近日，赵建教授团队在玉米种皮纤维生物降解方面取得新进展，研究成果以“Structural characterization of corn fiber hemicelluloses extracted by organic solvent and screening of degradation enzymes”为题，发表在Elsevier Ltd旗下期刊Carbohydrate Polymers（IF10.723）。山东大学微生物技术国家重点实验室博士研究生郭英杰为论文第一作者，赵建教授和李雪芝高级工程师为共同通讯作者。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。
玉米纤维是玉米淀粉加工和玉米乙醇等工业的副产品，是一种丰富的木质纤维素生物质资源，据估计，在中国，玉米纤维年产量可达1090万吨。但目前玉米纤维主要作为饲料出售，利用价值较低。玉米纤维中含有丰富的碳水化合物成分，可以作为许多行业中的原料，通过将玉米纤维中纤维素和半纤维素酶解糖化再经过发酵，可以生产木糖醇、阿魏酸、柠檬酸、生物乙醇等多类产品。例如：在玉米乙醇工业，如将玉米纤维中碳水化合物有效转化成乙醇，可以使玉米乙醇的总产量增加约10%，同时显著提高DDGS的品质，这对增加燃料乙醇产量和提高玉米乙醇生产过程的经济性至关重要。因此，研究玉米纤维的酶法降解及其转化利用是一项具有广泛应用前景的工作。但与木材、非木材如秸秆等木质纤维素原料中木质素形成了重要的生物质抗降解屏障不同，玉米纤维中木质素含量很低，但半纤维素含量约占纤维总重量的40%，且半纤维素的糖基组成和化学结构更加复杂，使用目前的商品酶制剂很难实现理想的转化，特别是半纤维素的降解效率非常低，进而也限制了纤维素的降解和转化。
由于玉米纤维组成复杂，除含有约40%的半纤维素外，还含有约12%的淀粉、18%的纤维素、以及蛋白质、木质素等组分，其中半纤维素包括木糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖、葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸等多类成分，因此，如何从玉米纤维中提取纯度高且化学结构保持完整的半纤维素样品，对解析玉米纤维半纤维素结构至关重要。研究团队在参考文献中不同半纤维素提取方法的基础上，提出了改进的半纤维素提取方法，以玉米纤维为原料，通过有机溶剂抽提脱油、酶法脱淀粉、过氧乙酸脱木素、DMSO萃取结合乙醇沉淀等步骤，成功提取了符合解析要求的玉米纤维半纤维素样品。
进一步采用包括HPLC、HPGPC、UV、FT-IR、GC-MS、NMR等在内的多种分析方法，对玉米纤维半纤维素的糖组成及其结构进行解析。证明该半纤维素是一种杂多糖，存在葡萄糖醛酸阿拉伯木聚糖和木葡聚糖两种类型的多糖结构。其中，葡萄糖醛酸阿拉伯木聚糖主要成分为木糖和阿拉伯糖，其木聚糖主链中超过一半的木糖单元在O2和/或O3处被各种单体或低聚侧链取代，这些侧链由阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖、葡萄糖醛酸、木糖、葡萄糖等组成，种类多达16种。而木葡聚糖的主链则是葡聚糖，其O6处被α-木糖取代。玉米纤维半纤维素的复杂组成和结构致使其具有顽固的抗降解性。
图1. 玉米纤维半纤维素的化学结构模型图。a，葡萄糖醛酸阿拉伯木聚糖；b，木葡聚糖
由于酶的反应专一性，玉米纤维的高效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。尽管迄今已有多种半纤维素酶被表征和应用，但采用传统的通过对可能的不同单个酶组分进行逐一筛选进而组建玉米纤维降解酶系的方法耗时耗力。论文基于对玉米纤维半纤维素维结构中糖苷键类型及连接次序等的详细结构特征，针对性地筛选了不同底物偏好性的酶组分，与前期筛选的玉米纤维降解纤维素酶共同组建了新的玉米纤维降解酶系，有效提高了玉米纤维的酶法降解效率，尤其是半纤维素的降解效率，这对以玉米为原料进行糖化发酵生产不同产品的众多行业提高原料利用率、提高产品收率等具有积极的意义。进一步将在酶的筛选和降解酶系优化方面进行更深入工作，实现玉米纤维在不经预处理前提下的高效酶降解。
木质纤维素降解和转化长期以来都是微生物技术国家重点实验室的重要研究方向之一，已有60多年的研究历史，成果丰硕，其中曲音波教授选育的具有自主知识产权的草酸青霉目前已成为商业化生产纤维素酶的主要菌株之一，生产的纤维素酶已经被广泛应用于食品、纺织、饲料等众多行业。近年来，基于玉米种皮等纤维原料具有的丰富资源和广泛用途，团队进一步将木质纤维素原料扩展到种皮类纤维，开展了玉米纤维酶法降解和转化研究。这篇论文是团队在该领域研究的一个重要进展，拓展了人们对玉米种皮生物质结构和抗生物降解机制等的理论认知，拓宽了草酸青霉纤维素酶系的应用领域。论文提出的研究方法和基于结构特征构建高效降解酶系的理念也有望扩展到其它富含淀粉的种皮类生物质原料的降解转化。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.120820
