周娜娜，李冬敏，武國慶,2

(1. 中糧營養(yǎng)健康研究院 生物技術中心，北京 102209；2.國家能源生物液體燃料研發(fā)(實驗)中心，北京 100020)

在纖維素乙醇生產過程中，木質纖維素原料首先通過預處理打開其致密結構，隨后與纖維素酶充分接觸，將聚糖轉化成可發(fā)酵的單糖[1]。商業(yè)化的纖維素酶已經顯示出較高的水解活性，但在纖維素乙醇生產中的酶成本仍占總成本的20%～30%[2]，成為限制木質纖維素利用的關鍵因素之一[3]。因此，如何減少木質纖維素水解過程中酶用量成為業(yè)界研究的熱點。

近年來，相關研究多聚焦于通過提高酶促水解產率的方法來降低酶加量，如添加表面活性劑[4]、分批加入底物[5]或采用先進的反應器原位脫除產物以減輕抑制等[6-7]。然而這些方法仍未解決酶成本高的問題。Visser等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在水解完成后酶蛋白仍會保持較高活性，回用酶解終點的活性酶，可以有效降低新體系中的酶用量，從而降低整體的酶消耗量，因此酶回用被認為是一種有潛力的方法[9]。與木質纖維素水解相關的酶，特別是纖維素酶的循環(huán)使用一直被大家研究[10]，通常認為酶回用的效率與底物性質、酶種類及反應條件等密切相關。其中，底物性質取決于預處理的方式，不同的預處理方式對底物的結構特性會產生不同的影響，使得底物的纖維結構和木質素含量發(fā)生變化[11]，進而影響酶對于底物的吸附效果和酶回用的效率[12]。這些研究提出了多種酶回用的方法，部分方法有望應用于規(guī)?；a。

本文中，筆者分析了預處理方式對酶吸附的影響，闡述酶與底物吸附的機制，歸納影響酶與底物吸附的因素，并綜述多種酶的回用策略，從降低酶成本的角度探討酶回用在工業(yè)中的應用潛力，希望對纖維素乙醇行業(yè)的發(fā)展有所借鑒。

1 木質纖維素降解酶吸附機制及影響因素

木質纖維素降解酶在木質纖維素上的吸附和脫附是一個復雜的過程，不僅與底物結構及降解酶的吸附特性有關，而且還受到水解體系參數(shù)如pH、表面活性劑等的影響[13]。因此，深入理解木質纖維素降解酶在底物上的吸附脫附過程是實現(xiàn)酶回用的基礎。

1.1 預處理方式對于酶吸附的影響

木質纖維素是植物細胞壁的主要組成成分，主要包括纖維素(35%～50%)、半纖維素(20%～35%)和木質素(15%～20%)等[14]。纖維素的基本結構單元是微纖絲，由D-葡萄糖組成的均一無分支長鏈，葡萄糖單元間由β-1,4-糖苷鍵連接而成[15]。纖維素具有結晶結構，在天然狀態(tài)下呈現(xiàn)Ⅰα和Ⅰβ，而且兩者幾乎在所有天然狀態(tài)下都可共存[16](圖1(a))。半纖維素常常是高度分支的、有取代基的異質聚糖，在纖維素乙醇生產原料——農作物廢棄物的半纖維素結構中，木糖分子以β-1,4-糖苷鍵相互連接形成木聚糖骨架，側鏈含有L-阿拉伯糖、D-葡萄糖醛酸和4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸等[17](圖1(b))。木質素是一個復雜的網絡，由苯丙烷單元聚合而成，構成了木質纖維素最豐富的非糖組分，由愈創(chuàng)木基丙烷、對羥苯基丙烷和紫丁香基丙烷這3種基本的結構單元組成。(圖1(c))[15]，它們互相交織，形成抗降解的復雜網絡結構。

