生物转化食用菌菌糠木质纤维素产燃料乙醇的研究进展*

虞志强，余水静，李昆太

1(江西农业大学生物科学与工程学院，江西南昌，330045)

2(江西理工大学 资源与环境学院，江西赣州，341000)

当前，世界各国对石油的需求量剧增，而石油作为一种不可再生资源，其供应日趋紧张，这使得开发可持续利用的替代性能源迫在眉睫。生物质发酵转化生产燃料乙醇是目前极具潜在发展前景的技术之一，已日益引起国内外的广泛关注［1-2］。目前，生物乙醇生产原料大多是可供食用的糖和淀粉类物质，如甘蔗、木薯、马铃薯、甜高粱等［3-6］，存在着与人争粮的潜在风险。因此，如何利用废弃的植物纤维类物质发酵生产燃料乙醇，成为了当前的研究热点。

食用菌栽培所用的原料与生物乙醇生产所用的植物纤维类原料大体相同，其主要组分为木质纤维素。许多食用菌为木腐菌类型的白腐真菌，其具备酶解纤维素、半纤维素、木质素等的能力。因此，利用食用菌栽培过程作为生物乙醇制备的微生物预处理过程，开展木腐型食用菌菌糠转化乙醇的研究，不但能有效解决废弃物菌糠的处理问题，而且也能提高生物乙醇产业的经济效益。

1 食用菌菌糠的基质特点及其在生物转化乙醇中的应用潜力分析

1.1 食用菌菌糠的基质特点

食用菌菌糠(SMS)又称为蘑菇渣、菇渣和菌渣等，是以棉籽壳、稻草、锯木屑、甘蔗渣、玉米芯、农作物秸秆以及工业废物(如醋糟、酒糟、制药厂黄浆液及造纸厂废液等)为主要原料栽培食用菌后的固体废弃培养基。

食用菌菌糠中的营养物质成分受多种因素的影响，例如栽培的菌种不同、栽培原料的组分不同、培养环境的条件等［7］。尽管食用菌菌糠组成成分差异很大，其基本成分主要包括:秸秆、木屑、干草、玉米芯等高木质纤维性物料，米糠、麦麸、畜禽粪便、尿素等养分调理性物料，以及石灰粉、石膏粉等pH调理性物料。此外，食用菌栽培过程中大量生长的菌丝体使菌糠中还含有丰富的蛋白质、多糖以及多种微量元素和活性物质［8］。

1.2 食用菌菌糠在生物转化乙醇中的应用潜力分析

随着各国食用菌产业的迅猛发展，食用菌子实体采收后产生了大量的菌糠。2012年全国食用菌总产量为2 827.99万 t［9］，这意味着2012年全国菌糠产量不少于2 000万t。但是目前只有少量食用菌菌糠被有效利用，绝大部分被作为废物直接弃置在自然界中［10-11］。这不仅造成了资源的浪费，而且还存在环境污染问题。

在食用菌栽培过程中，通过食用菌菌体的生物固氮作用、酶解作用等一系列生物转化过程，原料中粗蛋白质、粗脂肪含量均比发酵前提高2倍以上，纤维素、半纤维素、木质素等均已被不同程度地降解，其中粗纤维素降低50%以上，木质素降低30%以上，棉酚降低60%以上，同时还产生了多种糖类、有机酸类和生物活性物质［12］。另外，食用菌子实体采摘后，菌糠中残留有许多纤维素胞外水解酶［13］。例如，漆酶普遍存在于双孢蘑菇(Agaricus bisporus)、凤尾菇(Pleurotussajor-caju)、侧耳(P.ostreatus)、香菇(Lentinula edodes)、金针菇(Flammulina velutipes)和猴头菇(Hericium erinaceus)的菌糠中［14-16］。有研究表明，香菇菌糠中含有较高的α-淀粉酶(229 nkat/g)、纤维素酶(759 nkat/g)和β-葡萄糖苷酶(767 nkat/g)，金针菇菌糠中含有较高的木聚糖酶(119 nkat/g)［15］。凤尾菇菌糠中木质素过氧化物酶的含量最高，分别为β-葡萄糖苷酶、漆酶、木聚糖酶和纤维素酶的2倍、22倍、30 倍和86 倍［14］。

