印度Nims大学联合医学科学与技术研究所Priyanka Singh团队最新研究成果
Fermentative production of bioethanol using immobilized beads of Aspergillus terreus MZ769058
固定化土曲霉MZ769058微球发酵生产生物乙醇
原文链接
https://doi.org/10.1007/s43393-024-00272-w
棉质废料由于其纤维素含量较高，被认为是生产生物乙醇的优质原料。在可再生能源领域，利用微生物发酵技术将此类废料转化为生物燃料，是一种既环保又高效的方法。作者在本研究中使用一株A. terreus MZ769058通过固态发酵工艺成功将预处理后的棉质废料转化为生物乙醇。作者发现使用的菌株A. terreus MZ769058在无氧条件下对预处理的棉质废料进行发酵表现出很强的生物乙醇转化能力。作者通过海藻酸钠包埋法对该菌株进行固定化并进行接种，在棉质基质上发酵生物乙醇的产量为58.06 g/L。随后作者通过优化发酵条件，如培养基pH、温度、发酵时间及固定化微球的数量，进一步将生物乙醇产量提高至60.02 g/L。此外，作者通过响应面分析法，建立了基于发酵参数的二次模型，有效预测并验证了生物乙醇产量。最终，作者利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）对生物乙醇产品进行了深入分析，验证了其化学结构的特征。本研究中开发的固定化微生物技术，为未来工业规模生产生物乙醇提供了一种可行且有效的策略。
研究背景
在生物技术领域，一些微生物因其具有能分泌纤维素酶的特性，可以够将植物纤维素等生物质转化为乙醇、甲烷和丁醇等生物燃料。这些微生物包括多种细菌和真菌，在有氧和无氧条件下都能高效利用农业废弃物（如稻草、玉米秸秆等）生产生物燃料。而在这些廉价生物质中，棉布废料中的高纤维素含量使其成为生产生物乙醇的理想原料。为提高生产效率，研究者利用代谢工程和遗传工程技术对这一过程进行优化。此外，微生物固定化技术也已广泛应用于工业中，通过吸附、困锁等多种技术可以在不溶性基质上固定化微生物细胞，提高了生产流程的稳定性和效率。作者在本研究中，使用了一种新分离的土曲霉 A. terreus MZ769058，在优化的固定化条件下，通过固态发酵工艺从预处理过的棉布废料中生产生物乙醇，显示出这一技术的巨大潜力和实用价值。
科学发现
纤维素是植物细胞壁的主要结构成分，主要由超过8000个β-D-葡萄糖单元通过β-1,4-葡萄糖苷键连接而成。纤维素的结晶性质使得大多数微生物难以降解它。然而，一些真菌菌株能够通过分泌纤维素酶、内切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶等酶类混合物有效地将这些纤维素聚合物降解成葡萄糖单元。例如，Penicillium echinulatum、Trichoderma reesei、Trichoderma harzianum、Aspergillus phoenicis、Phanerochaete chrysosporium、Aspergillus niger 和 Petriella setifera 等真菌被报道为最常见的用于纤维素降解的菌株，可用于生产第一代生物燃料。作者在研究中，使用从拉贾斯坦邦Tonk的农田采集的土壤样本中分离出的A. terreus MZ769058来水解处理过的棉花废弃物进行生物乙醇的生产。作者利用从铁路垃圾场中收集并用洗涤剂彻底去除表面杂质的废弃的棉布作为底物进行生产，这些棉布被切成小块，并经过物理化学预处理，包括酸处理（稀硫酸）、碱处理（氢氧化钠）和热处理方法来将棉布中的纤维素聚合物转化为更易被处理的状态。此外，作者也通过水热处理进一步分解了木质素和半纤维素，以期进一步提高了生物乙醇的转化效率。
图一 发酵条件交互变量对土生酵母MZ769058生物乙醇活性的二维分析
作者还使用了统计工具来优化环境条件，如pH值、温度、发酵时间和固定化珠子的数量，以提高利用固定化珠子生产生物乙醇的效率（表一）。通过中心复合设计（CCD）矩阵预测了各变量及其交互作用的响应。回归模型证实了该模型对二次方程的适应性高，Fisher F检验值高，概率值低，并通过图形化视觉工具验证了预测值，以理解变量间相互作用对生物乙醇产量的影响（图一）。
表一 中心组合设计试验参数水平
随后，作者使用二次多项式模型分析纤维素降解过程，通过根据P值和F值评价温度与pH、细胞固定化微球与pH以及温度与发酵时间等关键变量的交互作用。这些变量的三维响应面图揭示了最佳条件下通过A. tereus MZ769058菌株在棉花废料中发酵生产生物乙醇的最优条件。作者基于考虑二次多项式方程设计了3D响应面图，以在最佳条件下实现生物乙醇的最大产量。响应面图中的高山区域表明这些变量对生物乙醇生产的显著影响较低。最终，作者分析发现固态发酵的最佳培养条件预测为pH 5、温度40°C、发酵时间48小时，以及固定化微珠的数量为15，而在这些优化条件下进行的实验生产的生物乙醇的产量为60.25 g/L。
图二 培养条件对MZ769058产生物乙醇影响的响应面
最后，作者通过FTIR光谱分析确定了标准乙醇和发酵液中产品的官能团。这些光谱确认了半纤维素和木质素之间以C-O-C键存在，具有1048.69 cm-1和1088.79 cm-1的特征吸收峰。此外，作者在固定化微珠的发酵液中发现FTIR光谱的尖峰峰值变化，表明半纤维素和木质素成分的变性，推测预处理有助于生物乙醇的生产。
图三 固定化MZ769058发酵液与乙醇FTIR光谱比较
总结展望
棉废料因高纤维素和低半纤维素、木质素含量，优于木质纤维原料，具有生产生物乙醇的潜力。作者分离的一株A. terreus MZ769058可以通过固态发酵将预处理过的棉布废料成功转化为生物乙醇。作者通过海藻酸钠固定化包埋菌株细胞进行发酵，可以生产出58.06 g/L的乙醇。优化发酵条件后，乙醇产量增加1.03倍。作者利用模型探究的最佳发酵条件是在pH 5.5的培养基质中接种20颗含固定化细胞的微珠、在温度30°C的条件下发酵48小时实现60.02 g/L生物乙醇的生产。同时作者，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征证实了发酵液中生物乙醇的芳香骨架振动和半纤维素分子中的乙酰基。作者推测结合优化策略，这种新的菌株在工业领域大规模生产乙醇方面有巨大潜力。
引用方式
Sahu, R.B., Singh, P. Fermentative production of bioethanol using immobilized beads of Aspergillus terreus MZ769058. Syst Microbiol and Biomanuf (2024). https://doi.org/10.1007/s43393-024-00272-w
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