“破爛兒”廢紙迎“酶”好市場(chǎng)

今年以來(lái)，國(guó)內(nèi)造紙?jiān)�材料價(jià)格大幅上漲，與造紙配套的化工物料成本甚至翻了一番。而廢紙作為一種長(zhǎng)期被忽視的資源，如何高效利用以創(chuàng)造更大價(jià)值，成為亟待解決的社會(huì)問(wèn)題。

近日，中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所研究員王曙陽(yáng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)十余年攻關(guān)，在利用廢紙發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶研究方面取得新進(jìn)展。相關(guān)成果發(fā)表于《清潔生產(chǎn)雜志》。

“廢紙具有價(jià)格低廉、產(chǎn)生量大、來(lái)源廣泛、易獲取的優(yōu)點(diǎn)，用廢紙做碳源的成本只有微晶纖維素碳源的1/10左右，不僅可以有效降低纖維素酶發(fā)酵成本，還能實(shí)現(xiàn)廢紙資源的高值化利用�！蓖跏镪�(yáng)在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說(shuō)。

亟待尋找廉價(jià)碳源

纖維素酶是繼淀粉酶和蛋白酶之后的全球第三大工業(yè)用酶制劑，在生物能源、食品、造紙、紡織洗滌、醫(yī)藥等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。然而，高昂的發(fā)酵成本成為其產(chǎn)業(yè)化道路上的“攔路虎”。

同樣，纖維素酶發(fā)酵成本高昂的問(wèn)題也存在于青貯菌劑的生產(chǎn)過(guò)程中。

2008年，王曙陽(yáng)團(tuán)隊(duì)在研究甜高粱青貯菌劑時(shí)發(fā)現(xiàn)，甜高粱飼草中性洗滌纖維含量比較高，這影響了甜高粱青貯飼料的適口性和營(yíng)養(yǎng)成分的消化吸收。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，如果加入一定比例的高活性纖維素酶，就可以在青貯過(guò)程中降低甜高粱青貯飼料中不易消化吸收的纖維含量。

纖維素酶系是一種底物誘導(dǎo)性酶類(lèi)，需要在纖維素酶發(fā)酵培養(yǎng)中加入纖維素類(lèi)碳源，才能誘導(dǎo)纖維素酶蛋白的大量合成分泌。目前，發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶所用碳源一般為微晶纖維素或農(nóng)作物秸稈等商品。

起初，該團(tuán)隊(duì)使用的誘導(dǎo)性纖維素類(lèi)碳源是購(gòu)買(mǎi)的商品試劑微晶纖維素，但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖然其誘導(dǎo)發(fā)酵產(chǎn)酶效果較好，但發(fā)酵生產(chǎn)成本相對(duì)較高。

隨后，他們又選用了研究較多的農(nóng)作物秸稈廢棄物，包括玉米秸稈、玉米芯、甜高粱秸稈和甜高粱榨汁后的渣等，但發(fā)酵產(chǎn)酶效果均不理想。為此，他們又將堿處理后的秸稈作為碳源進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)酶，雖然發(fā)酵效果有了一定好轉(zhuǎn)，但堿處理過(guò)程繁瑣、成本高，反而增加了纖維素酶的生產(chǎn)成本。

通過(guò)前期的研究，王曙陽(yáng)發(fā)現(xiàn)，不管使用商品微晶纖維素還是農(nóng)作物秸稈作為發(fā)酵碳源，纖維素酶的發(fā)酵生產(chǎn)成本都比較高，“必須尋找到新的最適且廉價(jià)的碳源種類(lèi)”。

隨著環(huán)境污染和生態(tài)問(wèn)題日益凸顯，王曙陽(yáng)開(kāi)始思考，廢紙不僅價(jià)格低廉，還有含量較高的纖維素成分，也許可以用作發(fā)酵碳源誘導(dǎo)纖維素酶的合成分泌。

帶著這樣的靈感，她帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)一頭鉆進(jìn)了“廢紙”里。

“破爛兒”廢紙成“主角”

廢紙有很多種類(lèi)，研究人員首先要做的是從眾多廢紙種類(lèi)中找到發(fā)酵效果最好的。他們先后選取了辦公廢紙、餐巾廢紙、雜志紙和硬紙板紙4類(lèi)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，硬紙板紙?jiān)?種廢紙?zhí)荚窗l(fā)酵中產(chǎn)酶效果最好。

“通過(guò)4種廢紙的結(jié)構(gòu)表征，我們發(fā)現(xiàn)硬紙板紙表面纖維束松散開(kāi)裂且粗糙，并且X衍射分析中只有硬紙板紙檢測(cè)到碳酸鈣成分。因此，我們推測(cè)硬紙板紙的這種成分組成和結(jié)構(gòu)特性較其他類(lèi)型廢紙更適合發(fā)酵產(chǎn)酶�！痹诮邮堋吨袊�(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)，中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所特聘研究助理董妙音說(shuō)。

