近日，中国科学院过程工程研究所王岚研究员团队在《科学通报》发表了题为“面向单细胞蛋白生物制造的木质纤维素炼制技术”的综述论文，论述了木质纤维素原料用于单细胞蛋白等产品大规模生物制造过程面临的核心挑战以及关键技术突破，为发展非粮生物制造技术、推动单细胞蛋白产业变革提供了理论范式与实践参考。
生物制造在全球范围掀起了新一轮科技革命和产业变革。单细胞蛋白作为战略性生物基产品，不仅对于缓解国内饲料蛋白长期供应不足、减少大豆进口，而且对于发展未来创新食品、保障蛋白供应具有重要意义。然而，当前单细胞蛋白产业严重依赖糖蜜和粮食原料，糖料作物分布受限以及制糖行业的波动使得糖蜜难以支撑单细胞蛋白产业的大范围推广，而利用粮食更是存在“与人争粮、与粮争地”的严峻矛盾。发展木质纤维素等非粮原料（如秸秆）制备单细胞蛋白技术刻不容缓。
木质纤维素制备可发酵糖是发酵单细胞蛋白的基础，酶解糖化过程成本居高不下是限制当前木质纤维素资源应用于单细胞蛋白等产品生物制造的关键问题。究其原因，对原料组成的多层次复杂性及其与抗降解性的关系认知不足、纤维素酶用量居高不下以及高固酶解过程能耗问题难以解决是导致成本难题的关键。
木质纤维素天然存在复杂的“抗降解屏障”，这种抗降解屏障不只体现在分子和超分子结构层次，更首先体现在器官和组织层次。现有研究较多关注分子层面的差异性，但常常忽略组织层面的异质性。组织是植物体结构相似、功能相同的细胞的集合，是展现同类宏观性质的基本结构单元。生物质炼制的原料几乎全部属于维管植物，按其结构划分，大体上均由维管组织和薄壁组织构成。相比于维管组织，薄壁组织的纤维素含量、结晶度以及难于降解的纤维素Iβ晶型占比较低，半纤维素含量相对更高且聚合度较低，木质纤维素超分子结构也不如维管组织复杂致密。王岚研究团队基于生物质组织层面的异质性，相继开发出湿法“汽爆-水流分级”、半干法“汽爆-梳分分级”以及干法“质构分级”等一系列分级方法及其装备，解决了生物质不加分离全部酶解效率低下的问题，且联产维管组织级分可用于制备高强度生物基材料（CN 115889396 B）。
纤维素酶用量居高不下是制约秸秆糖成本的关键，纤维素酶成本往往占秸秆糖成本的50%甚至更高。氧化作用近年来被证明在降解木质纤维素中发挥重要作用，特别是降解前期。然而天然氧化酶成本高昂，若能采用化学氧化剂替代，将极大降低氧化酶的使用成本。芬顿试剂是指由亚铁离子和过氧化氢组成的高级氧化剂，具有氧化电位高、廉价易制取、反应条件温和的优势。实际上，自然界中的木腐真菌如白腐菌、褐腐菌就是采用类芬顿反应氧化降解木质纤维素原料。芬顿试剂预酶解协同高固酶解可降低75%纤维素酶用量，吨糖用酶成本降低30%。
图1 芬顿试剂协同酶解木质纤维素原料降低纤维素酶用量
(Wang Lan et al., Renewable Energy 2023; 211: 617–625, CN 115820765 B)
具有经济竞争力的非粮生物制造要求秸秆糖浓度需大于10%（w/v），对应的秸秆底物固形物含量应超过20%（w/w）。然而，由于高固体系黏度指数倍增，自由水几乎不存在，酶解体系中水分几乎全部以结合水和毛管水形态存在，导致传质受限，现有搅拌方式难以适应高固酶解体系。王岚研究团队借鉴反刍动物瘤胃消化运动方式，提出周期法向作用力强化高固酶解新思路。通过计算流体力学模拟分析，证明了周期蠕动产生的法向作用力使流体不仅能穿过颗粒，相比于搅拌剪切作用力，还能产生5倍的流体速度和25倍的流体压力。与传统搅拌相比，周期蠕动酶解能耗下降90%。在不延长酶解时间的情况下，分批补料后，固形物含量可高达50%，最终糖浓度超过300 g/L。
图2 周期蠕动对高固酶解过程酶解速率和能耗的影响
(Wang Lan, et al., Biochem Eng J 2022; 178: 108284, CN 101768539 B)
未来研究应着重加强两个方面的工作。一是深入探究各类木质纤维素的结构特性及其转化利用的基本规律。通过多学科交叉研究，全面解析木质纤维素原料的植物结构（植物学）、化学组成（纤维素化学）和多孔物理结构（固体力学）等特性。二是着重开展底物特异性的木质纤维素降解酶系复配机制研究。此外，鉴于木质纤维素作为固体物料的特性，采用固态发酵生产单细胞蛋白具有显著优势。应以木质纤维素固态发酵单细胞蛋白为研究起点，围绕木质纤维素高固酶解和周期刺激固态发酵工艺路线，开展菌种对糖液适配性、发酵过程调控以及产物在线分离纯化等核心技术的集成研究。
中国科学院过程工程研究所王岚研究员为论文通讯作者，博士生林雪城为论文第一作者。相关研究得到了国家自然科学基金（22478402）的资助。
林雪城，王岚，陈洪章. 面向单细胞蛋白生物制造的木质纤维素炼制技术. 科学通报, 2025
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