天科大馬曉軍/李冬娜等 Biotechnol. Adv. 綜述：木質(zhì)纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)聚羥基脂肪酸酯的進(jìn)展及展望

2025-01-02 來(lái)源：高分子科技

木質(zhì)纖維素生物質(zhì)（LB）是一種極具潛力的生產(chǎn)聚羥基脂肪酸酯（PHA）的原料。它可再生、經(jīng)濟(jì)高效，且不與糧食競(jìng)爭(zhēng)，為實(shí)現(xiàn)循環(huán)生物經(jīng)濟(jì)提供了有力支持。利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)合成PHA，不僅有助于降低生產(chǎn)成本，還能夠減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，展現(xiàn)出作為傳統(tǒng)塑料替代品的巨大應(yīng)用潛力。

近日，天津科技大學(xué)教授馬曉軍和李冬娜團(tuán)隊(duì)在《Biotechnology Advances》上發(fā)表了題為“Lignocellulosic biomass as promising substrate for polyhydroxyalkanoate production: Advances and perspectives”的綜述文章。文章總結(jié)了近年來(lái)在使用低成本LB作為潛在原料進(jìn)行PHA生物合成方面的研究突破；重點(diǎn)闡述了PHA生物合成的代謝機(jī)制、途徑及關(guān)鍵酶，并提供了改進(jìn)微生物生產(chǎn)能力和發(fā)酵代謝工程的見(jiàn)解；此外，該工作還介紹了PHA生產(chǎn)的生命周期評(píng)估和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析；最后提出了LB與其他碳源共同發(fā)酵、集成工藝開(kāi)發(fā)和共同生產(chǎn)策略的發(fā)展方向，以降低PHA生產(chǎn)成本和有效增值廢物。

隨著化石資源的枯竭、全球變暖以及傳統(tǒng)石油基塑料對(duì)環(huán)境的不利影響，迫切需要尋找可再生資源和創(chuàng)新的生物降解材料。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)（LB）作為一種高度有前景、可持續(xù)且環(huán)保的方法，用于積累PHA（圖1），完全避開(kāi)了“與糧食競(jìng)爭(zhēng)”的問(wèn)題。這種可持續(xù)且經(jīng)濟(jì)高效的原料有潛力降低PHA生產(chǎn)成本，推動(dòng)其競(jìng)爭(zhēng)性商業(yè)化，并支持循環(huán)生物經(jīng)濟(jì)的原則（圖2）。

圖1. PHA的生產(chǎn)工藝、單體結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

圖2. LB到PHA生產(chǎn)的循環(huán)生物經(jīng)濟(jì)過(guò)程

2.LB三大組分合成PHA的進(jìn)展及代謝途徑

一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)預(yù)處理獲得的富含發(fā)酵糖的LB水解液能更有效地被微生物利用。研究表明，不同的預(yù)處理方法，如物理、化學(xué)、物理化學(xué)和生物預(yù)處理及其組合（圖3），可以顯著提高LB水解液的糖含量，但預(yù)處理過(guò)程中通常伴隨著有毒抑制劑的產(chǎn)生。因此，開(kāi)發(fā)結(jié)合多種預(yù)處理方法的綜合技術(shù)，以及利用耐受菌株或生物方法解毒LB水解液中的抑制物，將是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

圖3. 提高LB中可發(fā)酵糖可用性的預(yù)處理方法

以LB衍生的可發(fā)酵糖（C5和C6）為前體，通過(guò)多種代謝途徑，如糖酵解、三羧酸（TCA）循環(huán)、丙酸依賴性、丙酸非依賴性、檸檬酸鹽和氨基酸生物合成等，可以產(chǎn)生不同的PHA單體結(jié)構(gòu)（圖4）。然而，木質(zhì)素由于其復(fù)雜和高度可變的結(jié)構(gòu)，需要轉(zhuǎn)化為代謝中間體，如4-羥基苯甲酸（4-HBA）、對(duì)香豆酸、香草酸等，才能用來(lái)合成PHA（圖5）。

圖4. LB衍生的可發(fā)酵糖合成PHA的多種代謝途徑

圖5. LB衍生木質(zhì)素合成PHA的代謝途徑

該文章提出了木質(zhì)纖維素生物質(zhì)作為底物合成PHA面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)的發(fā)展方向，具體包括以下幾個(gè)方面：（1）LB與其他碳源結(jié)合的共底物發(fā)酵（2）將預(yù)處理、糖化、發(fā)酵、提取和回收結(jié)合的集成工藝開(kāi)發(fā)（3）與PHA共同生產(chǎn)氨基酸、氫氣和生物乙醇等的共生產(chǎn)策略（4）先進(jìn)的生命周期評(píng)估（LCA）和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（TEA）工具的運(yùn)用（5）具有獨(dú)特性能的非天然PHA的生產(chǎn)。

文章第一作者為天津科技大學(xué)李冬娜副教授，通訊作者為天津科技大學(xué)馬曉軍教授，青海理工學(xué)院尹芬副教授，齊魯工業(yè)大學(xué)王強(qiáng)教授。其中，中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院的學(xué)者參與了部分工作。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2024.108512

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（責(zé)任編輯：xu）

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