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    循環經濟
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    “破爛兒”廢紙迎“酶”好市場

    來源:中國科學報 作者:田瑞穎 發布時間:2021-07-19 16:15:39 瀏覽次數: 【字體:

    研究人員在做實驗。 中科院近代物理所供圖

    今年以來,國內造紙原材料價格大幅上漲,與造紙配套的化工物料成本甚至翻了一番。而廢紙作為一種長期被忽視的資源,如何高效利用以創造更大價值,成為亟待解決的社會問題。

    近日,中國科學院近代物理研究所研究員王曙陽團隊經過十余年攻關,在利用廢紙發酵生產纖維素酶研究方面取得新進展。相關成果發表于《清潔生產雜志》。

    “廢紙具有價格低廉、產生量大、來源廣泛、易獲取的優點,用廢紙做碳源的成本只有微晶纖維素碳源的1/10左右,不僅可以有效降低纖維素酶發酵成本,還能實現廢紙資源的高值化利用?!蓖跏镪栐诮邮堋吨袊茖W報》采訪時說。

    亟待尋找廉價碳源

    纖維素酶是繼淀粉酶和蛋白酶之后的全球第三大工業用酶制劑,在生物能源、食品、造紙、紡織洗滌、醫藥等領域有廣泛應用。然而,高昂的發酵成本成為其產業化道路上的“攔路虎”。

    同樣,纖維素酶發酵成本高昂的問題也存在于青貯菌劑的生產過程中。

    2008年,王曙陽團隊在研究甜高粱青貯菌劑時發現,甜高粱飼草中性洗滌纖維含量比較高,這影響了甜高粱青貯飼料的適口性和營養成分的消化吸收。該團隊發現,如果加入一定比例的高活性纖維素酶,就可以在青貯過程中降低甜高粱青貯飼料中不易消化吸收的纖維含量。

    纖維素酶系是一種底物誘導性酶類,需要在纖維素酶發酵培養中加入纖維素類碳源,才能誘導纖維素酶蛋白的大量合成分泌。目前,發酵生產纖維素酶所用碳源一般為微晶纖維素或農作物秸稈等商品。

    起初,該團隊使用的誘導性纖維素類碳源是購買的商品試劑微晶纖維素,但實驗發現,雖然其誘導發酵產酶效果較好,但發酵生產成本相對較高。

    隨后,他們又選用了研究較多的農作物秸稈廢棄物,包括玉米秸稈、玉米芯、甜高粱秸稈和甜高粱榨汁后的渣等,但發酵產酶效果均不理想。為此,他們又將堿處理后的秸稈作為碳源進行發酵產酶,雖然發酵效果有了一定好轉,但堿處理過程繁瑣、成本高,反而增加了纖維素酶的生產成本。

    通過前期的研究,王曙陽發現,不管使用商品微晶纖維素還是農作物秸稈作為發酵碳源,纖維素酶的發酵生產成本都比較高,“必須尋找到新的最適且廉價的碳源種類” 。

    隨著環境污染和生態問題日益凸顯,王曙陽開始思考,廢紙不僅價格低廉,還有含量較高的纖維素成分,也許可以用作發酵碳源誘導纖維素酶的合成分泌。

    帶著這樣的靈感,她帶領團隊一頭鉆進了“廢紙”里。

    “破爛兒”廢紙成“主角”

    廢紙有很多種類,研究人員首先要做的是從眾多廢紙種類中找到發酵效果最好的。他們先后選取了辦公廢紙、餐巾廢紙、雜志紙和硬紙板紙4類,結果發現,硬紙板紙在4種廢紙碳源發酵中產酶效果最好。

    “通過4種廢紙的結構表征,我們發現硬紙板紙表面纖維束松散開裂且粗糙,并且X衍射分析中只有硬紙板紙檢測到碳酸鈣成分。因此,我們推測硬紙板紙的這種成分組成和結構特性較其他類型廢紙更適合發酵產酶?!痹诮邮堋吨袊茖W報》采訪時,中國科學院近代物理研究所特聘研究助理董妙音說。

    為了進一步提高產酶效果,研究人員又有了新的想法——麩皮作為農業加工副產物,含有一定量可溶性纖維寡糖,這種成分能夠有效誘導纖維素酶和半纖維素酶的分泌,如果與硬紙板紙一起作為混合碳源,也許能提高發酵產酶水平。

    實驗證明他們的設想是對的。當把硬紙板紙與麩皮作為混合碳源混合發酵后,β—葡萄糖苷酶活最高可達0.80 IU/mL,比硬紙板紙單一碳源酶活提高了56.86%;外切葡聚糖酶活、濾紙酶活和木聚糖酶活(Xyl)也有了一定的提高,其中Xyl達到399.74 IU/mL,較微晶纖維素碳源發酵酶活提高了16.51%。

    使用廢紙作為碳源進行纖維素酶生產,除了能獲得優異的發酵效率,生產成本也只有微晶纖維素碳源的1/10左右。不僅如此,整個過程無預處理副產物產生,操作簡單,綠色無污染。

    “如果以農作物秸稈作為發酵碳源,一般需要一定的預處理,這個過程中使用的強酸強堿不僅腐蝕設備,還污染環境。此外,預處理過程還會產生糠醛、乙酸及酚類化合物等抑制微生物發酵的副產物,對纖維素酶生產菌株生長和產酶過程產生不利影響?!倍钜舾嬖V記者。

    特色研究助一臂之力

    在王曙陽看來,整個研究工作能取得令人驚喜的發酵效果,緣于中國科學院近代物理研究所有著近40年歷史的特色研究方向——重離子束輻照誘變育種。

    此項研究中使用的長枝木霉LC-M4產酶發酵菌株,正是經過重離子束誘變選育的高產纖維素酶突變菌株,具有能夠同時表達分泌纖維素酶和半纖維素酶系的優良性狀,可在纖維素類碳源誘導下同時進行纖維素酶和半纖維素酶的發酵生產。

    “由于纖維素酶合成分泌具有多組分協同表達及復雜的代謝調控網絡特性,產酶絲狀真菌遺傳背景不清楚,使得重離子束輻照誘變在產酶菌株的育種工作中具有明顯的優越性?!蓖跏镪柛嬖V記者。

    實際上,在這項漫長的研究過程中,除了需要攻克技術難題,還需要克服人員緊缺和經費緊張等困難。

    “循環經濟的投資很大,與企業對接轉化也需要很多資金投入,在最困難的時候,我們也曾猶豫是否應該換個方向,但想到這項研究對整個生態環境和循環經濟具有重要意義,還是頂住壓力堅持下來了?!蓖跏镪柣貞洉r感慨道。

    接下來,該團隊將進一步馴化發酵生產菌株,提高其在廢紙碳源發酵中的生產效率和水平,進一步優化發酵體系和條件。此外還將與纖維素酶生產企業和廢紙回收企業進行深入交流和合作,充分了解企業目前的需求和困難,進行現有廢紙產纖維素酶工藝優化,盡快促進研究成果的轉化與應用。

    終審:甘肅省科協信息中心采編部
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