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木质纤维素是地球上最丰富的可再生碳源，来源于农作物秸秆、林木残余以及草本植物，被认为是制备燃料乙醇和各类生物基化学品的重要原料。然而，将木质纤维素转化为可发酵糖一直是生物制造领域的难点，其中酶成本居高不下是产业化受限的核心瓶颈。纤维素酶降解效率低，尤其是 β-葡萄糖苷酶活性不足，导致糖得率有限，生产成本居高不下。如何实现高效、低成本的纤维素酶生产和高浓度糖液制备，成为推动生物基产业发展的关键问题。

山东大学钟耀华教授课题组在近期的研究中，系统性地解决了从诱导物合成、纤维素酶生产到高固含糖化的完整路径问题，提出了一种闭环循环体系，有效降低了酶成本并显著提高了糖浓度，展示出良好的工业应用前景。这一成果以“Achieving high-concentration lignocellulosic sugars by using theTrichoderma reeseistrain with high β-glucosidase activity for inducersynthesis and cellulase production”为题发表在 Chemical Engineering Journal 上。

研究团队首先通过基因工程改造里氏木霉，筛选出高水平分泌 β-葡萄糖苷酶的工程菌株。SCB18 株系在摇瓶发酵中表现突出，β-葡萄糖苷酶活性达到 103.2 IU/mL，是传统工业菌株 RUT-C30（0.5 IU/mL）的两百多倍，成为迄今为止里氏木霉中在批式发酵条件下酶活最高的菌株之一。这一改造得益于强启动子的应用和异源基因的高效表达，为纤维素酶高产提供了基础。

图 | 纤维素酶生产与木质纤维素糖制备摘要

在此基础上，研究团队进一步提出了利用粗酶液直接合成纤维素酶诱导物的思路。传统方法依赖昂贵的纯化酶进行转糖苷反应，成本高且操作复杂。该团队直接利用 SCB18 产生的粗酶液，在 65℃、pH 4.8 条件下进行反应， 24 小时即可将葡萄糖转化为 β-二糖诱导物，转化率接近 20%。这一策略不仅省去了纯化步骤，大幅降低了诱导物合成成本，还实现了酶生产与诱导物制备的有机结合。

在放大实验中，研究团队在 5L 发酵罐中通过优化诱导物投加速率，解决了因添加不足或过量导致的碳代谢受限问题。最终，纤维素酶体系的 FPase 活性达到 61.8 IU/mL，β-葡萄糖苷酶活性更是高达 2169 IU/mL，创造了新的发酵水平。这一结果表明，SCB18 不仅能高效分泌目标酶，还能在连续优化的发酵环境中维持高产状态。

研究的另一项亮点在于诱导物和酶的循环利用。实验表明，仅需回收 2.1% 的粗酶液，即可用于下一轮诱导物合成，且活性保持稳定。通过三轮连续循环，系统均能实现稳定的纤维素酶产出，从而构建起闭环式的生产模式。这种自给自足的体系为工业化应用降低了关键成本，推动了木质纤维素糖化工艺向绿色可持续方向发展。

在糖化环节，团队采用分批补料的方式逐步提升玉米秸秆的固含量，最终达到 35%，避免了高固体系常见的传质受限问题。糖化液中总糖浓度高达 144.5 g/L，其中葡萄糖和木糖的浓度分别为 90.9 g/L 和 53.6 g/L，完全满足工业发酵对高糖液的需求。高固含糖化策略不仅提升了底物利用效率，还显著提高了糖浓度，为下游燃料和化学品生产提供了理想原料。

图 | 通过 pH 缓冲、表面活性剂和粗发酵液利用实现高固含糖化优化，纤维素酶用量显著降低至 3 FPU/g DM

值得注意的是，研究团队还提出多策略协同降低酶用量的方法。通过在糖化过程中使用缓冲液维持酶稳定性，添加少量表面活性剂减少酶的无效吸附，并直接利用带菌渣的粗发酵液以避免额外分离步骤，成功将酶用量从 10 FPU/g DM 降低至 3 FPU/g DM，降幅约 70%。即使在低酶用量条件下，糖得率仍保持在 83% 以上。这一结果说明通过工艺优化完全可以在降低投入的同时维持高效转化，为产业化提供了切实可行的路径。

总体来看，该研究通过菌株构建、粗酶液催化、发酵优化、循环生产和高固含糖化等一系列策略，建立起一个完整的、经济高效的技术路线，系统性解决了木质纤维素精炼过程中的关键难题。其突出贡献在于将诱导物合成与纤维素酶生产耦合，并在循环体系中实现稳定运行，从而有效降低了整体成本。高固含糖化与酶用量优化进一步推动了高浓度糖液制备的实现，为下游燃料乙醇及其他生物基产品生产奠定了坚实基础。

这项工作展示了木质纤维素利用的可行性和经济性提升的可能性。未来，这一闭环生产体系不仅有望推广至乳酸、琥珀酸和生物塑料等生物基化学品生产，还可能成为绿色生物制造的重要支撑技术。随着进一步的工程优化和规模化验证，该体系有望为生物能源和可再生化学品产业的发展提供坚实动力。

参考链接：

1.Li K, Li R, Zhang J, et al. Achieving high-concentration lignocellulosic sugars by using the Trichoderma reesei strain with high β-glucosidase activity for inducer synthesis and cellulase production[J]. Chemical Engineering Journal, 2025: 167764.

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