从蓝桉树皮中获得生物乙醇的纤维素糖生产酶解策略

利用木质纤维素生物质 (例如蓝桉树皮) 生产生物乙醇由于其作为化石燃料可持续替代品的潜力而备受关注。然而，将纤维素有效转化为用于生物乙醇生产的可发酵糖仍是该领域的关键挑战。尽管人们已经探索了各种酶水解策略以提高转化效率，但针对蓝桉树皮等特定原料优化这些策略仍需进一步研究。来自葡萄牙阿威罗大学的Ana M. R. B. Xavier博士及其团队在 Fermentation 期刊发表的研究探讨了利用蓝桉树皮生产生物乙醇的酶解策略。他们希望通过比较不同酶解方法对纤维素糖产量的影响，找到最有效的生物乙醇生产途径。该研究旨在为生物能源领域提供更可持续、高效的生产方法，推动生物乙醇生产的发展。

作者使用24%活性碱对蓝桉树皮进行了预处理，并根据国家可再生能源实验室 (NREL) 的实验室分析程序 (LAP) 对预处理的蓝桉树皮进行了表征。结果显示其主要成分为纤维素 (79.8 wt %) 和半纤维素 (15.5 wt %)，约占总碳水化合物的95 wt %。这种预处理方法有效保留了固体部分中的大部分纤维素和半纤维素，使其成为有价值的纤维素糖来源。

为了最大限度提高纤维素糖的产量，作者首先对文献中提到的一些有利于农业残渣酶解的添加剂Triton X-100、PEG 4000和Tween 80的效果进行了评估，测试浓度分别为0%、2%和6% (w/w)， 工作体积为0.350 L。实验结果显示，在前6小时的酶解实验中，几乎所有添加剂提供的糖浓度均略高于对照组 (0%)，约6小时后，对照组的糖浓度与其他实验组非常接近；24小时后，未添加任何添加剂的对照组获得了最高的糖浓度。这表明这些外部因素的添加剂对糖的生产或水解转化效率没有益处 (见图1)。

随后作者测试了底物浓度、连续加料策略和第一阶段放大 (0.350到3.00 L) 等内部因素。在工作体积为1 L的小规模下，以8%、11%和14% (w/v) 的固体负荷进行的批量糖化实验表明，固体负荷过高，水解转化效率反而下降，11% (w/v) 为最佳初始固体负荷。在此基础上，放大总工作体积至3L，进行分批加料酶解实验，即在第2、4和6小时时添加3% (w/v) 预处理原料，直到最终底物浓度达到20% (w/v)，24小时后，纤维素糖达到161.6 g L−1，对应酶解转化效率为76%。最后在5 L生物反应器规模下评估了具有最高纤维素糖浓度的水解产物的发酵性，3小时后，用于生物量增长和乙醇生产的葡萄糖消耗变得明显，生物量浓度在3至8小时内呈指数增加，乙醇和生物量浓度的变化趋势类似，发酵22小时后，乙醇浓度达到最大51.2 g L−1，对应的转化效率为75.9% (见图2)。这一性能相当于每吨预处理树皮可产生290 kg乙醇。考虑到木浆产量为44.6%，这也意味着每吨蓝桉树皮可产生129 kg乙醇。

图1为 (A) 酶解实验初始阶段纤维素糖浓度的时间变化；(B) 酶解实验进行24h后的纤维素糖浓度；(C) 添加剂实验进行24小时后的水解转化效率。

图2为Ethanol Red®发酵中葡萄糖、木糖、乙醇和生物质的变化曲线 (2 L, 180 rpm, 28 °C, pH 5.5)。

本研究表明，通过硫酸盐法制浆预处理的蓝桉树皮具有转化为纤维素糖的高度潜力。将生物精炼厂与以蓝桉树皮为原料的纸浆和造纸厂整合，可充分利用其丰富的残留物，为该行业提供一个绝佳的机会。酶解产生的纤维素糖可以为几个生物过程提供原料，根据资源循环提供生物乙醇或其他高附加值产品，并提高该工业部门的盈利能力。

原文出自 Fermentation 期刊

Amândio, M.S.T.; Rocha, J.M.S.; Xavier, A.M.R.B. Enzymatic Hydrolysis Strategies for Cellulosic Sugars Production to Obtain Bioethanol from Eucalyptus globulus Bark. Fermentation 2023, 9, 241. 10.3390/fermentation9030241

主编：Badal C. Saha, United States Department of Agriculture, USA

期刊主题涵盖了微生物代谢、菌株改良、生物制药、发酵工艺优化及产品开发、发酵食品和饮料、生物反应器、生物质转化、生物精炼等。