由此可见，基于食用菌菌糠主要含有的纤维素、半纤维素、木质素、抗营养因子和蛋白质(胞外纤维素降解酶类)等组分，其具备作为生物乙醇转化基质的潜力。例如有研究表明［17］，侧耳菌糠经过预处理和水解后，有＞98%的葡聚糖和75%的木聚糖被转化，可作为生物乙醇生产非常理想的潜在原料;香菇菌糠经过蒸汽爆破预处理、酶水解糖化和酵母发酵，获得乙醇的理论产量可达87.6%，即100 g香菇菌糠转化可获得 15.9 g 乙醇［18］。Cara等［19］研究表明，油橄榄树修剪枝经过蒸汽爆破预处理、酶糖化和酵母发酵，乙醇的转化率为64%。Sassner等［20］研究表明硫酸浸渍后的柳树经过蒸汽爆破预处理、酶糖化和酵母发酵，乙醇的转化率为79%。Asada等［21］研究表明，一次性白杨筷子经过蒸汽爆破预处理、酶糖化和酵母发酵，乙醇的转化率为79%。可见，食用菌菌糠木质纤维素在生物转化乙醇的应用上有着巨大的发展潜力。

2 目前利用食用菌菌糠生物转化乙醇的常用工艺及其特点

由于食用菌菌糠含有的成分以木质纤维素为主，其生物转化乙醇的工艺和木质纤维素产乙醇的发酵工艺基本相同。从木质纤维到乙醇的生物转化过程主要包括木质纤维素原料预处理，纤维素和半纤维素的酶解糖化和发酵，最后乙醇产品的回收纯化［22-23］。有意思的是，甚至有些木腐型食用菌可以直接将菌糠中纤维素降解转化生成乙醇。

2.1 食用菌菌糠(木质纤维原料)预处理工艺

木质纤维素原料是高度顽固且难以转换成可以被微生物发酵成生物燃料的单糖［24］的一类营养物质。木质纤维原料预处理是生物乙醇转化的第一步和最为关键的一步，同时也是耗费成本的一步［25-26］。预处理的主要目的是通过破坏木质素和半纤维素，来降低纤维素的结晶性，增加其多孔性，这样才能使酶制剂与纤维素充分接触，完成酶促反应［27］。目前较为常用的食用菌菌糠预处理方法有物理预处理、化学预处理和微生物降解三大类［28］。其中，水热预处理技术由于具有不需(或较少)添加化学品、较少产生发酵抑制物和污染物等优点，近年来广受国内外研究者的重视［29］。而微生物降解法具有能耗低、条件温和等优点［30］，不过周期太长，而且微生物分解木质素的同时也能产生纤维素和半纤维素酶，影响得糖率，有待于通过基因工程或代谢工程选育选择性更强的分解木质素的微生物［31］。

自然界中参与降解木质素的微生物种类主要真菌、放线菌和细菌等，而真菌是最重要的一类。值得注意的是，许多木腐型食用菌能够选择性高效降解植物纤维原料中的木质素［32-33］，可作为纤维素转化生物乙醇的预处理微生物菌种。例如，凤尾菇接种在固态洋麻杆培养基质中培养25～30 d后，木质素去除率可高达50.20%，有助于提高后续的洋麻纤维素酶水解效率［34］。另外有研究发现，食用菌侧耳的过氧化物酶基因失活会降低对木质素的降解能力［35］。

2.2 纤维素和半纤维素的酶解糖化和发酵工艺

纤维素的酶解糖化是一个复杂的过程，受到多种因素的影响。对预处理后的菌糠进行纤维素酶和木聚糖酶的水解，通过进行系统研究和工艺优化，达到菌糠的木质纤维素的最佳水解效果。近年来，研究者们［36］针对木质纤维素降解机制的当前理解，正试图往生产纤维素酶解糖化和木质纤维素的水解工艺伏化，以及产生纤维素酶的高效真菌菌株等方面进行努力。

利用微生物发酵木质纤维素原料生产乙醇的发酵工艺大致可以分为纤维素直接发酵、间接发酵、固定化细胞发酵、混合菌种发酵和同步糖化发酵(SSF)等［27］。同步糖化发酵的优点是酶解的产物葡萄糖可以立刻被酵母发酵生成乙醇，解除了葡萄糖对纤维素酶的反馈抑制，从而有利于纤维素酶水解反应顺利地进行，有效地提高了糖化和发酵的效率，但不足之处是糖化和发酵最适温度不同［37-38］。半同步糖化发酵(SSSF)包括了预糖化和SSF两个阶段，结合了间接发酵和SSF的优点，并可以在一定程度上弥补最适温度不同造成的反应不充分。有研究表明［39］，在SSSF工艺下的乙醇生产量和转化率明显高于同步糖化发酵。

