质替代化石资源已成为研究热点。森林生物能源在气候变化缓解和能源系统转型中扮演着重要角色，尤其是以锯屑等林业工业残余物生产生物乙醇，可作为可持续航空燃料的生物燃料中间体。木质纤维素的生化转化通常包括酸预处理、酶解糖化、糖发酵和木质素增值等步骤。二氧化硫辅助的蒸汽爆破是预处理软木的先进方法，能有效提高纤维素的可及性并释放半纤维素糖。然而，预处理过程中产生的副产物如芳香族化合物、呋喃醛、脂肪酸、小分子醛类和苯醌等会对下游微生物发酵过程产生抑制。

尽管曝气在促进裂解性多糖单加氧酶（LPMO）支持的酶解糖化中发挥关键作用，但其对发酵抑制物的潜在影响尚未被充分认知。Tang等人假设曝气不仅影响LPMO活性，还可能改变预处理液中抑制物的组成和毒性，进而影响后续发酵效率。为此，研究人员以挪威云杉锯屑的预处理液为对象，通过比较曝气与氮气处理的效果，探究了曝气对抑制物化学特性及酿酒酵母CelluX?4发酵性能的影响。

研究采用的主要技术方法包括：气相色谱-火焰离子化检测（GC-FID）分析甲醇浓度，超高效液相色谱-电喷雾电离-三重四极杆质谱（UHPLC-ESI-QqQ-MS）测定醛类和酚类物质，高效阴离子交换色谱-脉冲安培检测（HPAEC-PAD）定量单糖，以及高效液相色谱-折射率检测（HPLC-RID）分析乙醇和副产物。实验设计了多个系列，包括曝气与氮气对照、亚硫酸盐解毒处理、氢醌添加以及漆酶处理等，以全面评估氧化还原反应对发酵性能的影响。

结果与讨论

Series I: 曝气与氮气处理对比

研究发现，曝气处理虽对纯糖对照组的发酵无负面影响，但显著降低了预处理液的发酵性能。与氮气处理相比，曝气后样品的可发酵糖（葡萄糖、甘露糖、木糖）消耗速率降至0.76 g L^-1 h^-1，乙醇产率也从0.30 g L^-1 h^-1降至0.23 g L^-1 h^-1。化学分析显示，曝气导致甲醛浓度轻微上升（2-6%），而呋喃醛和香兰素浓度下降。甲醇浓度在曝气和氮气处理下均大幅降低（约30%），主要归因于蒸发作用。

Series II: 亚硫酸盐解毒处理

亚硫酸盐处理在曝气和氮气条件下均能有效改善发酵性能，显著提升糖消耗速率和乙醇产率。曝气前添加亚硫酸盐可将甲醛浓度从5.6 mM降至1.3 mM，证实还原处理能缓解氧化带来的抑制效应。

Series III: 氢醌添加实验

向预处理液添加氢醌后，曝气处理反而改善了发酵性能，糖消耗和乙醇产率均高于氮气对照。这表明氢醌作为还原剂发挥了解毒作用，而非氧化生成有毒苯醌。

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Series IV-V: 漆酶处理的影响

漆酶处理在复杂预处理液中效果不稳定，甚至加剧抑制，而在简化糖对照体系中，漆酶与氢醌共存时几乎完全抑制发酵，证实氢醌被氧化为高毒性苯醌。

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Series VI: 甲醇的影响评估

甲醇添加实验表明，其浓度变化对发酵无显著影响，且曝气未导致甲醛生成，甲醇减少主要源于蒸发。

研究结论强调，曝气在木质纤维素生物转化中具有双重作用：一方面促进LPMO活性提升糖化效率，另一方面可能通过氧化反应增加甲醛等抑制物，损害发酵性能。亚硫酸盐等还原处理可有效中和氧化副作用，优化工艺设计需综合考虑曝气策略与解毒方法的协同。该研究为木质纤维素生物精炼提供了重要的过程调控见解，发表于《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》，对推进可持续生物燃料生产具有积极意义。