科學(xué)通報(bào) | 張桂杰/高樂聯(lián)合綜述秸稈類木質(zhì)纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化微生物蛋白的研究進(jìn)展

近日，寧夏大學(xué)張桂杰教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所高樂團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)通報(bào)》發(fā)表題為“秸稈類木質(zhì)纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化單細(xì)胞蛋白研究進(jìn)展”的綜述文章，系統(tǒng)總結(jié)了利用農(nóng)作物秸稈生物質(zhì)生產(chǎn)微生物蛋白過程中涉及的菌種選育以及酶策略，包括木質(zhì)素抗降解屏障的破解方法，以及秸稈碳源生物轉(zhuǎn)化的研究現(xiàn)狀。文章提出了該產(chǎn)業(yè)當(dāng)下面臨的困境以及破局方案，為緩解蛋白資源短缺現(xiàn)狀奠定基礎(chǔ)，推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

圖1 秸稈微生物蛋白工業(yè)轉(zhuǎn)化路線

隨著人民生活水平不斷提高，肉類、蛋類和奶制品的需求顯著增加，導(dǎo)致了畜牧業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，優(yōu)質(zhì)飼草料開發(fā)的需求愈發(fā)顯現(xiàn)。源自微生物細(xì)胞的微生物蛋白（microbial protein, MP），營養(yǎng)價(jià)值豐富，氨基酸配比合理，且不受地區(qū)及季節(jié)限制，有望成為解決蛋白質(zhì)短缺現(xiàn)狀的有效措施。秸稈木質(zhì)纖維素生物質(zhì)作為全球儲(chǔ)量最大的農(nóng)作物廢棄物之一，其蘊(yùn)含的能量約占植物光合作用固定碳源總量的一半，被認(rèn)為是MP生物制造的優(yōu)質(zhì)原料。

在自然界中，木質(zhì)纖維素的生物降解依賴于多種相關(guān)微生物所產(chǎn)生酶系的協(xié)同作用，但是其降解周期往往較長。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了所需降解酶類型的多樣性和酶解反應(yīng)過程的異質(zhì)性。人工智能技術(shù)的賦能有助于針對(duì)不同底物的結(jié)構(gòu)特征，定向設(shè)計(jì)木質(zhì)纖維素降解酶混合物。大多數(shù)木質(zhì)纖維素降解酶，如纖維素酶和氧化還原酶等，對(duì)反應(yīng)的溫度、pH值和氧氣濃度等環(huán)境條件有很高的要求。此外，酶的活性可能還受到秸稈底物降解中間體的底物濃度、抑制劑等因素的影響，這進(jìn)一步限制了其應(yīng)用效果。合成生物學(xué)技術(shù)通過代謝優(yōu)化以及模塊化設(shè)計(jì)，可以強(qiáng)化強(qiáng)化酶的生物學(xué)性能和工業(yè)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室到工廠的規(guī)模化應(yīng)用。在秸稈生物轉(zhuǎn)化過程中，木質(zhì)素作為植物關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)組分，其降解難題成為了秸稈類生物質(zhì)轉(zhuǎn)化MP的重大阻礙；基于微生物預(yù)處理策略的木質(zhì)素分解酶系統(tǒng)，具備底物特異性強(qiáng)、環(huán)境兼容性好等優(yōu)勢，被視為可持續(xù)替代方案。酶解和微生物發(fā)酵木質(zhì)素，成本較低，不產(chǎn)生或只產(chǎn)生毒性較小的化合物，微生物的增殖與代謝還可以進(jìn)一步提升秸稈生物質(zhì)的營養(yǎng)價(jià)值。通過破解木質(zhì)素抗降解屏障，助力秸稈生物質(zhì)轉(zhuǎn)化MP，搭建秸稈生物質(zhì)木質(zhì)素-總纖維素全組分高值化利用的綠色產(chǎn)業(yè)鏈。

農(nóng)作物秸稈向MP的生物轉(zhuǎn)化過程可以通過兩種策略來實(shí)現(xiàn)：通過酶解糖化手段生產(chǎn)秸稈糖化液，或者在固態(tài)發(fā)酵中實(shí)現(xiàn)秸稈全組分利用。單一微生物降解木質(zhì)纖維素的局限性較大，難以完全利用木質(zhì)纖維素。自然中的木質(zhì)纖維素的降解往往是由一個(gè)微生物群落來完成。在該群落中，不同菌株對(duì)于不同底物有著不一樣的響應(yīng)，某一菌株的代謝副產(chǎn)物還可能作為另一菌株的底物，從而在不同真菌之間形成相互支持和受益，促進(jìn)秸稈木質(zhì)素的充分降解。菌酶協(xié)同發(fā)酵技術(shù)，通過人工設(shè)計(jì)多酶體系與微生物菌群的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素的高效解聚及全組分生物轉(zhuǎn)化。

當(dāng)下一些先進(jìn)的秸稈MP生物轉(zhuǎn)化技術(shù)仍然停留在實(shí)驗(yàn)室階段，擴(kuò)大到工業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)且耗時(shí)的工作。為了克服這些挑戰(zhàn)，需要負(fù)責(zé)MP轉(zhuǎn)化的菌株具有更強(qiáng)的工業(yè)適應(yīng)性，在復(fù)雜且苛刻的生產(chǎn)環(huán)境中具有良好的代謝穩(wěn)定性。未來研究將致力于探索木質(zhì)素與纖維素的全組分利用，這將為木質(zhì)纖維素的高效利用、秸稈生物轉(zhuǎn)化、減少碳排放以及實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)做出重要貢獻(xiàn)。隨著研究的進(jìn)展，大量不限于農(nóng)作物秸稈類的生物質(zhì)來源，如食物殘?jiān)鸵惶?C1)化合物，都可用于生產(chǎn)MP產(chǎn)品。這些MP產(chǎn)品有可能成為新的主流食品與動(dòng)物飼料，有助于以無害環(huán)境的方式解決全球糧食危機(jī)。鑒于目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的影響，探索利用農(nóng)業(yè)秸稈進(jìn)行微生物發(fā)酵作為蛋白質(zhì)飼料的替代品具有廣闊的前景。

寧夏大學(xué)張桂杰教授，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所高樂副研究員為論文通訊作者，聯(lián)合培養(yǎng)博士生張哲瑞、蔣芳婷為論文共同第一作者。相關(guān)研究受到國家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項(xiàng)目（U24A20446）和寧夏回族自治區(qū)中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)項(xiàng)目（2025FRF05008）資助。

文章信息

張哲瑞，蔣芳婷，高樂，等。秸稈類木質(zhì)纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化單細(xì)胞蛋白研究進(jìn)展. 科學(xué)通報(bào), 2025.

https://doi.org/10.1360/CSB-2025-5102

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