CREST | 利用木质纤维生物质生产微生物柴油——新见解与未来挑战

导 读

英国苏格兰农业学院Vijai Kumar Gupta团队与印度泰米尔纳德邦农业大学Sivakumar Uthandi团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“利用木质纤维生物质生产微生物柴油——新见解与未来挑战（Microbial biodiesel production from lignocellulosic biomass: New insights and future challenges; 2022, 52(12): 2197-2225）”的综述。

在许多国家，原材料生产成本高导致种植产油蔬菜作物需要大面积土地资源，再加上粮食和饲料之间的竞争，生物柴油的生产受到诸多阻碍。因此，生物柴油的生产需要新的方法——微生物油为其提供了潜在的解决方案。在几种可用的微生物中，当在特定的环境条件下生长时，产油微生物（酵母和真菌）在其细胞内积累超过20~70%的油。此外，微生物油或单细胞油（SCOs）相对于植物油或动物脂肪有许多的优点，例如类似的脂肪酸分布、微生物的短生命周期、受环境影响相对较低、更少的劳动力需求以及更方便去推广。使用天然丰富的木质纤维素生物质（LCB）作为生产第二代生物柴油的可再生原料来生产微生物油，已经成为解决能源成本上升、环境保护和原油储量快速枯竭等挑战的基本方法。本综述比较和研究了不同微生物以LCB为底物积累油脂的能力，将LCB转化为SCOs的预处理策略，以及利用LCB生产生物柴油的未来挑战。

图1 微生物油的生产与利用

主要内容

一般来说，用于生物燃料的生物量可分为四类：（i）农业残留物，（ii）木质生物质，（iii）包括粮食和非粮食作物的专用能源作物，以及（iv）动物粪便。而在其中，农业残留物和木质生物质是有潜力满足可再生能源需求的两类主要生物质来源。据国际可再生能源机构预测，到2030年，用于生产可再生能源的LCB使用量将比2010年增加一倍。40%的可再生能源将来自农业残留物和能源作物，其余部分为森林残留物。因此，预计在亚洲、欧洲和俄罗斯将有大量的生物质供应需求。

图2 2018年各国产生的农业残留物及林产品总量

LCB由35~55%的纤维素，20~40%的半纤维素和10~25%的木质素组成。纤维素是LCB的主要糖分子，而木质素与半纤维素共价结合，在纤维素周围形成网状结构，可以增加更高的酶抗性。预处理的成功依赖于纤维素有效转化为可发酵糖。这是通过将纤维素分子分解成单糖（如葡萄糖）来实现的。而在LCB转化为生物柴油的过程中，纤维素分子的聚合度和结晶度指数的下降是至关重要的。预处理过程应该也可以增加反应表面积，使酶能够有效水解。

预处理过程涉及物理、化学、物理化学和生物方法来去除木质素，使碳水化合物（纤维素和半纤维素）更容易被酶水解。在过去，已经开发了大量的预处理技术，包括化学（稀酸、碱、有机溶剂）、物理（微波、挤压、超声）、生物（全细胞和酶）和热基处理如AFEX、蒸汽或CO₂爆炸等。其中，基于稀酸和碱的预处理、离子溶液和有机溶剂是LCB生产生物柴油中应用最广泛的方法。玉米秸秆、小麦秸秆、甘蔗渣等是用于通过酵母和丝状真菌检测微生物油脂生产的主要LCBs。LCB生产生物柴油的总体流程如图3所示。

图3 从木质纤维素生物质生产生物柴油的绿色工艺

微生物（霉菌、细菌、酵母和微藻）可以在其细胞内以三酰甘油酯（TAGs）的形式积累超过20%的脂质，这些微生物被称为产油微生物。由此产生的油通常被称为SCOs，其性质类似于植物油。大多数证据表明，积累的TAGs适合通过酯交换方法生产生物柴油。真菌将外部的碳代谢成碳水化合物，然后转化为脂质。一些产油真菌可以储存高达70%的生物量作为脂类。在简单的培养方法下，细菌表现出很高的细胞生长速度。红球菌、链霉菌和诺卡氏菌可以积累高脂。细菌TAGs的结构和组成可能与其他微生物油不同，主要取决于细菌菌株和碳源。此外，这些生物可以利用各种碳源生长。产油酵母生长迅速，含油量丰富。它们可以在各种碳源上生长，如葡萄糖、木糖、甘油等。然而，最著名的高含油量酵母包括红酵母属、根霉属、毛孢酵母属、耶氏酵母属、念珠菌属和隐球菌属。这些酵母平均可以积累高达其生物量40%的脂质。微藻是最丰富的生物量生产者，具有非常高的光合作用产率，并有能力积累更高的中性脂含量相比于陆生植物的生物燃料生产。产油微藻通常积累20~80%的脂质含量。

