近日，山东大学微生物技术国家重点实验室赵建教授团队在期刊《Carbohydrate Polymers》（IF: 10.723)上发表题为“Preparation of nanocellulose crystal from bleached pulp with an engineering cellulase and co-production of ethanol”的研究论文。微生物技术国家重点实验室博士生杨甜甜为论文第一作者，赵建教授为通讯作者，山东大学微生物技术国家重点实验室为第一完成单位和通讯作者单位。
在化石资源日益短缺和倡导可持续发展的背景下，将储量丰富且可再生的木质纤维素转化成人类社会发展必需的液体燃料、大宗化学品和生物基功能材料，对缓解当前面临的化石资源和能源危机、环境保护、实现国家“碳中和、碳达峰“的战略目标、促进经济发展具有重要意义。纳米纤维素是一种独特的纳米尺寸材料，由于其具有独特的理化性质和优良的特性，如高的比表面积、丰富的表面活性基团、高的机械强度、良好的热稳定性、具有生物相容性和生物可降解性等，在医药、生物基功能材料、化妆品、食品、组织工程、3D打印等众多行业具有广泛的应用。由木质纤维素衍生的纳米纤维素通常分为纤维素纳米晶（CNC）和纤维素纳米纤丝（CNF）。传统的CNC的制备方法通常是通过浓酸水解或TEMPO氧法，存在废液污染严重、成本高、反应条件苛刻、药品无法回收等问题，而利用酶法制备纳米纤维素，具有反应过程温和、环保，同时水解液中的糖还可以被进一步转化利用等优点，是一种“绿色工艺”，具有良好的发展前景。但目前的研究大多是将酶应用于化学或机械处理前的预处理，以减少化学品使用和降低能耗，或用于纳米纤维素后处理以改善产品特性，且使用的酶大多是商品酶制剂或其它用途的纤维素酶产品，由于酶系特征不适合CNC的生产致使过程效率低下。目前尚缺乏纳米纤维素制备用纤维素酶系的研发及其应用报道。基于这一现状，研究团队近年来开展了纳米纤维素制备用酶系及酶法制备方面的研究，论文在前期进行的CNC制备用关键酶组分和辅助蛋白优选工作基础上，基于对商品漂白松木硫酸盐浆（BPKP）化学成分的解析，通过在草酸青霉中过表达多类CNC制备关键酶组分和里氏木霉来源的Swollenin（SWO1）、同时敲除草酸青霉产量较高的CBHI和影响纤维素酶分泌的调控因子CreA，成功构建了工程菌株cEES-XM，在提高胞外蛋白分泌能力的同时，也使其分泌的纤维素酶系更适合于利用BPKP通过酶解法制备CNC。
论文利用工程菌cEES-XM分泌的纤维素酶系水解BPKP浆制备CNC，同时采用同步酶解糖化和发酵工艺，利用具有不同酶系组成的里氏木霉生产的纤维素酶水解制备CNC过程中产生的含寡糖水解液和固体纤维残渣生成葡萄糖和木糖，进而发酵成燃料乙醇，实现了CNC和纤维素乙醇的联产。该过程不仅使纤维原料中碳水化合物得到高效利用，而且消除了CNC制备过程的废水污染。论文还通过多种分析手段，对制备的CNC的粒径尺寸分布、形态学特征、聚合度、热稳定性等特征进行了表征，为后续应用提供借鉴。
图1 SEM observation of CNC prepared by enzymatic hydrolysis of BPKP with cellulase system from stain cEES-XM. In which, a: BPKP, b and c: CNC from hydrolysis of 1st 24 h and 2nd 24 h, respectively.
近年来，赵建团队在制备CNC用纤维素酶系改造及其应用方面取得了较好进展，采用的纤维素原料从组成简单的MCC（微晶纤维素）逐步过渡到商品溶解浆、商品漂白硫酸盐浆等原料，较好地降低了纳米纤维素的原料成本，同时通过改造降低了用酶成本。研究成果先后发表在Carbohydrate Polymers(2020, 234:115862)、Industrial Crops and Products（2020, 155:112755）等期刊，“一种适于制备纤维素纳米晶体的纤维素酶及其应用”已于2022年授权国家发明专利（专利号ZL 202010026664.0）。这篇论文是在这一方向上取得的又一进展。
研究得到了国家重点项目研发计划、山东省自然科学基金等的支持。
原文链接:https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.120291
