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近日，凱賽生物、華東理工大學(xué)鮑杰課題組、瑞典隆德大學(xué)合作在Biotechnology and Bioengineering上在線發(fā)表題為“Cyclic L-lactide synthesis from lignocellulose biomass by biorefining with complete inhibitor removal and highly simultaneous sugars assimilation”的論文。

課題組以小麥秸稈為原料在干法生物煉制過程平臺上生產(chǎn)高發(fā)酵指標(biāo)L-乳酸，經(jīng)常規(guī)純化后成功合成了復(fù)合高分子量聚乳酸聚合要求的高手性度L-丙交酯，從而為木質(zhì)纖維素原料產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)聚乳酸突破了關(guān)鍵的障礙。

該研究認(rèn)為，從纖維素L-乳酸合成高手性度丙交酯的主要障礙，除纖維素L-乳酸相對低下的發(fā)酵水平，是乳酸產(chǎn)品中抑制物殘余和殘?zhí)菍ζ涫中约兌群突瘜W(xué)純度的影響。抑制物殘余主要是殘余在乳酸發(fā)酵液中的呋喃醛、有機酸和酚醛殘?zhí)?/span>（木糖、阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖等非葡萄糖單糖）。這些殘余雜質(zhì)難以在常規(guī)純化中完全脫除，進而嚴(yán)重阻礙了纖維素L-乳酸的縮聚、解聚成L-丙交酯。

該研究中構(gòu)建了以干酸預(yù)處理-生物脫毒-高固含量同步糖化與共發(fā)酵為核心的干法生物煉制技術(shù)，以及耐高溫、高抗逆和開放發(fā)酵的乳酸片球菌工程，實現(xiàn)了木質(zhì)纖維素來源全部抑制物的完全和終極降解，以及全部單糖（葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖）以協(xié)同速率生成高手性純度的L-乳酸和D-乳酸，從而突破了抑制物徹底脫除和可發(fā)酵單糖完全轉(zhuǎn)化兩個關(guān)鍵障礙，首次從纖維素手性L-乳酸合成了高分子量聚乳酸的聚合單體手性L-丙交酯。

針對抑制物障礙，使用了一株前期工作篩選到的特異生物脫毒真菌樹脂枝胞菌Amorphotheca resinae ZN1，在完整保存發(fā)酵糖的前提下，選擇性地將呋喃醛（糠醛和5-羥甲基糠醛等）、有機弱酸（乙酸等）和酚醛抑制物（對羥基苯甲醛、香草醛和丁香醛等）完全轉(zhuǎn)化成CO2和H2O，殘余少量酚醛在后續(xù)純化中的脫色步驟完全脫除，從而解除了抑制物對于乳酸發(fā)酵和乳酸純度的影響。針對殘?zhí)钦系K，使用代謝工程構(gòu)建的乳酸片球菌工程菌Pediococcus acidilactici ZY271進行了高固含量麥稈的同步糖化共發(fā)酵，最終將木質(zhì)纖維素來源的葡萄糖和全部非葡萄糖單糖（木糖、阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖）轉(zhuǎn)化為高濃度和高手性度的L-乳酸（129.4 g/L、99.6%）。

纖維素L-乳酸的各項可量化技術(shù)指標(biāo)和排放指標(biāo)與玉米淀粉原料合成L-乳酸的指標(biāo)基本持平。獲得的纖維素L-乳酸經(jīng)過常規(guī)的固液分離、脫色、結(jié)晶、酸化和陽離子樹脂吸附后，在常規(guī)的辛酸亞錫催化下進行了解聚和縮聚反應(yīng)，成功合成了手性純度為98.99%的L-丙交酯。

之后該研究對合成的L-丙交酯進行了結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的表征，鑒定結(jié)果表明，合成的核磁共振氫譜、紅外光譜、熔點、元素含量、手性色譜等顯示的各項特征均與L-丙交酯標(biāo)品完全一致。

論文鏈接 

https://doi.org/10.1002/bit.28082

目前，聚乳酸的上游原料來自玉米等農(nóng)林資源，玉米秸稈如果能制造聚乳酸這，既可替代匱乏的傳統(tǒng)糧食資源，又可解決秸稈焚燒的污染問題，使可再生資源得到充分利用。

那么為什么玉米秸稈制聚乳酸為什么遲遲沒有項目落地，產(chǎn)業(yè)化過程中到底有何難處，工藝流程為何？

玉米秸稈為什么能夠制造聚乳酸？

傳統(tǒng)工藝是利用玉米、木薯等作物中的淀粉做生產(chǎn)原料，淀粉經(jīng)過糖化得到葡萄糖，再經(jīng)過菌種發(fā)酵制成高純度的乳酸。得到的乳酸通過直接縮聚法或間接縮聚法（即丙交酯開環(huán)聚合法），合成聚乳酸，目前工業(yè)上運用最多的是間接縮聚法。

