通过低酶剂量的同时糖化与共发酵处理，对经过稀释酸预处理的玉米秸秆和木薯淀粉进行协同发酵，以增强Cutaneotrichosporon oleaginosum菌的油脂产量

生物通首页 > 今日动态 > 正文

通过低酶剂量的同时糖化与共发酵处理，对经过稀释酸预处理的玉米秸秆和木薯淀粉进行协同发酵，以增强Cutaneotrichosporon oleaginosum菌的油脂产量

时间：2026年2月2日

来源：Renewable Energy

编辑推荐：

玉米秸秆与木薯淀粉共预处理结合同步糖化与共发酵技术显著降低酶用量至1 FPU/g，实现12.7 g/L脂产及0.11 g/L/h脂产率，产物符合生物柴油标准。

冉书江|王亚楠|周文婷|钟天燕|吴波|程正才|龚志伟

武汉科技大学化学与化学工程学院，和平路947号，武汉430081，中华人民共和国

摘要

由于玉米秸秆的结构特性和相对较高的氮含量，在同时糖化与共发酵（SSCF）过程中补充额外的碳源可能有助于缓解糖分限制，并提高碳氮比，从而有利于产油酵母的脂质过量生产。本文首次描述了使用稀硫酸对玉米秸秆和木薯淀粉混合物进行共预处理，然后直接进行SSCF而不进行解毒处理，以用于Cutaneotrichosporon oleaginosum的脂质生产。通过稀酸共预处理，木薯淀粉几乎完全降解为可发酵糖类，为微生物提供了足够的初始糖源。使用40克/升玉米秸秆和40克/升木薯淀粉的混合底物进行共预处理和SSCF后，仅需1 FPU/克的酶剂量即可实现脂质生产，产脂量为12.7克/升，产脂速率为0.11克/升·小时。C. oleaginosum生产的脂质的生物柴油参数符合欧洲和美国生物柴油标准。本研究提供了一种新的组合策略，简化了工艺流程，降低了酶的使用量，并提高了脂质产量，对于脂质技术的商业化具有显著价值。

引言

微生物脂质是一种重要的油脂来源，可作为多不饱和脂肪酸、可可脂替代品、食品、油脂化学品和生物柴油的原料[1]。尽管作为生物柴油的原料，其工业化进程尚未实现。近年来，利用木质纤维素等廉价原料生产微生物脂质受到了广泛关注[2]、[3]。农业秸秆是一种产量高且价格低廉的木质纤维素生物质，例如玉米秸秆、小麦秸秆和稻草。其中，由于玉米秸秆含有较高的纤维素（35∼40%）和半纤维素（16∼35%）[4]，因此被广泛用于微生物脂质生产。主要的木质纤维素糖类（如葡萄糖和木糖）已被证实是有效的脂质生成碳源[5]。然而，由于其顽固的结构，在被产油酵母利用之前需要进行预处理和酶水解[6]。因此，从玉米秸秆制备微生物脂质的技术流程包括四个主要步骤：预处理、酶水解、脂质发酵和微生物脂质提取。化学预处理（如酸处理和碱处理）可能会产生抑制纤维素酶活性、细胞生长和脂质合成的有毒物质，通常需要在酶水解前进行额外的秸秆清洗和解毒步骤。通过稀酸预处理、生物解毒和酶水解得到的玉米秸秆水解物被用于Trichosporon cutaneum的脂质发酵，产脂浓度为3.11克/升[7]。而当使用稀酸预处理的玉米秸秆通过同时糖化与共发酵（SSCF）进行发酵时，产脂浓度仅为3.23克/升[8]。由于营养成分丰富，玉米秸秆水解物的碳氮摩尔比（C/N）较低（约30），直接利用时会导致发酵过程中脂质浓度较低[7]。同时，大规模生产微生物脂质也受到纤维素酶高成本的限制[9]。

