天科大马晓军/李冬娜等 Biotechnol. Adv. 综述：木质纤维素生物质生产聚羟基脂肪酸酯的进展及展望

2025-01-02 来源：高分子科技

木质纤维素生物质（LB）是一种极具潜力的生产聚羟基脂肪酸酯（PHA）的原料。它可再生、经济高效，且不与粮食竞争，为实现循环生物经济提供了有力支持。利用木质纤维素生物质合成PHA，不仅有助于降低生产成本，还能够减少对环境的负面影响，展现出作为传统塑料替代品的巨大应用潜力。

近日，天津科技大学教授马晓军和李冬娜团队在《Biotechnology Advances》上发表了题为“Lignocellulosic biomass as promising substrate for polyhydroxyalkanoate production: Advances and perspectives”的综述文章。文章总结了近年来在使用低成本LB作为潜在原料进行PHA生物合成方面的研究突破；重点阐述了PHA生物合成的代谢机制、途径及关键酶，并提供了改进微生物生产能力和发酵代谢工程的见解；此外，该工作还介绍了PHA生产的生命周期评估和技术经济分析；最后提出了LB与其他碳源共同发酵、集成工艺开发和共同生产策略的发展方向，以降低PHA生产成本和有效增值废物。

随着化石资源的枯竭、全球变暖以及传统石油基塑料对环境的不利影响，迫切需要寻找可再生资源和创新的生物降解材料。木质纤维素生物质（LB）作为一种高度有前景、可持续且环保的方法，用于积累PHA（图1），完全避开了“与粮食竞争”的问题。这种可持续且经济高效的原料有潜力降低PHA生产成本，推动其竞争性商业化，并支持循环生物经济的原则（图2）。

图1. PHA的生产工艺、单体结构和应用

图2. LB到PHA生产的循环生物经济过程

2.LB三大组分合成PHA的进展及代谢途径

一般来说，通过预处理获得的富含发酵糖的LB水解液能更有效地被微生物利用。研究表明，不同的预处理方法，如物理、化学、物理化学和生物预处理及其组合（图3），可以显著提高LB水解液的糖含量，但预处理过程中通常伴随着有毒抑制剂的产生。因此，开发结合多种预处理方法的综合技术，以及利用耐受菌株或生物方法解毒LB水解液中的抑制物，将是未来研究的重点。

图3. 提高LB中可发酵糖可用性的预处理方法

以LB衍生的可发酵糖（C5和C6）为前体，通过多种代谢途径，如糖酵解、三羧酸（TCA）循环、丙酸依赖性、丙酸非依赖性、柠檬酸盐和氨基酸生物合成等，可以产生不同的PHA单体结构（图4）。然而，木质素由于其复杂和高度可变的结构，需要转化为代谢中间体，如4-羟基苯甲酸（4-HBA）、对香豆酸、香草酸等，才能用来合成PHA（图5）。

图4. LB衍生的可发酵糖合成PHA的多种代谢途径

图5. LB衍生木质素合成PHA的代谢途径

该文章提出了木质纤维素生物质作为底物合成PHA面临的挑战和未来的发展方向，具体包括以下几个方面：（1）LB与其他碳源结合的共底物发酵（2）将预处理、糖化、发酵、提取和回收结合的集成工艺开发（3）与PHA共同生产氨基酸、氢气和生物乙醇等的共生产策略（4）先进的生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）工具的运用（5）具有独特性能的非天然PHA的生产。

文章第一作者为天津科技大学李冬娜副教授，通讯作者为天津科技大学马晓军教授，青海理工学院尹芬副教授，齐鲁工业大学王强教授。其中，中国热带农业科学院的学者参与了部分工作。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2024.108512

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（责任编辑：xu）

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