生物轉化食用菌菌糠木質纖維素產燃料乙醇的研究進展*

虞志強，余水靜，李昆太

1(江西農業大學生物科學與工程學院，江西南昌，330045)

2(江西理工大學 資源與環境學院，江西贛州，341000)

當前，世界各國對石油的需求量劇增，而石油作為一種不可再生資源，其供應日趨緊張，這使得開發可持續利用的替代性能源迫在眉睫。生物質發酵轉化生產燃料乙醇是目前極具潛在發展前景的技術之一，已日益引起國內外的廣泛關注［1-2］。目前，生物乙醇生產原料大多是可供食用的糖和淀粉類物質，如甘蔗、木薯、馬鈴薯、甜高粱等［3-6］，存在著與人爭糧的潛在風險。因此，如何利用廢棄的植物纖維類物質發酵生產燃料乙醇，成為了當前的研究熱點。

食用菌栽培所用的原料與生物乙醇生產所用的植物纖維類原料大體相同，其主要組分為木質纖維素。許多食用菌為木腐菌類型的白腐真菌，其具備酶解纖維素、半纖維素、木質素等的能力。因此，利用食用菌栽培過程作為生物乙醇制備的微生物預處理過程，開展木腐型食用菌菌糠轉化乙醇的研究，不但能有效解決廢棄物菌糠的處理問題，而且也能提高生物乙醇產業的經濟效益。

1 食用菌菌糠的基質特點及其在生物轉化乙醇中的應用潛力分析

1.1 食用菌菌糠的基質特點

食用菌菌糠(SMS)又稱為蘑菇渣、菇渣和菌渣等，是以棉籽殼、稻草、鋸木屑、甘蔗渣、玉米芯、農作物秸稈以及工業廢物(如醋糟、酒糟、制藥廠黃漿液及造紙廠廢液等)為主要原料栽培食用菌后的固體廢棄培養基。

食用菌菌糠中的營養物質成分受多種因素的影響，例如栽培的菌種不同、栽培原料的組分不同、培養環境的條件等［7］。盡管食用菌菌糠組成成分差異很大，其基本成分主要包括:秸稈、木屑、干草、玉米芯等高木質纖維性物料，米糠、麥麩、畜禽糞便、尿素等養分調理性物料，以及石灰粉、石膏粉等pH調理性物料。此外，食用菌栽培過程中大量生長的菌絲體使菌糠中還含有豐富的蛋白質、多糖以及多種微量元素和活性物質［8］。

1.2 食用菌菌糠在生物轉化乙醇中的應用潛力分析

隨著各國食用菌產業的迅猛發展，食用菌子實體采收后產生了大量的菌糠。2012年全國食用菌總產量為2 827.99萬 t［9］，這意味著2012年全國菌糠產量不少于2 000萬t。但是目前只有少量食用菌菌糠被有效利用，絕大部分被作為廢物直接棄置在自然界中［10-11］。這不僅造成了資源的浪費，而且還存在環境污染問題。

在食用菌栽培過程中，通過食用菌菌體的生物固氮作用、酶解作用等一系列生物轉化過程，原料中粗蛋白質、粗脂肪含量均比發酵前提高2倍以上，纖維素、半纖維素、木質素等均已被不同程度地降解，其中粗纖維素降低50%以上，木質素降低30%以上，棉酚降低60%以上，同時還產生了多種糖類、有機酸類和生物活性物質［12］。另外，食用菌子實體采摘后，菌糠中殘留有許多纖維素胞外水解酶［13］。例如，漆酶普遍存在于雙孢蘑菇(Agaricus bisporus)、鳳尾菇(Pleurotussajor-caju)、側耳(P.ostreatus)、香菇(Lentinula edodes)、金針菇(Flammulina velutipes)和猴頭菇(Hericium erinaceus)的菌糠中［14-16］。有研究表明，香菇菌糠中含有較高的α-淀粉酶(229 nkat/g)、纖維素酶(759 nkat/g)和β-葡萄糖苷酶(767 nkat/g)，金針菇菌糠中含有較高的木聚糖酶(119 nkat/g)［15］。鳳尾菇菌糠中木質素過氧化物酶的含量最高，分別為β-葡萄糖苷酶、漆酶、木聚糖酶和纖維素酶的2倍、22倍、30 倍和86 倍［14］。

