纤维素水解液发酵生产氨基酸的研究进展

谢 慧，张周利，张 东，王怡沛，张宏森，毛国涛，王风芹，宋安东*

（河南农业大学 生命科学学院，河南 郑州 450002）

随着经济总量的迅速扩大，目前我国面临资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化的严峻形势。解决这一问题的方法之一，是合理开发生物质资源，尤其是储量丰富的可再生农业废弃物资源，发展农作物秸秆的高效转化技术，实现农作物秸秆的无害化与资源化利用。木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源，据估计，木质纤维素原料占世界生物质量（1.0×1010～5.0×1010t）[1]的40%～50%[2-3]，这些丰富而廉价的自然资源主要来源于农林业废弃物、工业废弃物和城市废弃物。这些资源除少量通过高温汽化、固化（成型）、液化（高温裂解）等技术能源化直接或间接作为饲料及用于农村炊事外，其余近75%[4]的比例闲置在田间地头，没有实现资源化利用。如果这些资源可以开发并且得到有效利用，将在很大程度上缓解我国资源紧张的矛盾。

我国农业生物质资源利用还处于起步阶段，这严重制约了我国丰富农业生物质资源对国家经济社会发展的支撑和保障作用，近年来，许多高校和科研院所相继开展了此领域的研究。研究者利用现代生物技术的手段，开展农业生物质资源转化为能源（如燃料乙醇、燃料丁醇、生物沼气、生物氢气、生物柴油等）、生物基产品（如聚乳酸（polylactic acid，PLA）、聚羟基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoates，PHA）、聚羟基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoates，PHA）和聚对苯二甲酸丙二酸酯（polypropylene terephthalate，PTT）等）、生物饲料、生物肥料和生物农药等的研究。这些研究取得了一定的理论、技术和工程的进步，但目前我国农业生物质资源的转化技术多处于实验室研究阶段，距大规模产业化生产尚具有较大的距离。因此，大力开展农业生物质资源转化研究是我国资源利用的重大基础和战略问题。

1 氨基酸的生产方法

氨基酸主要应用于饲料工业、医药工业、食品工业和化妆品行业，具有数十亿美元的市场[5]。目前中国已经成为氨基酸的生产和消费大国。据统计，2017年总产量约为542万t[6]，其中赖氨酸的产量达到193万t[7]，2019年中国赖氨酸出口达到88.8万t[8]。除了谷氨酸和赖氨酸占据氨基酸大部分市场份额外，氨基酸产品中发展最为迅速的是蛋氨酸、苏氨酸和色氨酸等。

氨基酸的生产方法主要是化学合成法、酶转化法、提取法和微生物发酵法。化学合成法能够合成几乎所有种类的氨基酸，但合成的产物中存在D-、L-两种旋光异构体，并且无法分离。其中D-异构体大多数的动物不能利用，因此不具备商业价值。而酶转化法原理是利用化学合成法制得的廉价中间体，借助酶的生物催化作用，使许多本来用发酵法或化学合成法生产的光学活性（具有不同旋光异构体）氨基酸具有工业生产的可能。但由于酶自身稳定性差，易发生其他反应，同时可产生大量无用的副产物，因此成本高，产率低。提取法是通过蛋白质水解来获得相应的氨基酸，工艺过程相对简单，但毕竟原材料来源十分有限，不适合大规模的工业化生产。目前全球氨基酸总产量的85%以上都是通过微生物发酵法生产，利用微生物发酵发生产氨基酸的种类较多，可获得L-精氨酸、L-瓜氨酸、L-谷氨酸、L-组氨酸、L-谷酰胺、L-异亮氨酸、L-亮氨酸、L-碳酸铵、L-鸟氨酸、L-谷丙酰胺、L-脯氨酸、L-苏氨酸、L-缬氨酸等[9]。

