今年以來，國內(nèi)造紙?jiān)牧蟽r(jià)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(chuàng)造更大價(jià)值，成為亟待解決的社會問題。
近日，中國科學(xué)院近代物理研究所研究員王曙陽團(tuán)隊(duì)經(jīng)過十余年攻關(guān)，在利用廢紙發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶研究方面取得新進(jìn)展。相關(guān)成果發(fā)表于《清潔生產(chǎn)雜志》。
“廢紙具有價(jià)格低廉、產(chǎn)生量大、來源廣泛、易獲取的優(yōu)點(diǎn)，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(fā)酵成本，還能實(shí)現(xiàn)廢紙資源的高值化利用?！蓖跏镪栐诮邮堋吨袊茖W(xué)報(bào)》采訪時(shí)說。
亟待尋找廉價(jià)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(yè)用酶制劑，在生物能源、食品、造紙、紡織洗滌、醫(yī)藥等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。然而，高昂的發(fā)酵成本成為其產(chǎn)業(yè)化道路上的“攔路虎”。
同樣，纖維素酶發(fā)酵成本高昂的問題也存在于青貯菌劑的生產(chǎn)過程中。
2008年，王曙陽團(tuán)隊(duì)在研究甜高粱青貯菌劑時(shí)發(fā)現(xiàn)，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(yǎng)成分的消化吸收。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，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(dǎo)性酶類，需要在纖維素酶發(fā)酵培養(yǎng)中加入纖維素類碳源，才能誘導(dǎo)纖維素酶蛋白的大量合成分泌。目前，發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶所用碳源一般為微晶纖維素或農(nóng)作物秸稈等商品。
起初，該團(tuán)隊(duì)使用的誘導(dǎo)性纖維素類碳源是購買的商品試劑微晶纖維素，但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖然其誘導(dǎo)發(fā)酵產(chǎn)酶效果較好，但發(fā)酵生產(chǎn)成本相對較高。
隨后，他們又選用了研究較多的農(nóng)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(fā)酵產(chǎn)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(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)酶，雖然發(fā)酵效果有了一定好轉(zhuǎn)，但堿處理過程繁瑣、成本高，反而增加了纖維素酶的生產(chǎn)成本。
通過前期的研究，王曙陽發(fā)現(xiàn)，不管使用商品微晶纖維素還是農(nóng)作物秸稈作為發(fā)酵碳源，纖維素酶的發(fā)酵生產(chǎn)成本都比較高，“必須尋找到新的最適且廉價(jià)的碳源種類”。
隨著環(huán)境污染和生態(tài)問題日益凸顯，王曙陽開始思考，廢紙不僅價(jià)格低廉，還有含量較高的纖維素成分，也許可以用作發(fā)酵碳源誘導(dǎo)纖維素酶的合成分泌。
帶著這樣的靈感，她帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)一頭鉆進(jìn)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(fā)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，硬紙板紙?jiān)?種廢紙?zhí)荚窗l(fā)酵中產(chǎn)酶效果最好。
“通過4種廢紙的結(jié)構(gòu)表征，我們發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)特性較其他類型廢紙更適合發(fā)酵產(chǎn)酶?！痹诮邮堋吨袊茖W(xué)報(bào)》采訪時(shí)，中國科學(xué)院近代物理研究所特聘研究助理董妙音說。
為了進(jìn)一步提高產(chǎn)酶效果，研究人員又有了新的想法——麩皮作為農(nóng)業(yè)加工副產(chǎn)物，含有一定量可溶性纖維寡糖，這種成分能夠有效誘導(dǎo)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(fā)酵產(chǎn)酶水平。
實(shí)驗(yàn)證明他們的設(shè)想是對的。當(dāng)把硬紙板紙與麩皮作為混合碳源混合發(fā)酵后，β—葡萄糖苷酶活最高可達(dá)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(dá)到399.74 IU/mL，較微晶纖維素碳源發(fā)酵酶活提高了16.51%。
使用廢紙作為碳源進(jìn)行纖維素酶生產(chǎn)，除了能獲得優(yōu)異的發(fā)酵效率，生產(chǎn)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(yù)處理副產(chǎn)物產(chǎn)生，操作簡單，綠色無污染。
“如果以農(nóng)作物秸稈作為發(fā)酵碳源，一般需要一定的預(yù)處理，這個過程中使用的強(qiáng)酸強(qiáng)堿不僅腐蝕設(shè)備，還污染環(huán)境。此外，預(yù)處理過程還會產(chǎn)生糠醛、乙酸及酚類化合物等抑制微生物發(fā)酵的副產(chǎn)物，對纖維素酶生產(chǎn)菌株生長和產(chǎn)酶過程產(chǎn)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(fā)酵效果，緣于中國科學(xué)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(xiàng)研究中使用的長枝木霉LC-M4產(chǎn)酶發(fā)酵菌株，正是經(jīng)過重離子束誘變選育的高產(chǎn)纖維素酶突變菌株，具有能夠同時(shí)表達(dá)分泌纖維素酶和半纖維素酶系的優(yōu)良性狀，可在纖維素類碳源誘導(dǎo)下同時(shí)進(jìn)行纖維素酶和半纖維素酶的發(fā)酵生產(chǎn)。
“由于纖維素酶合成分泌具有多組分協(xié)同表達(dá)及復(fù)雜的代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)特性，產(chǎn)酶絲狀真菌遺傳背景不清楚，使得重離子束輻照誘變在產(chǎn)酶菌株的育種工作中具有明顯的優(yōu)越性?！蓖跏镪柛嬖V記者。
實(shí)際上，在這項(xiàng)漫長的研究過程中，除了需要攻克技術(shù)難題，還需要克服人員緊缺和經(jīng)費(fèi)緊張等困難。
“循環(huán)經(jīng)濟(jì)的投資很大，與企業(yè)對接轉(zhuǎn)化也需要很多資金投入，在最困難的時(shí)候，我們也曾猶豫是否應(yīng)該換個方向，但想到這項(xiàng)研究對整個生態(tài)環(huán)境和循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有重要意義，還是頂住壓力堅(jiān)持下來了?！蓖跏镪柣貞洉r(shí)感慨道。
接下來，該團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步馴化發(fā)酵生產(chǎn)菌株，提高其在廢紙?zhí)荚窗l(fā)酵中的生產(chǎn)效率和水平，進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)酵體系和條件。此外還將與纖維素酶生產(chǎn)企業(yè)和廢紙回收企業(yè)進(jìn)行深入交流和合作，充分了解企業(yè)目前的需求和困難，進(jìn)行現(xiàn)有廢紙產(chǎn)纖維素酶工藝優(yōu)化，盡快促進(jìn)研究成果的轉(zhuǎn)化與應(yīng)用。
來源：《中國科學(xué)報(bào)》
