木質(zhì)纖維素生物質(zhì)具有替代化石資源的巨大潛力，從而有效緩解了全球?qū)υ偷囊蕾?。雖然目前國內(nèi)外已有一些纖維素乙醇等木質(zhì)纖維素產(chǎn)品問世，但與化石來源的產(chǎn)品相比，木質(zhì)纖維素產(chǎn)品迄今為止大多仍不具備市場競爭力，因此亟需提高木質(zhì)纖維素轉化技術的經(jīng)濟性。木質(zhì)纖維素轉化主要包括預處理、酶解糖化以及發(fā)酵三個步驟，其中糖化被認為是木質(zhì)纖維素生物轉化可行性的決定性因素。為此，青島能源所崔球研究員帶領的代謝物組學研究組另辟蹊徑，提出了基于纖維小體全菌催化劑的木質(zhì)纖維素“整合生物糖化”（簡稱CBS）策略，并在2020年2月24日上線的綜述文章中系統(tǒng)闡述了該策略的研究現(xiàn)狀、技術優(yōu)勢，以及未來需要解決的問題和方向[Liu, Y.-J., et al., 2020 Consolidated bio-saccharification: Leading lignocellulose bioconversion into the real world. Biotechnol Adv doi: 10.1016/j.biotechadv.2020.107535]，為木質(zhì)纖維素生物轉化的工業(yè)化實現(xiàn)提供了技術指引。
與目前已知的其他木質(zhì)纖維素生物轉化策略相比，CBS策略一方面采取類似于“整合生物加工（簡稱CBP）”的方式將酶的生產(chǎn)與水解步驟有機整合，因此與其他策略相比，在用酶成本方面具有優(yōu)勢；另一方面將下游發(fā)酵步驟進行一定程度上的分立，并將可發(fā)酵糖用作下游發(fā)酵中的平臺化學品，與CBP相比具有顯著的產(chǎn)品出口靈活性（圖1）。該研究組研究人員前期已成功構建了高效的CBS全菌催化劑，優(yōu)化了糖化過程以降低生產(chǎn)成本并縮短了過程，并且通過偶聯(lián)預處理工藝和下游應用技術初步建立了基于CBS工藝的整個木質(zhì)纖維素生物轉化途徑，在實驗室小試水平完成了CBS工藝開發(fā)。
CBS工藝以可發(fā)酵糖作為產(chǎn)品，因此，使可發(fā)酵糖的生產(chǎn)成本低于淀粉糖成本，是將基于CBS工藝的木質(zhì)纖維素生物轉化技術應用于實際工業(yè)生產(chǎn)的前提。為此，該論文中詳細討論了未來進一步提高CBS糖化效率和糖產(chǎn)量的研究方向以及在CBS生物催化劑和工藝的優(yōu)化方面需要解決的關鍵問題，包括提高CBS全菌催化劑對預處理衍生的抑制物的耐受性、優(yōu)化纖維小體中不同功能組分的活力平衡、研制新工藝和配套裝備提高糖化的傳質(zhì)效率以提高底物載量、提高預處理方法和下游應用技術與CBS工藝的兼容性等（圖2）。
該研究組目前正在與企業(yè)合作將CBS工藝進行中試放大，解決中試放大過程中的工程技術問題，建立基于該工藝的工業(yè)示范系統(tǒng)，完成整套基于CBS工藝的木質(zhì)纖維素生物轉化技術方案。通過研究人員的不懈努力，CBS工藝最終有望以具有經(jīng)濟實用性和可持續(xù)性的方式將木質(zhì)纖維素生物轉化帶入實際的工業(yè)應用中，從而極大地促進木質(zhì)纖維素生物質(zhì)資源的大規(guī)模應用。
代謝物組學研究組劉亞君副研究員為該論文第一作者，劉亞君副研究員、馮銀剛研究員和崔球研究員為該論文的通訊作者。該工作得到了中科院戰(zhàn)略性先導專項、國家自然科學基金委、山東省自然科學基金委的資助。（文/圖 劉亞君）
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S073497502030032X?via%3Dihub
圖1. 現(xiàn)有木質(zhì)纖維素生物轉化技術比較
圖2. 整合生物糖化技術未來的研究方向和需要解決的關鍵問題