微生物发酵法生产氨基酸是利用微生物自身能够合成某种氨基酸的能力，通过对其进行物理及化学方法的诱变处理，选育出营养缺陷型或抗性的菌株，以获得某种氨基酸的高产菌株。1960年日本首先采用紫外诱变选育出一株谷氨酸棒状杆菌营养缺陷型菌株，从此拉开了工业化发酵生产L-赖氨酸的序幕。BECKER J等[10]通过广泛的工程设计，利用谷氨酸棒杆菌使赖氨酸的生产产量达到120 g/L；PARK S H等[11]对谷氨酸棒杆菌的代谢系统工程改造，通过5 L发酵罐发酵获得精氨酸的产量达到92.5 g/L；XU Q Y等[12]使用基因工程菌，通过真空蒸发除去乙酸和NH4+的方法控制发酵，使L-色氨酸的产量达到60.2 g/L。ZHOU H Y等[13]使用大肠杆菌MET-3，通过发酵优化控制，使蛋氨酸的产量达到12.8 g/L。目前通过发酵法生产氨基酸的菌株如表1所示，主要有谷氨酸棒状杆菌（Cornebacterium glutamicum）、大肠杆菌（Escherichia coli）、酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）、黄色短杆菌（Brevibacterium flavum）等[14-15]。

表1 目前主要氨基酸生产菌株Table 1 Main amino acid-producing strains

续表

2 纤维素水解液生产氨基酸的研究进展及存在问题

氨基酸行业是高粮耗的行业，发酵采用的碳源主要是淀粉原料，包括玉米淀粉、小麦淀粉等，如何解决氨基酸工业中碳源，同时又不与人争粮、不与人争地，成为摆在科研人员面前的艰巨任务。以农业废弃物为原料替代粮食作物进行氨基酸的生产，既不会改变现有土地的耕种现状又可以解决与人畜争粮的问题。而且对农业废弃物的利用能够增加相应农产品的附加值，并减少农业废弃物焚烧引起的环境污染。因此，如何利用农作物等纤维素原料进行氨基酸的发酵进行生产，也逐渐成为科研工作者研究的热点。

2.1 我国农业生物质资源概况

农业生物质资源主要包括农作物秸秆、农业加工剩余物和人畜粪便，其中秸秆是农业生产中产量最大的副产物。我国秸秆资源储量丰富，全国农作物秸秆总量从2002年的6亿t增加至2011年的7.4亿t，年均增加2.38%；2011年全国秸秆总量中，稻草27%、玉米秸秆27%、麦秸19%、甘蔗渣7%、油菜秸5%、豆4%、棉柴3%、花生秸2%、其他秸秆6%[16]。2015年全国理论资源量达到10.4亿t[17]，可以收集的资源量为9亿t[17]，其中玉米秸秆3.6亿t[18]，开发利用潜力巨大。此外，每年还产生2亿t林地废弃物[19]。农产品加工业副产品主要包括稻壳、玉米芯等，多来源于粮食加工厂、食品加工厂和酿酒厂等，数量巨大，产地相对集中，易于收集处理，其中中国每年花生壳的废弃物到500万t[20]，因此其更便于用作氨基酸发酵生产的原料。

2.2 木质纤维素的预处理

在木质纤维素原料中，纤维素和半纤维素被木质素紧密包裹，形成能够抵抗水解的复杂网状结构，因此在木质纤维素水解之前，需要对其进行预处理。目前预处理方法主要有：物理预处理法，化学预处理法，物理化学预处理法，生物预处理法。不同学者对甘蔗渣、高粱秸秆、玉米秸秆、稻草秸秆等进行了不同的预处理工艺研究，以此获得高浓度纤维素水解液。

AGUILAR R等[21]利用2%稀硫酸在高温下处理甘蔗渣24 min，约90%的半纤维素被水解，水解液含21.6 g/L木糖，3 g/L葡萄糖，3.65 g/L乙酸，以及少量的糠醛。同样的稀酸条件处高温处理高粱秸秆，处理时间延长到71 min，获得木糖产量为18.17 g/100 g（原料）；PRISTAVKA A等[22]研究通过蒸汽爆破预处理秸秆，在非连续搅拌反应器中，添加21%的秸秆固形物，并加入一定量的纤维素酶，获得总还原糖质量浓度达到160 g/L。