圖1 木質纖維素的主要組成成分

這種復雜的結構通常需要通過預處理來破壞，增加木質纖維素降解酶對底物的可及性[18]，進而實現(xiàn)木質纖維素原料的高值化利用。然而，不同的預處理方法對底物結構及組分變化造成不同的影響，如果改變底物的結構特性，則導致底物對降解酶的吸附呈現(xiàn)明顯的差異，最終影響酶解的效率。常用的纖維素預處理方法有很多，具有工業(yè)化潛力的主要有3種，即稀酸預處理、中性蒸汽爆破預處理和堿性預處理。稀酸預處理主要是去除半纖維素，而纖維素和木質素基本保留[19]，這就導致一部分纖維素酶會不可逆地吸附到木質素上，不但會降低纖維素的降解效果，而且也不利于酶的循環(huán)利用。中性蒸汽爆破預處理可以去除約50%半纖維素[20]及部分木質素，并導致部分纖維素結構重排[21]，這樣，降解酶吸附到木質素上的比例大幅度減少。堿性預處理可以改變纖維素晶型，并使大部分木質素溶解[19]，降解酶在纖維素和半纖維素水解完成后處于游離狀態(tài)。

Lu等[12]研究不同預處理方式對酶吸附的影響時發(fā)現(xiàn)，堿性汽爆與中性汽爆相比，預處理后物料的木質素含量由46.1%降至8.2%，在相同酶加量下可更快速被水解，且纖維素酶吸附比例減少。Qi等[22]對麥稈進行不同方式的預處理后發(fā)現(xiàn)：與堿性預處理相比，酸性預處理的物料木質素含量從20.5%降至3.6%；通過吸附等溫式分析發(fā)現(xiàn)，酸性預處理底物的酶吸附力是0.217 L/g，高于堿性預處理底物的0.138 L/g。這均說明預處理物料中木質素含量對于酶吸附有顯著影響。

1.2 木質纖維素降解酶的吸附機制

在發(fā)酵前，預處理物料中的成分主要為纖維素、部分半纖維素和木質素，其水解需要多種酶協(xié)同作用，包括纖維素酶、木聚糖酶及多種輔助酶類等[1,18]。

雖然纖維素結構單一，但是纖維素的降解需要多種纖維素酶的協(xié)同作用才能完成。降解纖維素的酶類主要包括纖維二糖水解酶(CBH)、β-1,4-內切纖維素酶(EG)和β-葡萄糖苷酶(BG)。CBH主要作用于纖維素結晶區(qū)的還原性或非還原性末端，產生纖維二糖單元；EG主要作用于纖維素的無定形區(qū)，在內部隨機切斷纖維素長鏈，并為CBH提供作用末端；BG主要將CBH產生的纖維二糖水解成葡萄糖[14]。輔助蛋白如膨脹因子(swollenin)、裂解多糖單加氧酶(LPMO)等分別通過剝離微纖絲束和氧化斷鍵打破纖維素的結晶結構，促進纖維素的降解[24](圖2)。

圖2 纖維素酶對于纖維素的協(xié)同降解[36]

大部分纖維素酶都由催化核心(CD)和碳水化合物結合模塊(CBM)組成[25]。纖維素酶吸附至不溶纖維素上，是反應的第一步，在這個過程中，CBM發(fā)揮著關鍵作用。CBM在降解結晶纖維素時，主要通過幾個芳香族氨基酸經π-電子相互作用和氫鍵相互作用吸附在底物上[26]，將CD區(qū)拉近至不溶性纖維素表面[27]。CD區(qū)通過芳香族和極性氨基酸與底物形成氫鍵和疏水相互作用，促使聚糖的糖苷鍵斷裂，發(fā)生水解。這些相互作用的強度決定了酶對于底物的吸附強弱[16]。與纖維素酶類似，LPMO也有CBM[16]，其CBM只起到輔助增強的作用[28]。纖維素酶和LPMO對纖維素的吸附是可逆的，且在酶分子與纖維素結合時需要纖維素的糖鏈具有一定的長度，當糖鏈水解至一定程度，酶的CD區(qū)就無法繼續(xù)與糖鏈結合從而自動解吸，重新釋放到水解體系中，吸附到其他的纖維素分子上繼續(xù)進行水解反應[29]。纖維素酶和LPMO同樣可以通過氫鍵、靜電或疏水相互作用吸附到木質素上[30-31]，由于木質素無法被纖維素酶降解，使得這種吸附作用不可逆，從而成為酶有效循環(huán)的最大障礙。但是，利用堿性亞硫酸鹽等預處理可以將木質素磺化成木質素磺酸鹽，成為一種表面活性劑，就可減少木質素對酶的無效吸附，有利于酶的脫附和循環(huán)利用[32]。