由此可見，基于食用菌菌糠主要含有的纖維素、半纖維素、木質素、抗營養因子和蛋白質(胞外纖維素降解酶類)等組分，其具備作為生物乙醇轉化基質的潛力。例如有研究表明［17］，側耳菌糠經過預處理和水解后，有＞98%的葡聚糖和75%的木聚糖被轉化，可作為生物乙醇生產非常理想的潛在原料;香菇菌糠經過蒸汽爆破預處理、酶水解糖化和酵母發酵，獲得乙醇的理論產量可達87.6%，即100 g香菇菌糠轉化可獲得 15.9 g 乙醇［18］。Cara等［19］研究表明，油橄欖樹修剪枝經過蒸汽爆破預處理、酶糖化和酵母發酵，乙醇的轉化率為64%。Sassner等［20］研究表明硫酸浸漬后的柳樹經過蒸汽爆破預處理、酶糖化和酵母發酵，乙醇的轉化率為79%。Asada等［21］研究表明，一次性白楊筷子經過蒸汽爆破預處理、酶糖化和酵母發酵，乙醇的轉化率為79%。可見，食用菌菌糠木質纖維素在生物轉化乙醇的應用上有著巨大的發展潛力。

2 目前利用食用菌菌糠生物轉化乙醇的常用工藝及其特點

由于食用菌菌糠含有的成分以木質纖維素為主，其生物轉化乙醇的工藝和木質纖維素產乙醇的發酵工藝基本相同。從木質纖維到乙醇的生物轉化過程主要包括木質纖維素原料預處理，纖維素和半纖維素的酶解糖化和發酵，最后乙醇產品的回收純化［22-23］。有意思的是，甚至有些木腐型食用菌可以直接將菌糠中纖維素降解轉化生成乙醇。

2.1 食用菌菌糠(木質纖維原料)預處理工藝

木質纖維素原料是高度頑固且難以轉換成可以被微生物發酵成生物燃料的單糖［24］的一類營養物質。木質纖維原料預處理是生物乙醇轉化的第一步和最為關鍵的一步，同時也是耗費成本的一步［25-26］。預處理的主要目的是通過破壞木質素和半纖維素，來降低纖維素的結晶性，增加其多孔性，這樣才能使酶制劑與纖維素充分接觸，完成酶促反應［27］。目前較為常用的食用菌菌糠預處理方法有物理預處理、化學預處理和微生物降解三大類［28］。其中，水熱預處理技術由于具有不需(或較少)添加化學品、較少產生發酵抑制物和污染物等優點，近年來廣受國內外研究者的重視［29］。而微生物降解法具有能耗低、條件溫和等優點［30］，不過周期太長，而且微生物分解木質素的同時也能產生纖維素和半纖維素酶，影響得糖率，有待于通過基因工程或代謝工程選育選擇性更強的分解木質素的微生物［31］。

自然界中參與降解木質素的微生物種類主要真菌、放線菌和細菌等，而真菌是最重要的一類。值得注意的是，許多木腐型食用菌能夠選擇性高效降解植物纖維原料中的木質素［32-33］，可作為纖維素轉化生物乙醇的預處理微生物菌種。例如，鳳尾菇接種在固態洋麻桿培養基質中培養25～30 d后，木質素去除率可高達50.20%，有助于提高后續的洋麻纖維素酶水解效率［34］。另外有研究發現，食用菌側耳的過氧化物酶基因失活會降低對木質素的降解能力［35］。

2.2 纖維素和半纖維素的酶解糖化和發酵工藝

纖維素的酶解糖化是一個復雜的過程，受到多種因素的影響。對預處理后的菌糠進行纖維素酶和木聚糖酶的水解，通過進行系統研究和工藝優化，達到菌糠的木質纖維素的最佳水解效果。近年來，研究者們［36］針對木質纖維素降解機制的當前理解，正試圖往生產纖維素酶解糖化和木質纖維素的水解工藝伏化，以及產生纖維素酶的高效真菌菌株等方面進行努力。

利用微生物發酵木質纖維素原料生產乙醇的發酵工藝大致可以分為纖維素直接發酵、間接發酵、固定化細胞發酵、混合菌種發酵和同步糖化發酵(SSF)等［27］。同步糖化發酵的優點是酶解的產物葡萄糖可以立刻被酵母發酵生成乙醇，解除了葡萄糖對纖維素酶的反饋抑制，從而有利于纖維素酶水解反應順利地進行，有效地提高了糖化和發酵的效率，但不足之處是糖化和發酵最適溫度不同［37-38］。半同步糖化發酵(SSSF)包括了預糖化和SSF兩個階段，結合了間接發酵和SSF的優點，并可以在一定程度上彌補最適溫度不同造成的反應不充分。有研究表明［39］，在SSSF工藝下的乙醇生產量和轉化率明顯高于同步糖化發酵。

