树皮是一种丰富的生物质资源，约占木材干重的10-20%，在制浆、木材加工等行业，树皮通常作为废弃物被丢弃或用于燃烧发电等。一些树皮中含有多种生物活性物质(如黄酮类化合物、苯环类化合物)以及纤维素、果胶、半纤维素、木质素等。研究和开发对树皮的综合利用是一项十分有前景的工作。
近日，山东大学微生物技术国家重点实验室（微生物技术研究院）赵建教授团队同芬兰阿尔托大学窦金泽博士在Green Chemistry上以 ″Tailor-made enzyme consortium segregating sclerenchyma fibre bundles from willow bark″ 为题，首次报道了通过解析速生柳树皮中的果胶化学结构特征来定制果胶降解酶系以分离提取柳树皮纤维的研究成果。窦金泽博士和赵建教授为共同通讯作者，窦金泽博士为第一作者。
速生柳的树皮中含有约30%的纤维素、15%的果胶、以及木质素和半纤维素等组分，其中纤维素以纤维束的形式存在，果胶作为粘结成分将纤维束粘连黏附在一起。之前的研究工作曾采用低浓度NaHCO3/NaOH进行蒸煮的方法去除果胶来分离纤维束，并成功将其与Lyocell纤维混纺制备出了具有出色防紫外线和抗菌性能的材料，但该化学方法存在损伤纤维与污染环境等问题。利用果胶酶来降解果胶进而分离柳树树皮中的纤维束不仅绿色环保，还能最大程度保留其优异的抗菌特性。
果胶是一类以半乳糖醛酸为主的异质多糖，含有十几种单糖和二十多种糖苷键。根据单糖组成和连接类型，可以分为三种不同的主要组分：由α-1，4连接的半乳糖醛酸组成的同型半乳糖醛酸聚糖（HG）；鼠李半乳糖醛酸聚糖I型（RG-I），其主链由半乳糖醛酸与鼠李糖交替组成，并且鼠李糖被阿拉伯聚糖、半乳聚糖或阿拉伯半乳聚糖等中性糖侧链取代；以及鼠李半乳糖醛酸聚糖II型（RG-II），其主链为HG，并含有多种不同的糖分子通过复杂的糖苷键连接而成的侧链。果胶的组成和结构因来源而不同，主要差异体现在：HG区域的酯化度和乙酰化度、RG-I的侧链组成和鼠李糖的取代度、不同区域的比例。
由于酶的反应专一性，果胶的完全降解需要一系列多糖降解酶的共同作用，包括水解酶、裂解酶、酯酶等不同家族的酶，它们分别断裂不同的糖苷键并且具有不同的底物偏好。尽管迄今已有多种果胶酶被表征和应用，但采用传统的通过逐一筛选酶以组建果胶降解酶系的方法耗时耗力。文章作者首先选择了合适的方法从速生柳树皮中分离出了果胶，并利用核磁共振等手段对果胶的单糖组成和糖苷键的类型等进行了详细的表征，进而针对果胶的组成和结构特征，针对性地选择了不同底物偏好性的酶，定制了高效的果胶降解酶系，在4小时内实现了速生柳树皮纤维束的分离提取。
这项研究提供了利用酶系催化的清洁环保思路来取代传统的化学蒸煮方法对生物质(如树皮)进行生物精炼的可能性，而无需建造昂贵的化学回收系统并可增加工厂收入。另外作者提出的″根据目标底物化学结构特征对降解酶系精确定制″的概念或许能够适用于其它富含果胶的木质纤维素材料诸如麻类纤维、桑科(桑树和构树)以及其他速生树种(杨树和桉树)树皮等。
山东大学微生物技术国家重点实验室赵建教授团队长期从事木质纤维素的生物降解和生物转化、以及碱性/耐碱性酶类的研发及其应用。近年来在碱性果胶酶的高效表达及其在苎麻脱胶的应用方面取得了系列研究成果，迄今已获得6项中国国家发明方面专利、并在多家国内外期刊上发表研究论文。本次与芬兰阿尔托大学窦金泽博士合作发表的研究成果，是该团队在碱性果胶酶的应用研究方面的又一重要进展。
原文链接：https://doi.org/10.1039/D2GC00188H
