利用重组酵母菌株一步转化淀粉基生物塑料为生物乙醇的创新策略

本研究针对淀粉基生物塑料在有机废弃物处理中面临的降解难题，开发了酶耦合发酵技术。通过筛选高效α-淀粉酶与角质酶样酶(rCLE1)协同降解商业TPS/PBAT复合塑料，实现了41%的重量损失和5.97 g/L糖分释放，最终经酿酒酵母发酵获得1.36 g/L乙醇（理论转化率88%），为生物塑料高值化转化提供了新途径。

　　

随着全球塑料消费量的持续增长，传统石油基塑料带来的环境危机日益严峻。尽管生物可降解塑料被视为解决方案，但淀粉基生物塑料（ThermoPlastic Starch, TPS）在废弃后仍面临处理困境——它们通常被送往有机废物处理厂转化为沼气和堆肥，但实际降解效率低下，不仅造成资源浪费，还会干扰处理设施正常运行。更棘手的是，商业TPS制品多为淀粉与聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）的共混材料，这种复合结构使得常规淀粉酶难以有效接触并水解内部的淀粉组分。

针对这一挑战，研究人员开发了一种酶耦合发酵的协同处理策略。通过系统性筛选多种真菌来源的淀粉水解酶，发现来自土曲霉（Aspergillus terreus）的α-淀粉酶（AteA）对纯TPS材料展现出最优水解效能。然而对于商业TPS/PBAT复合塑料袋，必须联合使用具有PBAT降解能力的重组角质酶样酶（recombinant cutinase-like enzyme, rCLE1）才能有效解离塑料基质，使淀粉酶得以接触底物。这种双酶系统在20 g/L底物浓度下可实现41%的重量损失，释放5.97 g/L还原糖。进一步采用酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）进行发酵，最终获得1.36 g/L乙醇产量，达到理论转化率的88%。该研究为生物塑料的循环利用提供了技术支撑，相关成果发表于《Bioresource Technology》。

关键技术方法包括：①采用差示扫描量热法（DSC）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析商业塑料袋的聚合物组成；②通过浊度法测定rCLE1的聚酯酶活性，DNS法测定淀粉酶活性；③使用30 kDa超滤离心管浓缩酶液；④建立分离水解发酵（SHF）和同步糖化发酵（SSF）两种工艺模式；⑤利用HPLC配备有机酸柱和单糖柱分析水解产物。

3.1 淀粉酶筛选与TPS水解研究

通过比较多种重组酿酒酵母菌株产生的淀粉酶活性，发现虽然Talaromyces emersonii来源的葡萄糖淀粉酶（TemG）在可溶性淀粉底物上活性最高（3.8 U/mL），但对纯TPS材料的实际水解效果最佳的是AteA α-淀粉酶，能产生近10 g/L总糖（葡萄糖和麦芽糖混合物）。这表明酶在加工淀粉（TPS）与天然淀粉上的性能存在显著差异。

3.2 商业TPS塑料袋的酶解研究

商业塑料袋经热重分析（TGA）显示含约22%淀粉和78% PBAT。单独使用淀粉酶或rCLE1均无法有效降解复合塑料，但双酶联用可成功解离材料。FT-IR证实rCLE1处理后淀粉组分暴露，后续经淀粉酶作用特征吸收峰减弱。AteA与rCLE1组合表现最优，糖释放量接近理论最大值。

3.3 发酵转化研究

在SHF模式下，商业酶 cocktail与rCLE1预处理后接种普通酿酒酵母，获得1.37 g/L乙醇。采用耐高温的工业酵母菌株Ethanol Red系列进行SSF实验，其中整合T. emersonii淀粉酶基因的ER T12.7菌株与rCLE1配合，在37°C下直接转化20 g/L塑料袋，最终乙醇（与1,4-丁二醇共洗脱）产量达2.40 g/L，证明无需添加外源淀粉酶即可实现转化。

该研究首次证实了通过酶耦合策略将淀粉基生物塑料转化为生物乙醇的可行性。研究揭示商业TPS/PBAT塑料的降解需要聚酯酶与淀粉酶的协同作用，其中rCLE1对PBAT组分的解离是关键限速步骤。虽然当前乙醇产率尚未达到工业经济阈值，但通过工艺优化（如提高底物浓度、改善传质效率）和菌株改造（如增强 adipic acid 耐受性），该技术有望成为有机废弃物增值化处理的重要组成。更重要的是，这项工作为未来含生物塑料的城市有机垃圾处理提供了新思路——通过特异性酶解技术实现难降解组分的高值转化，最终推动塑料循环经济的发展。