與纖維素酶結構類似，木聚糖酶不僅可以吸附在半纖維素上，還可以與纖維素和木質素結合[33]，CBM的存在可以增強這種吸附效果[34]。有些纖維素酶(如β-葡萄糖苷酶)不具有CBM，對于纖維素吸附較弱，只能作用于游離態(tài)的二糖單元。但也有些不含CBM的纖維素酶和木聚糖酶卻可以作用于纖維素上，而且對于木質素具有不同的親和力，這說明CBM不是影響吸附的唯一因素[35]，CD區(qū)在酶與底物結合時也發(fā)揮一定的作用。

1.3 影響酶與底物吸附的因素

除了受到底物性質和酶吸附特性的影響，酶的吸附和脫附過程還受到反應體系的pH、表面活性劑等因素的影響。

pH影響酶與底物的吸附狀態(tài)。pH的改變會使酶分子的氨基酸帶電荷狀態(tài)發(fā)生變化，從而導致酶分子的構象改變；同樣，木質纖維素底物上的活性基團也會因得到或失去質子而發(fā)生構象變化，影響酶在底物上的吸附[37]。當水解體系的pH為4～5時，酶分子在木質纖維素底物上吸附較多，而當pH調整為中性或堿性，則利于酶的脫附[38]，且吸附在木質素上的酶比纖維素上的更易被洗脫下來[39]。但是，通過調節(jié)pH來回收酶的方法受到酶的穩(wěn)定性的限制，因為通過此方法來回收得到的酶活性差異較大，有的可以回收74%的酶活性[40]，而有些回收的酶活性為10%左右[41]。

酶與底物的相互作用是一個動態(tài)過程，酶在底物上的吸附與脫附同時存在，表面活性劑如吐溫80(Tween 80)、聚乙二醇和牛血清白蛋白(BSA)等，可以與酶競爭性吸附到木質素上，減少木質素對酶的吸附，促進酶的脫附和循環(huán)利用[42-43]。但是，表面活性劑的使用也增加了成本，而且其效果依賴于底物種類和預處理的類型，通常在高木質素含量的底物水解時效果明顯，而低木質素含量的底物使用表面活性劑的效果就很微弱[44]。

2 酶回用技術

木質纖維素對底物的降解過程與酶在底物上吸附和脫附過程密切相關，酶吸附到底物上則開始水解，水解完成后脫附，再重新吸附到新底物上，進行下一輪水解。利用這一特性，在酶解反應結束后，將纖維素酶進行回用，有可能降低酶用量和使用成本。從纖維素乙醇的生產過程來看，在纖維素乙醇的酶解工段或發(fā)酵工段實施酶回用可以使得水解體系中相當比例的活性酶被重新利用[8]。目前研究及生產中應用的酶回用方法主要分為四類：酶解上清液回用、酶解殘渣回用、酶解液整體回用以及發(fā)酵醪液和蒸餾殘液的回用。

2.1 酶解上清液的回用

酶解上清液是指將纖維素乙醇酶解工段的酶解液通過離心或過濾方式將固液分離后得到的上清液。因此酶解上清液的回用主要通過兩種方式實現(xiàn)，一種是超濾回收上清液中的游離酶，另一種是利用新鮮底物吸附的游離酶進行回用。影響上清液回用的主要因素是纖維素和半纖維素的水解率，水解率越高，游離的纖維素酶和木聚糖酶就越多，越利于游離酶的回用。需要注意的是，如果將酶解液固液分離后的上清液直接循環(huán)使用，上清液中的糖對下一步水解起到明顯的抑制作用[45-46]。