赵晶等[23]采用分批补料酶解工艺，添加20%的秸秆固形物，并加入一定量的纤维素酶，获得总还原糖质量浓度达到116.3 g/L，酶解得率达到80.1%。宋安东等[24]通过分批补料方式对稀酸水解的玉米秸秆和稻草秸秆进行糖化条件优化，72 h获得水解液中总还原糖含量达到138.5 g/L和84.22 g/L[25]。

2.3 抑制物的脱除

在当前的纤维素水解产业化探索中，经过预处理之后，都不可避免的产生各种抑制物，包括有机酸（包括甲酸、乙酸和少量的乙酰丙酸等）、糠醛、羟甲基糠醛、糖醛酸、己糖酸和芳香族化合物等[26]。目前用于脱毒处理纤维素水解液的方法，通常是活性炭、碱处理、离子交换等。金显春等[27]研究了有机酸、醛和酚类物质对汽爆玉米秸秆酶解的影响，结果表明有机酸中甲酸的抑制作用最强，乙酸最弱；酚类物中，香草醛的作用最强，丁香醛次之，4-羟基苯甲醛最弱。LEE J M等[28-29]的研究表明，使用2.5%的活性炭可以去除96%的5-羟甲基糠醛和93%的糠醛以及42%甲酸、14%乙酸，活性炭也可以去除色素等有害物质；GE J P等[30]用氢氧化钙过饱和处理玉米秸秆水解液，可以去除99%的糠醛、51.4%的乙酸以及16.7%的酚类物质；刘天成等[31]使用混合树脂床处理秸秆水解液，可去除96%的多酚类物质和94%的阳离子及96%的弱酸根离子。

2.4 糖化和发酵

木质纤维素原料的糖化与发酵主要有分步糖化与发酵（separate hydrolysis and fermentation，SHF）和同步糖化与发酵（simultaneous saccharification and fermentation，SSF）两种模式。

王灿等[32]通过敲除大肠杆菌工程菌mglB基因，构建双缺陷菌株JH-B6，降低混合糖发酵时常存在的葡萄糖效应，以水稻秸秆为原料，经过预处理、分步糖化和88 h发酵，L-丙氨酸的最大产量为98.4 g/L，糖酸转化率达到93.9%，较出发菌株JH-B3缩短了40 h。

CHEN Z Y等[33]以玉米秸秆为原料，经过干酸预处理、固态生物脱毒后，使用谷氨酸棒杆菌SIIM B253通过同步糖化发酵，在玉米秸秆固体含量为30%的条件下获得的L-赖氨最大产量为33.8 g/L。

2.5 纤维素水解液生产氨基酸的研究进展

近年来，许多研究者利用不同的农业废弃物，不同的微生物菌种，以及采用不同的生产工艺进行氨基酸的发酵，结果如表2所示。

表2 纤维素水解液生产氨基酸Table 2 Production of amino acids from cellulose hydrolysate

农业生物质中被用于氨基酸生产的原料有水稻秸秆及麸皮、玉米秸秆、甘薯渣、菠萝种子等，这些原料因其价格低廉、储备量大，受到了广泛的关注。玉米秸秆经稀酸处理后的液体中含有大量的葡萄糖和木糖，水稻秸秆经过稀酸预处理后的液体中含有大量的木糖，麦麸稀酸预处理后的液体中含有大量的木糖和阿拉伯糖，甘蔗渣的稀酸预处理液中含有大量的木糖。目前以玉米秸秆水解液为原料，L-赖氨酸产量为33.8 g/L[33]；以棉籽蛋白水解液为原料，其最高产量可以达到265 g/L[38]；ANUSREE M等[34]以菠萝种子水解液及甘蔗渣为原料，经响应面优化，在初始糖含量为7.5%，水分含量为70%的条件下，经72 h发酵，赖氨酸最大产量为16 mg/g干基质，这表明农业废弃物水解物可作为大规模生产氨基酸的替代原料。

