碳酸钙介导的玉米秸秆水解液脱毒技术促进圆红冬孢酵母发酵及生物燃料生产

本研究针对木质纤维素预处理过程中产生的抑制性化合物阻碍微生物发酵的问题，创新性地采用CaCO3（0.4%）处理高固载量（15%）玉米秸秆水解液（CS-hydrolysate），成功实现圆红冬孢酵母（Rhodosporidium toruloides）高效生长（17 g/L生物量，8 g/L脂质）。该策略突破性将可发酵固载量提升至21%，显著优于未处理组（10%），并通过GC分析排除钙离子结合抑制剂的可能，为木质纤维素生物燃料产业化提供了经济高效的脱毒方案。

　　

论文解读

随着化石燃料枯竭与环境污染加剧，木质纤维素作为地球上最丰富的可再生资源，其生物转化技术成为解决能源危机的关键突破口。然而，木质纤维素预处理过程中产生的呋喃衍生物、弱脂肪酸和酚类化合物等抑制性成分，像"隐形杀手"般严重阻碍微生物发酵效率。传统脱毒方法如过度碱化、溶剂萃取等不仅成本高昂，还会造成可发酵糖损失，成为生物燃料产业化的"卡脖子"难题。

针对这一挑战，中国科学院大连化学物理研究所的研究团队在《Biomass and Bioenergy》发表重要成果。该研究聚焦产油酵母明星菌株——圆红冬孢酵母（Rhodosporidium toruloides），创新性地利用碳酸钙（CaCO₃）的"秩序调控"特性（kosmotropicity），成功开发出高效经济的玉米秸秆（CS）水解液脱毒技术。研究人员通过对比不同钙盐处理效果，结合气相色谱（GC）分析和多批次发酵实验，系统评估了脱毒策略对微生物生长和脂质积累的影响。

关键实验方法
研究采用15%固载量碱性预处理玉米秸秆制备水解液，测定其含37 g/L葡萄糖和75 g/L总还原糖。通过设置CaCO₃浓度梯度（0.05-0.4%）筛选最优脱毒条件，并选用圆红冬孢酵母CGMCC 2.1389等4株产油酵母进行验证。采用GC分析CaCO₃吸附特性，通过干重测定和脂质提取量化发酵效果。

CaCO₃-介导的CS水解液脱毒
研究发现0.4% CaCO₃处理使水解液固载量耐受阈值从10%提升至21%。处理组在第5天达到17 g/L生物量和8 g/L脂质，而未处理组完全抑制生长。值得注意的是，低浓度（0.05%）钙盐处理无效，且GC证实CaCO₃未直接吸附抑制剂，表明其通过调节细胞微环境而非简单吸附发挥作用。

脂质生产与生长比较
在10%固载量下，CaCO₃处理组生物量（15 g/L）和脂质含量（39%）均显著高于未处理组（11 g/L，34%），证实脱毒处理不仅解除生长抑制，还提升了脂质合成效率。

结论与意义
该研究首次揭示CaCO₃通过非吸附性机制中和木质纤维素抑制物的独特作用，建立了简单高效的"一步法"脱毒工艺。相比传统方法，该技术无需复杂设备，不损失发酵糖，且可将原料处理浓度提高110%，大幅降低生物燃料生产成本。研究为木质纤维素生物精炼提供了新思路，Aabid Manzoor Shah等作者特别指出，CaCO₃的kosmotropic特性可能通过稳定细胞膜结构和蛋白质构象来抵抗抑制剂，这一发现为后续抗逆菌株改造提供了理论依据。