2.3 食用菌直接降解菌糠转化生产乙醇

研究发现，有些木腐型食用菌可以直接将纤维素降解转化生成乙醇，如白腐菌金针菇能将D-葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、纤维二糖、纤维三糖、纤维四糖高效率地发酵转化为乙醇(理论回收率达到88%)，表明金针菇具有联合生物加工(consolidated bioprocessing)的有利特征［40］。通过金针菇全基因组测序与分析发现，金针菇含有木质素降解的69个真菌氧化木质素酶(FOLymes)、碳水化合物降解的392个碳水化合物活性酶(CAZymes)。此外，金针菇菌丝体内含有高度表达的58个醇脱氢酶基因(alcohol dehydrogenase genes)［41］，这进一步从分子水平证实了金针菇具有联合生物加工特征，可将纤维素降解转化生成乙醇。

2.4 新型生物技术在食用菌菌糠生物转化乙醇中的应用

快速生物转化与集成技术回收工艺(RaBIT)［42］是一种利用在纤维素生物质生物转化第二代燃料乙醇的新型生物技术。RaBIT能有效降低生物处理时间和生物催化剂成本，具有双重的优点。木质纤维素类生物质通过RaBIL进行生物转化，不仅能有效减少总的生物加工时间(酶解和发酵)，提高生物燃料生产效率，而且回收的生物催化剂(酶和微生物)可以进行下一个周期，有效节省生物催化剂成本。2012年Jin M等人［43］报道，据初步经济分析表明，RaBIT过程的五步再循环过程中节约了62%水解和发酵相关的投入成本及离心和过滤成本，并减少了38%酶的成本。由此可见，RaBIT工艺在食用菌菌糖生物转化燃料乙醇中具有良好的应用前景。

3 食用菌菌糠生物转化乙醇所存在的主要问题及其应用前景

3.1 食用菌菌糠生物转化乙醇所存在的主要问题

3.1.1 预处理工艺方面

高效率的预处理工艺是食用菌菌糠的降解转化乙醇的核心关键技术之一。研究表明［44］，稀酸、汽爆、水热、氨法等多种预处理技术都能使纤维素和半纤维素的水解转化率达到80%以上。高效水解转化率、较少产生发酵抑制物和污染物这将需要新的生物技术来解决提高效率的。食用菌栽培过程中对食用菌菌糠有效预处理将是未来对食用菌菌糠木质纤维素有效利用的一个关键技术。

3.1.2 纤维素酶生产技术方面

纤维素酶研究近年来不断有新的技术突破，特别是通过添加少量酶解协同因子，可使纤维素酶的酶解效率显著提高，酶用量和吨乙醇用酶成本显著降低。继续进行纤维素酶生产菌株的改造、提高纤维素酶发酵生产水平，以及建立纤维素酶的就地生产方式来减少酶制剂加工成本，仍是今后长时间内需要努力的方向［29］。

3.1.3 乙醇发酵菌种方面

由于具有优良的发酵能力和更好的耐受性，酿酒酵母是优选的工业微生物乙醇生产菌种。然而，啤酒酵母不能利用戊糖从木质纤维素材料的半纤维素释放，因而降低产乙醇的产率。另外，虽然酿酒酵母是健壮的，但它不能充分地抵抗从木质纤维素预处理的过程产生的抑制剂［45］。近年来，通过对菌株进行基因工程改造，已实现木糖-葡萄糖共发酵，木糖糖醇转化率已经接近葡萄糖，发酵醪液中乙醇浓度已基本满足工业化生产要求。但是，对高强度预处理后物料中的发酵抑制物具有抗性，并能直接高效地共发酵多种非发酵性糖类的菌株目前尚未经过工业规模的应用验证［29］。发酵菌株的发酵抑制物耐受性和多糖共发酵速率仍是重要的限制因素和研究重点。

3.2 食用菌菌糠生物转化乙醇应用前景

食用菌菌糠基质大多为植物纤维类物质，加之许多种木腐型食用菌本身就具备降解植物纤维的能力，因此利用食用菌菌糠开展生物转化第二代燃料乙醇的研究将具有广泛的开发和应用前景。寻求高效栽培预处理技术、高效的发酵工艺和乙醇生产菌种，一方面可降低木质纤维素预处理的成本，另一方面可有效解决废弃物菌糠的处理问题。利用食用菌菌糠中木质纤维类物质生物转化第二代燃料乙醇符合当前“不与人争粮、不与粮争地”原则，对解决目前的能源问题具有重要的现实意义。

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