Steele等[47]利用氨纖維爆破玉米秸稈進行酶回用研究時發(fā)現(xiàn)：結合超濾的方法可以回收60%～66.6%的纖維素酶、76.4%～88%的纖維二糖水解酶，循環(huán)3次后，葡萄糖產率仍可達到70%；同時，基于Aspen plus的工藝模型，將酶循環(huán)前后的總成本進行了比較，基于0.5美元/kg的酶價格、在酶加量15 FPU/g葡聚糖和纖維素酶且60%的酶活性能循環(huán)回用的條件下，成本降低約15%。Tu等[48]通過簡單的經濟分析模型進行酶回用的成本核算：假設酶回收過程不需要額外的資金和運營成本，纖維素酶再循環(huán)用于蒸汽爆破的美國黑松(SELP)為底物的連續(xù)兩輪水解，以纖維素酶成本為0.13美元/L乙醇、Tween 80價格為0.5美元/kg為前提，在SELP的水解中，乙醇成本降低8.6%。同樣Tu等[11]利用諾維信纖維素酶Cellulast 1.5L和杜邦Spezyme CP通過添加表面活性劑分別進行酶回用試驗，將吸附有游離酶的2%乙醇預處理美國黑松(EPLP)添加至含β-葡萄糖苷酶的緩沖液中并用于下一輪水解，纖維素酶Cellulast 1.5L和Spezyme CP可以循環(huán)3次而無明顯的水解率下降。此試驗的成本依賴于Tween 80和纖維素酶的價格：以纖維素酶成本為0.13美元/L乙醇、Tween 80價格為0.5美元/kg為前提，纖維素轉化率90%保持不變，生產1 L乙醇的Tween 80成本增加0.12美元，而酶成本減少0.1美元，總成本(不計算額外的回收成本)增加，故而此法不可取。Qi等[49]通過超濾膜篩選，選擇PES10超濾膜回收73.9%的纖維素酶，還利用納濾膜NF270將糖液從30.2 g/L濃縮至110.2 g/L，但是此試驗未考慮膜使用與酶回收的成本問題。

酶解上清液的回用可避免木質素的積累對酶活性的損害，為了使得上清液中含有更多游離酶，就需要確保底物的高水解率及低木質素含量。利用新鮮底物吸附或超濾的方法對于清液中的酶進行回用，雖然可以避免上清液直接回用而引入的糖抑制，但是需要重點考慮酶回用的成本是否被降低：在超濾回收酶的過程中需要核算節(jié)約的酶成本是否超過超濾膜成本，利用新鮮底物吸附酶的方法需要核算節(jié)約的酶成本是否可以彌補添加表面活性劑所產生的成本，同時還要考慮超濾引起的糖損失和超濾膜的回用次數(shù)。

2.2 酶解殘渣的回用

酶解殘渣的回用主要是纖維素乙醇酶解工段的酶解液經固液分離獲得固體殘渣的循環(huán)利用。通常酶解過程結束后，酶解體系中相當比例的纖維素酶存在于固體殘渣中，因此固體殘渣的循環(huán)可以達到較好的酶回收效果。

