具有水解多糖单加氧酶的纤维素酶-木聚糖酶混合物，用于预处理过醋酸的大豆壳的水解，以生产微生物油脂

《Biomass and Bioenergy》：Cellulolytic-xylanolytic enzyme mixtures with lytic polysaccharide monooxygenase for the hydrolysis of acetic acid pretreated soybean hulls toward microbial lipid production

大豆麸皮通过乙酸预处理结合新型酶液（含LPMO）显著提升糖产率，达71.5g/L，且发酵后异咯卜菌累计产油率28.7%。

　　大豆壳（Soybean Hull, SH）是一种在大豆加工过程中产生的副产品，其丰富的多糖含量和较低的木质纤维素顽固性，使其成为一种具有潜力的可持续糖源。随着全球对生物基材料和燃料的重视，SH的生物转化技术正在成为研究热点。本研究旨在通过优化酶解工艺，结合有机酸预处理，提高SH的糖化效率，从而促进其在生物精炼厂中的应用。通过对SH进行醋酸预处理，随后应用新型纤维素-木聚糖酶混合物，并引入裂解多糖单加氧酶（LPMO），研究人员成功实现了更高的糖浓度和转化率。最终，通过微生物发酵，SH的水解产物被转化为生物油脂，展示了其作为生物精炼厂战略原料的潜力。

当前，全球对化石燃料的依赖正在逐步减少，取而代之的是以生物质为基础的生产系统。这种转变不仅有助于降低碳排放，还能够提高能源的可持续性。在这一背景下，木质纤维素生物质因其可再生性和广泛可用性，成为重要的资源。大豆壳作为大豆加工过程中产生的副产品，其产量约为每吨加工大豆产生80公斤，具有较高的经济价值和环境意义。由于其丰富的多糖含量，以及较低的木质纤维素顽固性，SH被广泛认为是具有潜力的生物精炼原料。

为了提高SH的糖化效率，通常需要进行预处理步骤。预处理是提高生物质可转化性的重要环节，它能够降低木质纤维素的顽固性，从而提高后续糖化过程的效率。然而，传统的预处理方法往往使用无机酸和高温，这不仅消耗大量水资源和能源，还可能产生抑制后续发酵的副产物。因此，近年来有机酸预处理作为一种更环保、选择性更高的替代方案受到关注。例如，醋酸、柠檬酸和葡萄糖酸等有机酸在预处理过程中表现出更高的纤维素保留率，同时减少了抑制性化合物的形成。这使得有机酸预处理成为一种更具可持续性的选择。

在本研究中，研究人员采用醋酸预处理大豆壳，处理条件为5%体积/体积的醋酸溶液，在120摄氏度下处理30分钟。结果表明，这种预处理方法能够有效降低生物质的顽固性，并实现74.6%的固体回收率。随后，研究人员应用了一种新型的纤维素-木聚糖酶混合物，包括纤维素酶、木聚糖酶和β-葡萄糖苷酶，以实现更高效的糖化。经过优化，这种酶解工艺能够将纤维素和木聚糖分别转化为89.4%的总还原糖（TRS，31.0克/升）。为了进一步提高糖化效率，研究人员在酶解体系中加入了LPMO，这是一种能够通过C1和C4羟化作用，在纤维素的结晶区引入断裂的酶。这些断裂为细胞外酶的结合提供了机会，从而提高了糖的释放效率。加入LPMO后，TRS浓度提升至53.76克/升，糖化效率也进一步提高。

在进一步的优化过程中，研究人员采用了旋转中心组合设计（RCCD）方法，以提高纤维素-木聚糖酶混合物的效率。这种方法允许同时调整多个变量，并考虑它们之间的相互作用，从而实现更全面的优化。通过RCCD，研究人员成功提高了总还原糖的产量，并评估了LPMO添加和SH负载对糖化过程的影响。最终，糖化效率提升至92.0%，TRS浓度达到71.5克/升。这一结果表明，通过醋酸预处理和优化的酶解工艺，SH能够被高效转化为可发酵糖，从而为后续的生物油脂生产提供原料。

在发酵阶段，研究人员利用了一种高效的油料酵母——Rhodosporidium toruloides，该酵母能够在营养受限条件下积累大量油脂。这种微生物的油脂生产能力已被广泛验证，其在利用葡萄糖、木糖和各种木质纤维素生物质水解产物进行发酵时表现出良好的适应性。本研究中，经过醋酸预处理和优化的酶解工艺得到的水解产物，被Rhodosporidium toruloides用于发酵，最终实现了28.7%的脂质积累，以及86.1%的总糖消耗。这表明，SH的水解产物具有良好的发酵性能，能够被高效转化为生物油脂。

生物油脂，也被称为单细胞油脂，是一种由油料微生物在营养受限条件下积累的细胞内脂质。这些脂质可以作为生物柴油的替代品，具有显著的优势，例如不会与食品和动物饲料市场产生竞争，也不依赖于季节或气候条件。Rhodosporidium toruloides作为一种高效的油料酵母，其在营养胁迫条件下能够快速积累脂质，使其成为一种理想的微生物选择。此外，该酵母已被证明能够有效利用葡萄糖、木糖以及多种木质纤维素生物质水解产物进行发酵，表明利用残余生物质进行油脂生产是一种可行的策略。

通过本研究，研究人员不仅验证了醋酸预处理和优化的酶解工艺在提高SH糖化效率方面的有效性，还展示了其在生物油脂生产中的应用潜力。这一研究结果为未来生物精炼厂的发展提供了重要的理论支持和实践指导。同时，也为其他类似的生物质资源的利用提供了参考。随着对可持续能源和生物基产品的关注不断加深，SH作为一种丰富的农业工业残余物，其在生物精炼厂中的应用前景广阔。通过进一步的研究和优化，SH有望成为一种重要的生物基原料，为实现绿色生产和循环经济目标做出贡献。

此外，本研究还强调了在生物精炼过程中，优化酶解工艺的重要性。由于酶解成本较高，通常占生物乙醇生产成本的35%以上，因此提高酶解效率是降低生产成本的关键。通过引入LPMO和优化酶解体系，研究人员成功实现了更高的糖化效率，这不仅提高了生产效益，还减少了对环境的影响。同时，这种优化方法为其他木质纤维素生物质的糖化提供了新的思路，有助于推动生物精炼技术的发展。

在实际应用中，生物油脂的生产需要考虑多个因素，包括水解产物的组成、微生物的适应性以及发酵条件的优化。本研究中，通过醋酸预处理和酶解工艺优化，研究人员成功获得了高浓度的总还原糖，并将其用于Rhodosporidium toruloides的发酵过程。这一过程不仅提高了油脂的产量，还验证了水解产物的可发酵性。通过进一步的研究，可以探索更多类型的微生物和优化的发酵条件，以提高生物油脂的生产效率和经济价值。

总之，本研究展示了通过醋酸预处理和优化的酶解工艺，将大豆壳转化为生物油脂的可行性。这一过程不仅提高了糖化效率，还降低了生产成本，减少了对环境的影响。同时，研究结果表明，SH作为一种丰富的农业工业残余物，具有成为生物精炼厂战略原料的潜力。通过进一步的研究和应用，SH有望在未来的生物经济体系中发挥更大的作用，为可持续发展提供支持。