而玉米秸稈的主要成分為纖維素( 32%～36%) 、半纖維素( 35%～40%) 及木質(zhì)素( 17%～20%) 。纖維素是由葡萄糖組成的大分子，多糖纖維素和半纖維素可以通過處理得到發(fā)酵原料—還原糖類，進而發(fā)酵生產(chǎn)乳酸。

秸稈生產(chǎn)乳酸的三個步驟

秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵制備乳酸的主要步驟為：植物纖維原料預(yù)處理→植物纖維原料水解→ 菌體消耗糖產(chǎn)乳酸→乳酸結(jié)晶純化。

1.預(yù)處理

自然界存在的天然植物纖維素原料的組成主要為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，而且其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。因而，受其自身結(jié)構(gòu)和木質(zhì)素、半纖維素對纖維素的保護作用，一般情況下纖維素的水解和發(fā)酵比較困難。預(yù)處理的目的就是脫除木質(zhì)素、半纖維素，降低纖維素的結(jié)晶度、增加原料疏松性。

預(yù)處理的方法主要有：物理法（如機械破碎、高溫分解）、化學(xué)法（酸處理、堿處理、臭氧法）、生物法（利用微生物分解木質(zhì)素）和綜合法（如二氧化碳爆破法）。對秸稈進行預(yù)處理能夠有效地促進糖的生成，提高酶水解生成糖的效率；有效降低糖的降解和損失，是玉米秸稈制造乳酸的關(guān)鍵步驟之一。

2.木質(zhì)纖維素原料水解

木質(zhì)纖維素原料一般常用的催化劑為無機酸、 酶。常溫常壓下進行濃硫酸水解，糖產(chǎn)率較高。而酶水解具有產(chǎn)物比較單一、糖濃度較高等優(yōu)點，是目前常用的主要水解方法。因木質(zhì)纖維原料的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了使酶與纖維素能夠有效地接觸，一般酶水解前都要對木質(zhì)纖維原料進行預(yù)處理。

酶反應(yīng)利用特定的處理酶，將纖維素轉(zhuǎn)化為糖。纖維素酶在溫度40℃~60℃ｐＨ 值4~5時效果最佳。有研究者采用離子束誘變選育木聚糖酶高產(chǎn)菌黑曲霉，將生物質(zhì)的秸稈轉(zhuǎn)化成了可用于工業(yè)生產(chǎn)的L-乳酸。纖維物質(zhì)的糖化率達到了79.5%。

濃酸水解則在較低的溫度下進行，一般72%硫酸、42%鹽酸、77%~83%磷酸溶液都可溶解結(jié)晶纖維素，在此溶解過程中纖維素也進行均相水解。濃硫酸水解能把90%左右半纖維素、纖維素轉(zhuǎn)化成可發(fā)酵糖，糖的回收率也很高。

3.發(fā)酵制備乳酸

發(fā)酵制備乳酸的方法有直接發(fā)酵法和同步糖化發(fā)酵法。

直接發(fā)酵法是對木質(zhì)纖維原料直接進行發(fā)酵，不存在酸解、酶解的預(yù)處理。直接發(fā)酵時的乳酸產(chǎn)量較低，容易生成一些副產(chǎn)物。有研究者的實驗表明，直接發(fā)酵產(chǎn)量低，如果采用0.3mol/L稀磷酸預(yù)處理纖維素廢棄物，之后用纖維素酶酶解60h，再把糖化液進行米根霉的發(fā)酵，乳酸的轉(zhuǎn)化率能達到20%左右纖維素原料酶解和乳酸發(fā)酵同時進行的發(fā)酵法為同步糖化發(fā)酵法，酶解生成物給發(fā)酵提供了碳源，發(fā)酵時可消耗掉纖維素分解的五碳糖、六碳糖，能提高整個生產(chǎn)效率。此法雖然對菌種的要求較高，但縮短了生產(chǎn)周期、節(jié)約了能源，還提高了菌種的利用率。

秸稈生產(chǎn)聚乳酸的難點

目前秸稈未得到有效的利用，理想的利用方式是使秸稈中的纖維素及半纖維素轉(zhuǎn)化為可利用的還原糖，進而發(fā)酵產(chǎn)酸。不同的酶添加量對秸稈的處理結(jié)果不同，酶添加量較低時，對秸稈的水解能力較弱，發(fā)酵液中的還原糖含量直接關(guān)系到發(fā)酵產(chǎn)酸的量，而目前對于秸稈發(fā)酵作為碳源的研究尚處于起步階段，并不能達到令人滿意的效果。

對此，有研究者指出，秸稈中不溶性糖含量較多，經(jīng)過纖維素酶的處理，水解才能得到大量的還原糖。而秸稈芯較全秸稈更適合作為發(fā)酵碳源的補充劑，但秸稈除壁留芯的過程又增加了生產(chǎn)成本，這是另一個需要面對的難點。