Xin等[50]將氨預處理的玉米秸稈水解殘渣直接回用，可節(jié)約諾維信纖維素酶Cellic CTec2用量30%；此試驗中假設纖維素乙醇生產中直接利用清液發(fā)酵，固液分離的成本可以忽略不計，依據(jù)Cellic CTec2生產乙醇的酶成本為每升0.13美元[51]，可降低酶成本0.04美元。但是，利用高速離心機來回收酶，離心條件是10 000g、10 min，一般工業(yè)離心機達不到這個離心系數(shù)，因此工業(yè)級的回用成本還需驗證。Weiss等[52]將稀酸預處理玉米秸稈水解72 h后固液分離，回用固體殘渣，初始固形物(TS)15%，固體殘渣85%循環(huán)3輪之后,在保持水解率不變的情況下可以節(jié)約用酶33%, 他們也是通過高速離心的方法回收酶，離心條件為4 000g、20 min，離心系數(shù)更接近與工業(yè)離心機，但考慮到工業(yè)中連續(xù)生產的情況，離心時間較長，因此還需縮短離心時間才能驗證回用方式是否可行。有專利提出，對生物質處理4～6 h，固液分離將吸附酶的固體流送回糖化單元，約70%的酶循環(huán)到新酶解系統(tǒng)中[53]，對于酶解殘渣的回用具有借鑒意義。

固體殘渣回用可以使未被水解的纖維素進入下一輪繼續(xù)水解，提高了底物的利用率[54-55]。但是，殘渣中木質素的積累會導致體系中可水解組分比例降低，而體系中固形物含量增加，則會影響攪拌和傳質，所以需要容積更大的反應器。Qi等[22]在測定循環(huán)后酶解體系的木質素含量時發(fā)現(xiàn)，酶循環(huán)3次后，酸性預處理底物中的木質素含量由20.7%升至27.6%，堿性預處理底物中木質素含量由3.7%提高至9.5%，相比之下，堿性預處理的木質素積累速度明顯較低。由此可見，酶解殘渣循環(huán)的酶回用方式更適用于偏堿性預處理的物料，這些物料中的木質素大部分被轉化為可溶性物質，解決了木質素積累的問題。此外，由于纖維素酶中的β-葡萄糖苷酶缺少CBM區(qū)，對于固體殘渣的吸附力較弱，因此固體殘渣的循環(huán)會導致此酶的缺失，在實際應用時還要視具體情況決定是否補加β-葡萄糖苷酶。

2.3 酶解液整體的回用

通常酶解液離心后，體系中添加的酶在上清液和固體殘渣中均有分布，為了有效地進行酶循環(huán)，甚至可將存在于酶解液中的酶全部循環(huán)利用[13]，即酶解液整體回用以提高酶的循環(huán)效率。

Tu等[56]采用諾維信纖維素酶Cellulast和Novozym188探索了吸附于殘渣中酶的最佳洗脫條件，并將洗脫的酶添加至含β-葡萄糖苷酶Novozym188的新酶解體系中，結合新鮮底物吸附，3輪水解后纖維素轉化率仍可達到88%，每次洗脫過程所需Tween 80約0.2 g，而纖維素酶Cellulast(51.4 FPU/mL)起始添加0.2 g，基于纖維素酶單價遠高于Tween 80，用等量的Tween 80替代纖維素酶是經濟的。但是，此研究中，他們沒有詳細核算操作成本。

對酶解液固液分離后上清液和固體殘渣中的酶均進行回用，可以提高回用效率，但是操作工藝要比單獨的酶解上清液或者固相殘渣循環(huán)更加復雜，最終的操作成本可能會更高。

2.4 發(fā)酵醪液及蒸餾殘液的回用

發(fā)酵醪液或蒸餾殘液的回用省去了離心步驟，如果在操作過程中只循環(huán)部分漿液，可減少能量消耗[1]。因為發(fā)酵醪液中含有較少的糖，對酶的影響較小，但是發(fā)酵產物乙醇對酶活性的影響需要考慮。