为了提高木质纤维素生物质水解物的脂质生产性能，人们添加了多种碳源，包括甘油[10]、醋酸[11]和淀粉[12]。向生物质水解物中添加适量的碳源具有多重优势：首先，可以改变水解物的营养成分，提高C/N比，从而实现过量脂质积累并提高脂质产量；其次，适量的可发酵碳源可以消除SSCF模式下对快速水解的需求，使纤维素缓慢降解为单体糖类，最终被利用，从而降低酶的使用成本；第三，在保持总碳源恒定的情况下，添加某些碳源可以显著减少抑制剂浓度并减轻其对发酵的影响。Liu等人[13]报告称，将粗甘油与酸预处理后的水葫芦酶水解物混合后用于Cutaneotrichosporon oleaginosum的脂质发酵，结果呋喃和羟甲基呋喃（HMF）的浓度降低了15倍，脂质产量显著增加。

木薯是一种主要成分是淀粉的重要经济作物，广泛用于食品和乙醇生产[14]。木薯淀粉可通过酶水解或稀酸水解分解为葡萄糖[15]，可供产油酵母利用[16]。C. oleaginosum已被广泛研究用于利用包括玉米秸秆在内的廉价底物进行微生物脂质生产[11]、[17]。然而，玉米秸秆到脂质的转化技术存在一些问题，如工艺复杂、酶成本高以及水解物具有毒性。此外，玉米秸秆水解物的营养成分通常不适合脂质合成，导致脂质产量较低。为了解决这些问题，本研究对玉米秸秆和木薯淀粉的共底物进行了稀酸预处理，不仅破坏了玉米秸秆的结构，还直接将木薯淀粉水解为可发酵糖类。探讨了不同酸浓度和酶负荷对C. oleaginosum脂质积累的影响，并检测了预处理过程中产生的抑制剂及其在SSCF模式下的浓度变化。分析了C. oleaginosum制备的脂质的生物柴油特性。最终，通过使用稀酸预处理的共底物，C. oleaginosum在极低酶用量的条件下实现了高脂质产量。这项工作提出了一种简化工艺流程、降低酶使用量并提高低成本底物脂质产量的策略，为降低木质纤维素生物质用于脂质生产的成本提供了宝贵指导。

菌株和材料

本研究中使用了C. oleaginosum ATCC 20509菌株。该菌株保存在4°C的酵母提取物-蛋白胨-葡萄糖（YPD）琼脂斜面上，每月繁殖两次。

玉米秸秆来源于中国河南省的农村地区，粉碎后通过20目筛网筛选。然后用水清洗去除杂质，并在80°C下干燥至恒重。木薯淀粉来自广西宏丰淀粉有限公司。Cellic®CTec3是一种广泛使用的纤维素混合物

C. oleaginosum

利用玉米秸秆和木薯淀粉共生产脂质

SSCF在同一容器中结合了酶水解和发酵，与SHCF工艺相比，可以缩短工艺流程、减少酶的使用量并降低生产成本[8]、[21]、[24]。然而，SSCF初期酶水解产生的可发酵糖类有限，严重限制了细胞增殖和脂质合成[8]。稀酸预处理可以有效破坏玉米秸秆的结构并直接水解木薯淀粉

结论

通过C. oleaginosum对玉米秸秆和木薯淀粉混合物进行稀酸共预处理后再进行SSCF，仅添加1 FPU/克的纤维素酶即可实现高脂质产量。同时，预处理过程中产生的抑制剂在SSCF过程中迅速降解。C. oleaginosum制备的脂质的生物柴油参数符合欧洲和美国生物柴油标准。这种组合策略具有经济效益

作者贡献声明

冉书江：验证、软件、资源、调查、数据分析、数据整理。王亚楠：验证、资源、方法学、资金获取。周文婷：写作-审稿与编辑、初稿撰写、可视化、数据整理、软件、方法学、概念构思。钟天燕：资源提供。吴波：数据整理。程正才：方法学。龚志伟：写作-审稿与编辑、监督、方法学、资金获取、概念构思