目前利用纤维素水解液生产氨基酸的常用菌株有谷氨酸棒杆菌、北京棒杆菌或其诱变菌株。常用的诱变方法有紫外（ultra-violet ray，UV）诱变、硫酸乙二酯（diethyl sulfate，DES）诱变、亚硝基胍（nitrosoguanidine，NTG）诱变和常压室温等离子体（atmospheric and room temperature plasma，ARTP），其中ARTP是近年来发展起来的新型技术，在氨基酸高产菌株的选育上已经有了显著成效。郭燕风等[40]以黄色短杆菌Q-5为出发菌株，通过ARTP诱变赋予其新遗传标记3-ATrSucg，并提高了其原有遗传标记α-ABr（20～50 mg/mL）和Ethr（3～12 mg/mL）的耐受浓度，最终筛选出L-异亮氨酸产量较高的突变株ART-I，产酸量为（24.1±0.70）g/L，比出发株菌株提高了33.9%；张东[41]利用常压室温等离子技术，对菌株B413、B253进行诱变选育，在100 W，60 s的处理条件下进行十次连续诱变，分别获得高产菌株B413-ARTP-X-153和B253-ARTP-X-030，产量最大可达12.16 g/L和22.50 g/L，较未诱变菌株分别提高10.65%和72.94%。除了传统诱变之外，通过基因工程手段改造氨基酸的代谢通路的这种育种方法越来越受育种工作者的重视。徐建中[14]采用自己构建的方法过表达谷氨酸棒杆菌中L-赖氨酸生物合成途径中6个关键性酶基因，提高了L-赖氨酸生物合成途径中的代谢通量，发酵48 h后，L-赖氨酸盐酸盐最终产量达155.7 g/L，葡萄糖转化率达47.2%；周盛等[42]从大肠杆菌（E.coli）K-12中通过聚合酶链式反应（polymerase chain reaction，PCR）扩增出磷酸果糖激酶编码基因（pfkA），将其与表达载体pCMVTNTTMvector连接构建成重组质粒pKu-2，转化谷氨酸棒杆菌B10，并得到表达，从而解除了磷酸果糖激酶对已经改造的赖氨酸的整个代谢途径的限制。同时，转化菌对糖转化率比菌株B10高11.59%，产酸率高16.52%。

虽然以纤维素原料生产氨基酸还处于研究阶段，距离工业化生产还存在较大的差距，但是其巨大的生产潜力不能忽视。构建农作物秸秆高效利用的技术体系及其产业化是当前我国经济、社会发展的迫切需求，对全球资源与环境领域的技术进步也具有强大的推进作用。

2.6 纤维素水解液生产氨基酸存在问题

利用微生物发酵法生产氨基酸有着巨大的发展潜力。尤其是利用木质纤维素原料生产氨基酸不仅能解决农作物秸秆焚烧，随意堆放带来的一系列环境、安全等问题，而且还能解决淀粉质原料发酵L-赖氨酸替代品的问题。但目前，将木质纤维素原料进行大规模的工业化生产还存在很多问题。

（1）木质纤维原料的收集及储存

以农作物废弃物为代表的木质纤维素，分布分散，体积较大，具有季节性，不利于收集和长期储存，因此，需要找到合适的处理方法，比如压缩打捆、压缩成型等来减少空间，降低收集、储存和运输成本。

（2）木质纤维原料的预处理

目前大部分预处理技术仍停留在实验室阶段，尽管稀酸预处理、蒸汽爆破预处理具有可行性，但是处理成本高、转化效率低、特别是环境污染大是当前国内外预处理技术面临的主要瓶颈。因此，积极开发成本低、效率高、环境友好的新型预处理技术是木制纤维素高效、绿色转化的关键。MORTEZA H等[43]采用稀酸和酸化甘油（diluted acid acidcatalysed glycerol，DA-AG）两步法对甘蔗渣进行预处理，使葡聚糖的消化率达到99%，葡萄糖产量为91%。WANG Z M等[44]以FeOCl为催化剂，利用类芬顿预处理方法处理生物质，反应结束后的还原糖含量是未处理的3倍，节约了成本，有很高的利用价值。