在工業(yè)生產中，整體發(fā)酵醪液的循環(huán)易于實現(xiàn)，醪液的循環(huán)使得水解體系的TS含量降低，乙醇濃度保持不變。在Inbicon的示范工廠中，將發(fā)酵醪液的20%在干物質含量為20.5%的酶解體系中回用，在保持纖維素轉化率和最終乙醇濃度不變的條件下，纖維素酶用量降低約5%[40]。在中試裝置上，發(fā)酵醪液在干物含量25%的酶解體系中回用，這使得體系中酶制劑Novozyme188和纖維素酶混合物的酶加量降為原始酶加量的59%和41%[57]。但是，對于發(fā)酵醪液循環(huán)而言，僅有部分醪液循環(huán)會導致可回用酶的比例減少[57]，而且醪液中乙醇含量、未發(fā)酵的木糖和木質素會對水解產生抑制作用[40,58]。為避免發(fā)酵產物對酶回用的影響，可以將乙醇蒸餾后的廢醪液進行循環(huán)利用。由于傳統(tǒng)的乙醇蒸餾工藝會使酶失活，因此，需要利用控制溫度低于60 ℃的減壓蒸餾發(fā)酵醪液，將蒸餾殘液導入酶解罐進行酶回用，循環(huán)1～2次，可降低酶用量20%～25%[59]。鮑杰等[60]利用間歇減壓蒸餾原位分離乙醇，并將蒸餾殘液循環(huán)至新體系進行同步糖化發(fā)酵，最終的乙醇產率提高18.3%。

發(fā)酵醪液和蒸餾殘液的部分回用在工業(yè)應用中易于操作，能回收和循環(huán)部分酶，顯著降低酶用量，但其經濟可行性仍需進一步驗證。

這4種酶回用技術對降低酶成本都起到積極的作用，基于現(xiàn)有研究，節(jié)約50%～60%甚至更多的酶是有可能的[1]。Gregg等[61]利用技術經濟性評價模型評估發(fā)現(xiàn)，采用酶回用可以使乙醇成本降低12%。Gomes等[62]研究認為，只要酶價格降低不少于34%，酶回用便經濟可行。在實際工業(yè)生產中，無論采用哪種酶回用技術都需根據(jù)實際情況而定，不同預處理方式得到的底物結構不同，從而影響酶回用方式的選擇。在選擇酶回用的方式時，需要考慮在實際的循環(huán)體系中是否包含抑制酶或酵母活性的物質，這些抑制物是否會積累，能否被去除。對于酸性或中性預處理的底物，酶解后固體殘渣木質素含量較高，不利于循環(huán)利用，可選擇酶解上清液回用；上清液回用需要較好的固液分離工藝，并結合新鮮底物吸附或膜濃縮來回收酶，不影響體系的干物含量，并能減少酶的抑制物。對于氨纖維爆破、氨水/NaOH蒸煮等堿性預處理方法，可以將底物中的木質素轉化成一種表面活性劑，減少酶的無效吸附[63]，可選擇酶解殘渣回用；這種循環(huán)通常需要定期清除固體殘渣來減少木質素的積累，并通過在每一輪循環(huán)中添加β-葡萄糖苷酶來彌補關鍵酶組分的損失。對于同步糖化發(fā)酵工藝，適用于發(fā)酵醪液或蒸餾殘液的循環(huán)，這一過程需要避免醪液中有機酸和其他發(fā)酵副產物等的積累[64]。此外，影響纖維素乙醇生產成本的因素很多[65]，如原料、預處理方式、酶回用增加的操作成本及酶回用節(jié)約的酶成本等，在測算成本時應綜合考慮這些因素。

3 結論與展望

在纖維素乙醇研究領域，酶循環(huán)利用已經研究了多年。酶回用技術可以在一定程度上減少纖維素乙醇的生產成本，主要分為酶解上清液回用、酶解殘渣回用、酶解液整體回用以及發(fā)酵醪液與蒸餾殘液回用4種方式。不同酶回用方式的選擇主要取決于物料預處理的方式、工藝可行性和操作成本。目前，這4種酶回用方式已經進行大量實驗室研究及初步的成本核算，但是仍需建立準確的技術經濟模型來評估可行性，為實現(xiàn)工業(yè)化應用奠定堅實可靠的基礎，更多新技術和新工藝的開發(fā)也將大大推動酶回用技術在纖維素乙醇生產中的應用。