2.3 食用菌直接降解菌糠轉化生產乙醇

研究發現，有些木腐型食用菌可以直接將纖維素降解轉化生成乙醇，如白腐菌金針菇能將D-葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、纖維二糖、纖維三糖、纖維四糖高效率地發酵轉化為乙醇(理論回收率達到88%)，表明金針菇具有聯合生物加工(consolidated bioprocessing)的有利特征［40］。通過金針菇全基因組測序與分析發現，金針菇含有木質素降解的69個真菌氧化木質素酶(FOLymes)、碳水化合物降解的392個碳水化合物活性酶(CAZymes)。此外，金針菇菌絲體內含有高度表達的58個醇脫氫酶基因(alcohol dehydrogenase genes)［41］，這進一步從分子水平證實了金針菇具有聯合生物加工特征，可將纖維素降解轉化生成乙醇。

2.4 新型生物技術在食用菌菌糠生物轉化乙醇中的應用

快速生物轉化與集成技術回收工藝(RaBIT)［42］是一種利用在纖維素生物質生物轉化第二代燃料乙醇的新型生物技術。RaBIT能有效降低生物處理時間和生物催化劑成本，具有雙重的優點。木質纖維素類生物質通過RaBIL進行生物轉化，不僅能有效減少總的生物加工時間(酶解和發酵)，提高生物燃料生產效率，而且回收的生物催化劑(酶和微生物)可以進行下一個周期，有效節省生物催化劑成本。2012年Jin M等人［43］報道，據初步經濟分析表明，RaBIT過程的五步再循環過程中節約了62%水解和發酵相關的投入成本及離心和過濾成本，并減少了38%酶的成本。由此可見，RaBIT工藝在食用菌菌糖生物轉化燃料乙醇中具有良好的應用前景。

3 食用菌菌糠生物轉化乙醇所存在的主要問題及其應用前景

3.1 食用菌菌糠生物轉化乙醇所存在的主要問題

3.1.1 預處理工藝方面

高效率的預處理工藝是食用菌菌糠的降解轉化乙醇的核心關鍵技術之一。研究表明［44］，稀酸、汽爆、水熱、氨法等多種預處理技術都能使纖維素和半纖維素的水解轉化率達到80%以上。高效水解轉化率、較少產生發酵抑制物和污染物這將需要新的生物技術來解決提高效率的。食用菌栽培過程中對食用菌菌糠有效預處理將是未來對食用菌菌糠木質纖維素有效利用的一個關鍵技術。

3.1.2 纖維素酶生產技術方面

纖維素酶研究近年來不斷有新的技術突破，特別是通過添加少量酶解協同因子，可使纖維素酶的酶解效率顯著提高，酶用量和噸乙醇用酶成本顯著降低。繼續進行纖維素酶生產菌株的改造、提高纖維素酶發酵生產水平，以及建立纖維素酶的就地生產方式來減少酶制劑加工成本，仍是今后長時間內需要努力的方向［29］。

3.1.3 乙醇發酵菌種方面

由于具有優良的發酵能力和更好的耐受性，釀酒酵母是優選的工業微生物乙醇生產菌種。然而，啤酒酵母不能利用戊糖從木質纖維素材料的半纖維素釋放，因而降低產乙醇的產率。另外，雖然釀酒酵母是健壯的，但它不能充分地抵抗從木質纖維素預處理的過程產生的抑制劑［45］。近年來，通過對菌株進行基因工程改造，已實現木糖-葡萄糖共發酵，木糖糖醇轉化率已經接近葡萄糖，發酵醪液中乙醇濃度已基本滿足工業化生產要求。但是，對高強度預處理后物料中的發酵抑制物具有抗性，并能直接高效地共發酵多種非發酵性糖類的菌株目前尚未經過工業規模的應用驗證［29］。發酵菌株的發酵抑制物耐受性和多糖共發酵速率仍是重要的限制因素和研究重點。

3.2 食用菌菌糠生物轉化乙醇應用前景

食用菌菌糠基質大多為植物纖維類物質，加之許多種木腐型食用菌本身就具備降解植物纖維的能力，因此利用食用菌菌糠開展生物轉化第二代燃料乙醇的研究將具有廣泛的開發和應用前景。尋求高效栽培預處理技術、高效的發酵工藝和乙醇生產菌種，一方面可降低木質纖維素預處理的成本，另一方面可有效解決廢棄物菌糠的處理問題。利用食用菌菌糠中木質纖維類物質生物轉化第二代燃料乙醇符合當前“不與人爭糧、不與糧爭地”原則，對解決目前的能源問題具有重要的現實意義。

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