（3）酶处理的成本较高

以玉米秸秆为原料，使用纤维素酶生产1 t葡萄糖，总的成本为3 400～4 500元[45]，其中纤维素酶的成本大概在1 200～2 000元[46]，而如果以淀粉为原料，酶的成本在60～70元[46]。再者玉米秸秆经过预处理和酶解后，其还原糖得率也只有56%[47]。LIN X L等[48]通过酶促水解木质素（enzymatic hydrolysis lignin，EHL）和聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）来制备木质素基聚氧乙烯醚来提高玉米秸秆的酶促水解效率，玉米秸秆经过72 h时的葡萄糖转化率达到70.1%；SONG H T等[49]以玉米秸秆为原料，使用混合纤维素酶和木聚糖酶，葡萄糖的转化率达到48.5%。总之，以玉米秸秆为原料生产葡萄糖，酶的成本高，还原糖得率低是目前的技术难题。而原料中糖浓度低势必导致发酵液中氨基酸的含量也不高。

（4）纤维水解液含有毒性物质抑制微生物的生长

纤维水解液含有毒性物质抑制微生物的生长，因此，合适的脱毒方法，或者耐受性菌株的选育将成为提高产量的关键。PALMQVIST E等[50]研究表明，水解液里面含有高毒性物质抑制微生物的生长的物质主要包括糠醛、5-羟甲基糠醛（hydroxymethylfurfural，HMF）、香兰素和丁香醛。目前使用多种脱毒技术，但是成本高，难以实现产业化应用。尽管生物法脱毒比较新颖，来解决纤维素水解液中毒物去除的难题，但该方法依然处于实验室研究阶段。

（5）全糖利用问题

木质纤维素经过预处理和酶解工艺，获得可发酵的水解液，其主要成分包含纤维二糖、己糖（葡萄糖、半乳糖和甘露糖）和戊糖（木糖和阿拉伯糖），多糖共存不利于氨基酸的发酵生产。因为氨基酸的主要生产菌谷氨酸棒杆菌，不能直接利用木糖和阿拉伯糖，因此构建能够利用全糖的菌株至关重要。SASAKI M等[51]构建的能够代谢纤维二糖和木糖的谷氨酸棒杆菌工程菌株，在葡萄糖存在的条件下也是同步利用3种碳源。这进一步证明通过工程菌改造的方法引入外源代谢途径，才能利用木质纤维素水解液中的己糖和戊糖共发酵进行氨基酸的发酵生产。

综上所述，目前以纤维素水解液为原料进行氨基酸的生产，菌株、酶制剂、原料、是所面临的关键难题，但是要突破其产业瓶颈，依赖于各个环节生产技术和工艺的共同进步。

3 展望及挑战

工业上用于生产氨基酸的主要原料是玉米、小麦、木薯等淀粉质原料，这些原材料每年价格浮动且远高于木质纤维素原料价格，且与“不与人争粮，不与粮争地”的国家政策相违背，因此急需找到这些原材料的替代品。而玉米秸秆、小麦秸秆等原料含有较高的木质纤维素成分，经高效的预处理、酶解后，可得到高浓度的可发酵糖。因此，用木质纤维素原料代替淀粉质原料生产氨基酸，不仅节约资源，响应国家政策，而且可避免农作物秸秆因无法处理而焚烧、随意堆放带来的环境污染问题。同时，也为木质纤维素合理利用，及氨基酸发展提供新的思路。

然而以纤维素水解液为原料生产氨基酸，其发酵水平距离工业化还有很大差距，面临巨大挑战，还需要从菌种改造、工艺优化、抑制物去除等方面进行突破。如①通过代谢工程改造提高菌株的发酵性能，包括增加氨基酸前提供应、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NADPH）的供应；②耐高温发酵菌株的筛选，进行同步糖化发酵，简化生产工艺；③对进化菌株进行基因组分析，结合生理代谢数据与测序结果，挖掘影响菌株生产氨基酸的关键基因或调控因子，为进一步的菌种改造和优化奠定基础。