不同预处理后的LCB产生葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和半乳糖，以及一些抑制化合物如乙酸、糠醛和羟甲基糠醛。所有这些糖都已用于生产微生物油。己糖遵循de novo脂代谢，而戊糖磷酸途径生成五碳糖的中间化合物G3P，进一步在de novo脂代谢中被利用。另一方面，木质素通过化学、机械和酶解聚合产生各种中间化合物，这些中间化合物进一步通过上层途径，如ß-酮己二酸途径，从而转化为脂质。图4给出了不同糖和芳香单体生产脂类的生化路线。

图4 参与碳水化合物向脂质转化的细胞途径、酶和细胞器

油酸、亚油酸、硬脂酸和棕榈酸是发酵后得到的脂质脂肪酸中的主要脂肪酸。LCB中脂肪酸的分布可以通过建立的数学方程来预测生物柴油的基本性质，如Iodine value（碘值IV）、saponificationvalue（皂化值SV）和high heating value（高热值HHV）（三个用来评价生物柴油的质量的参数）。生物柴油性质的经验方程为IV=254 DB x (%FC/M)，SV=560×(%FC/M),HHV=49.43-0.041(SV)- 0.015(IV)；FC是每种脂肪酸组分的%，M是每种脂肪酸组分的分子质量。用LCB制备的油脂碘值在40~90%以上，符合生物柴油的国际标准。酵母和霉菌生产的脂质碘值较高，而细菌脂质碘值最低，这表明产油霉菌更适合从LCB生产生物柴油。与IV相比，来自木质素模型化合物的细菌脂质的SV较高，酵母和霉菌的SV范围几乎相似。然而，用LCB法获得的微生物脂质HHV无显著差异。

总结与展望

这是关于利用产油微生物生产大量生物柴油一篇综述。对现有技术知识的总结让我们能够更好地理解SCOs高脂产量、非季节性或气候依赖性、与植物油相似的脂肪酸组成以及利用多种碳源进行生长的能力，并且更好的了解到了从LCB生产SCOs中的脂质积累过程、水解和预处理过程。然而在该领域的研究还存在一些问题，目前SCOs经济生产的缺点是脂质产量低，对预处理降解产品的耐受性低。我们为将来的研究提供一些建议。（1）生物柴油是通过脂肪酸与短链醇的酯交换反应生成长链脂肪酸的单烷基酯（如脂肪酸甲酯和乙基酯）来生产的。然而，了解这一过程对于开发产油微生物生产酯交换所需的脂肪酸和短链醇，以及获得对短链醇具有较高活性的酰基转移酶至关重要。（2）为了与化石燃料消耗竞争，迫切需要开发效率更高、能够利用廉价基质的微生物。为了降低成本，使用一种包含所有淀粉或碳材料（包括生活和工业废物）的创新栽培系统将是至关重要的。（3）对产油微生物的基因改造、预处理技术的进一步开发、工艺设计、政府补贴、政策支持以及其他有价值的副产物产生的技术进步是实现生物柴油可持续生产的必要途径。

作者简介

第一兼通讯作者简介：

Sivakumar Uthandi，印度泰米尔纳德邦农业大学农业微生物学教授，主要从事生物质转化、发酵、蛋白质工程、代谢组学、植物微生物组学等方面的研究。担任美国微生物学会终身会员（2012年）、印度微生物学家协会CC会员（2020年）、英国皇家生物学学会会士（2020年）。已发表学术论文一百余篇，H指数为22，获授权专利三项。

通讯作者简介：

Vijai Kumar Gupta，英国苏格兰农业学院（SRUC）生物精炼和先进材料研究中心、安全和改进食品中心的高级研究员和组长，欧洲真菌学协会的秘书，美国微生物学会的国家大使，印度国家农业科学院院士，印度微生物科学院院士。是生物质价值化、微生物工程生物技术、酶和生物工艺技术、生物活性天然产物和功能性微生物组相互作用领域的领先专家之一。为Elsevier、Wiley-Blackwell、Taylor and Francis、Springer-Nature、CABI、Nova Science 和De Gruyter 等国际知名出版商编辑了39本书。已发表学术论文两百余篇，H指数为57。

|撰稿：彭友镜

|编排：曾镜羽

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