综述：可持续生物柴油生产：通过产油微生物过程从农业木质纤维素废弃物中获取

这篇综述系统阐述了利用产油微生物（oleaginous microorganisms）将农业木质纤维素废弃物（lignocellulosic biomass）转化为生物柴油（biodiesel）的最新进展。文章重点分析了微生物油脂（microbial oils/TAGs）作为传统植物油替代方案的优势，详细探讨了生物预处理（biological pretreatment）、同步糖化发酵（SSLP）和整合生物加工（CBP）等关键技术，并指出该领域在规模化生产（pilot-scale）中面临的成本挑战与循环经济（circular economy）潜力。

　　

生物柴油概述

生物柴油作为可再生的环保液体生物燃料，在减少温室气体排放方面具有关键作用。传统生产依赖植物油、非食用油脂和废弃油脂，但这些原料面临高成本、土地需求大等问题。最新研究聚焦于通过产油微生物利用木质纤维素底物生产生物柴油，其积累的脂质在压力条件下与植物油相似。根据原料不同，生物柴油可分为四代：第一代来自食用植物，第二代来自非食用植物和废弃油脂，第三代来自藻类，第四代则涉及基因工程改造的转基因藻类。CRISPR基因编辑和高通量筛选等现代技术的应用，为优化生物燃料生产系统提供了新思路。

木质纤维素结构与组成

木质纤维素生物质主要由纤维素（30-35%）、半纤维素（20-25%）和木质素（15-20%）组成。纤维素由D-葡萄糖通过β-1,4-糖苷键连接，形成具有高结晶度的微纤维；半纤维素则是含有木糖和阿拉伯糖等单体的异质聚合物；木质素作为非碳水化合物聚合物，通过醚键连接松柏醇单元，赋予材料抗微生物特性和机械强度。这种复杂结构导致生物质抗降解性（recalcitrance），需要通过预处理打破木质素屏障才能有效利用碳水化合物组分。

生物预处理潜力

生物预处理利用微生物分泌的木聚糖酶（xylanase）、纤维素酶（cellulase）和β-葡萄糖苷酶（β-glucosidase）等水解酶，温和高效地分解木质纤维素结构。白腐真菌（white-rot fungi）如黄孢原毛平革菌（Trametes versicolor）和糙皮侧耳（Pleurotus ostreatus）因其出色的木质素降解能力备受关注。与化学预处理相比，生物方法能耗更低且环境友好，但处理时间较长。最新研究通过优化菌株和工艺条件，显著缩短了处理时间，同时可实现酶制剂和生物燃料的联产。

产油微生物特性

产油微生物指能积累超过20%干重脂质的菌株，包括细菌、微藻、酵母和丝状真菌。其中：

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  细菌：如红球菌（Rhodococcus opacus）能积累71%脂质，芽孢杆菌（Bacillus spp.）通过基因改造可提高产量

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  微藻：小球藻（Chlorella sp.）和栅藻（Scenedesmus sp.）在混合营养模式下脂质含量达33-45%

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  酵母：红酵母（Rhodotorula mucilaginosa）和油脂酵母（Lipomyces starkeyi）脂质含量高达70%

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  丝状真菌：卷枝毛霉（Mucor circinelloides）和土曲霉（Aspergillus tubingensis）能同时产酶和积累脂质

这些微生物具有生长周期短、不受季节限制等优势，但培养基成本占生产总成本的40-80%，推动研究者开发农业废弃物作为廉价底物。

木质纤维素转化工艺

木质纤维素转化为微生物油脂需经历四大关键步骤：

1. 1.

   预处理：通过物理化学或生物法破坏木质素-碳水化合物复合体

2. 2.

   糖化：纤维素酶和半纤维素酶将多糖水解为葡萄糖和木糖

3. 3.

   发酵：产油微生物利用糖类合成三酰甘油（TAGs）

4. 4.

   提取转化：通过酯交换反应将脂质转化为生物柴油

两种主要发酵模式展现出不同特点：

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  固态发酵（SSF）：直接利用固体基质，适合丝状真菌，但存在反馈抑制问题

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  液态发酵（SmF）：需要预先提取糖类，但便于过程控制

创新性的同步糖化脂质生产（SSLP）技术将水解与发酵合并在单一反应器，显著提高效率。例如利用玉米秸秆时，圆红冬孢酵母（Rhodosporidium toruloides）脂质产量达26.7 g/L。

规模化生产挑战

尽管多个中试项目取得进展，但微生物油脂的工业化仍面临三大瓶颈：

1. 1.

   底物成本：占生产总成本的70%，需开发农业废弃物利用方案

2. 2.

   过程优化：开放式培养易受污染，需改进反应器设计和灭菌策略

3. 3.

   下游处理：细胞破壁和脂质提取能耗高，湿法提取技术可降低干燥成本

突破性进展包括：

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  在1000L反应器中利用玉米秸秆获得76.3%脂质含量的酵母培养物

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  半连续培养技术实现连续两个月稳定生产

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  微藻-酵母共培养系统产生天然抑菌作用

脂肪酸组成分析

微生物油脂的脂肪酸主要为C16-C18链长，包括：

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  棕榈酸（C16:0）：19.6-60.96%

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  油酸（C18:1）：19.69-70%

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  亚油酸（C18:2）：4.6-23.4%

这些组成直接影响生物柴油的十六烷值（CN）、碘值（IV）和冷滤点（CFP）等关键指标。某些菌株如莫氏黑粉菌（Mortierella wolfii）还能产生γ-亚麻酸（GLA）等高值组分，拓展了生物精炼（biorefinery）产品谱。

未来展望

突破经济性瓶颈需要多管齐下：

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  开发低成本底物如食品工业废水

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  构建能同时利用五碳糖和六碳糖的工程菌株

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  优化提取工艺降低能耗

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  建立基于生命周期评估（LCA）的可持续生产体系

将微生物油脂生产整合到"零废物"生物精炼模式，联产高值化学品，可显著提升整体经济性。随着合成生物学和代谢工程技术的发展，定制化生产特定链长脂肪酸的微生物细胞工厂将成为可能，为航空生物燃料等特殊应用开辟新途径。