為了進(jìn)一步提高產(chǎn)酶效果，研究人員又有了新的想法——麩皮作為農(nóng)業(yè)加工副產(chǎn)物，含有一定量可溶性纖維寡糖，這種成分能夠有效誘導(dǎo)纖維素酶和半纖維素酶的分泌，如果與硬紙板紙一起作為混合碳源，也許能提高發(fā)酵產(chǎn)酶水平。

實(shí)驗(yàn)證明他們的設(shè)想是對(duì)的。當(dāng)把硬紙板紙與麩皮作為混合碳源混合發(fā)酵后，β—葡萄糖苷酶活最高可達(dá)0.80 IU/mL，比硬紙板紙單一碳源酶活提高了56.86%；外切葡聚糖酶活、濾紙酶活和木聚糖酶活（Xyl）也有了一定的提高，其中Xyl達(dá)到399.74 IU/mL，較微晶纖維素碳源發(fā)酵酶活提高了16.51%。

使用廢紙作為碳源進(jìn)行纖維素酶生產(chǎn)，除了能獲得優(yōu)異的發(fā)酵效率，生產(chǎn)成本也只有微晶纖維素碳源的1/10左右。不僅如此，整個(gè)過(guò)程無(wú)預(yù)處理副產(chǎn)物產(chǎn)生，操作簡(jiǎn)單，綠色無(wú)污染。

“如果以農(nóng)作物秸稈作為發(fā)酵碳源，一般需要一定的預(yù)處理，這個(gè)過(guò)程中使用的強(qiáng)酸強(qiáng)堿不僅腐蝕設(shè)備，還污染環(huán)境。此外，預(yù)處理過(guò)程還會(huì)產(chǎn)生糠醛、乙酸及酚類(lèi)化合物等抑制微生物發(fā)酵的副產(chǎn)物，對(duì)纖維素酶生產(chǎn)菌株生長(zhǎng)和產(chǎn)酶過(guò)程產(chǎn)生不利影響。”董妙音告訴記者。

特色研究助一臂之力

在王曙陽(yáng)看來(lái)，整個(gè)研究工作能取得令人驚喜的發(fā)酵效果，緣于中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所有著近40年歷史的特色研究方向——重離子束輻照誘變育種。

此項(xiàng)研究中使用的長(zhǎng)枝木霉LC-M4產(chǎn)酶發(fā)酵菌株，正是經(jīng)過(guò)重離子束誘變選育的高產(chǎn)纖維素酶突變菌株，具有能夠同時(shí)表達(dá)分泌纖維素酶和半纖維素酶系的優(yōu)良性狀，可在纖維素類(lèi)碳源誘導(dǎo)下同時(shí)進(jìn)行纖維素酶和半纖維素酶的發(fā)酵生產(chǎn)。

“由于纖維素酶合成分泌具有多組分協(xié)同表達(dá)及復(fù)雜的代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)特性，產(chǎn)酶絲狀真菌遺傳背景不清楚，使得重離子束輻照誘變?cè)诋a(chǎn)酶菌株的育種工作中具有明顯的優(yōu)越性�！蓖跏镪�(yáng)告訴記者。

實(shí)際上，在這項(xiàng)漫長(zhǎng)的研究過(guò)程中，除了需要攻克技術(shù)難題，還需要克服人員緊缺和經(jīng)費(fèi)緊張等困難。

“循環(huán)經(jīng)濟(jì)的投資很大，與企業(yè)對(duì)接轉(zhuǎn)化也需要很多資金投入，在最困難的時(shí)候，我們也曾猶豫是否應(yīng)該換個(gè)方向，但想到這項(xiàng)研究對(duì)整個(gè)生態(tài)環(huán)境和循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有重要意義，還是頂住壓力堅(jiān)持下來(lái)了�！蓖跏镪�(yáng)回憶時(shí)感慨道。

接下來(lái)，該團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步馴化發(fā)酵生產(chǎn)菌株，提高其在廢紙?zhí)荚窗l(fā)酵中的生產(chǎn)效率和水平，進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)酵體系和條件。此外還將與纖維素酶生產(chǎn)企業(yè)和廢紙回收企業(yè)進(jìn)行深入交流和合作，充分了解企業(yè)目前的需求和困難，進(jìn)行現(xiàn)有廢紙產(chǎn)纖維素酶工藝優(yōu)化，盡快促進(jìn)研究成果的轉(zhuǎn)化與應(yīng)用。

責(zé)任編輯：宋清