研究人员在做实验。 中科院近代物理所供图

今年以来，国内造纸原材料价格大幅上涨，与造纸配套的化工物料成本甚至翻了一番。而废纸作为一种长期被忽视的资源，如何高效利用以创造更大价值，成为亟待解决的社会问题。

近日，中国科学院近代物理研究所研究员王曙阳团队经过十余年攻关，在利用废纸发酵生产纤维素酶研究方面取得新进展。相关成果发表于《清洁生产杂志》。

“废纸具有价格低廉、产生量大、来源广泛、易获取的优点，用废纸做碳源的成本只有微晶纤维素碳源的1/10左右，不仅可以有效降低纤维素酶发酵成本，还能实现废纸资源的高值化利用。”王曙阳在接受《中国科学报》采访时说。

亟待寻找廉价碳源

纤维素酶是继淀粉酶和蛋白酶之后的全球第三大工业用酶制剂，在生物能源、食品、造纸、纺织洗涤、医药等领域有广泛应用。然而，高昂的发酵成本成为其产业化道路上的“拦路虎”。

同样，纤维素酶发酵成本高昂的问题也存在于青贮菌剂的生产过程中。

2008年，王曙阳团队在研究甜高粱青贮菌剂时发现，甜高粱饲草中性洗涤纤维含量比较高，这影响了甜高粱青贮饲料的适口性和营养成分的消化吸收。该团队发现，如果加入一定比例的高活性纤维素酶，就可以在青贮过程中降低甜高粱青贮饲料中不易消化吸收的纤维含量。

纤维素酶系是一种底物诱导性酶类，需要在纤维素酶发酵培养中加入纤维素类碳源，才能诱导纤维素酶蛋白的大量合成分泌。目前，发酵生产纤维素酶所用碳源一般为微晶纤维素或农作物秸秆等商品。

起初，该团队使用的诱导性纤维素类碳源是购买的商品试剂微晶纤维素，但实验发现，虽然其诱导发酵产酶效果较好，但发酵生产成本相对较高。

随后，他们又选用了研究较多的农作物秸秆废弃物，包括玉米秸秆、玉米芯、甜高粱秸秆和甜高粱榨汁后的渣等，但发酵产酶效果均不理想。为此，他们又将碱处理后的秸秆作为碳源进行发酵产酶，虽然发酵效果有了一定好转，但碱处理过程繁琐、成本高，反而增加了纤维素酶的生产成本。

通过前期的研究，王曙阳发现，不管使用商品微晶纤维素还是农作物秸秆作为发酵碳源，纤维素酶的发酵生产成本都比较高，“必须寻找到新的最适且廉价的碳源种类” 。

随着环境污染和生态问题日益凸显，王曙阳开始思考，废纸不仅价格低廉，还有含量较高的纤维素成分，也许可以用作发酵碳源诱导纤维素酶的合成分泌。

带着这样的灵感，她带领团队一头钻进了“废纸”里。

“破烂儿”废纸成“主角”

废纸有很多种类，研究人员首先要做的是从众多废纸种类中找到发酵效果最好的。他们先后选取了办公废纸、餐巾废纸、杂志纸和硬纸板纸4类，结果发现，硬纸板纸在4种废纸碳源发酵中产酶效果最好。

“通过4种废纸的结构表征，我们发现硬纸板纸表面纤维束松散开裂且粗糙，并且X衍射分析中只有硬纸板纸检测到碳酸钙成分。因此，我们推测硬纸板纸的这种成分组成和结构特性较其他类型废纸更适合发酵产酶。”在接受《中国科学报》采访时，中国科学院近代物理研究所特聘研究助理董妙音说。

为了进一步提高产酶效果，研究人员又有了新的想法——麸皮作为农业加工副产物，含有一定量可溶性纤维寡糖，这种成分能够有效诱导纤维素酶和半纤维素酶的分泌，如果与硬纸板纸一起作为混合碳源，也许能提高发酵产酶水平。

实验证明他们的设想是对的。当把硬纸板纸与麸皮作为混合碳源混合发酵后，β—葡萄糖苷酶活最高可达0.80 IU/mL，比硬纸板纸单一碳源酶活提高了56.86%；外切葡聚糖酶活、滤纸酶活和木聚糖酶活（Xyl）也有了一定的提高，其中Xyl达到399.74 IU/mL，较微晶纤维素碳源发酵酶活提高了16.51%。

使用废纸作为碳源进行纤维素酶生产，除了能获得优异的发酵效率，生产成本也只有微晶纤维素碳源的1/10左右。不仅如此，整个过程无预处理副产物产生，操作简单，绿色无污染。

“如果以农作物秸秆作为发酵碳源，一般需要一定的预处理，这个过程中使用的强酸强碱不仅腐蚀设备，还污染环境。此外，预处理过程还会产生糠醛、乙酸及酚类化合物等抑制微生物发酵的副产物，对纤维素酶生产菌株生长和产酶过程产生不利影响。”董妙音告诉记者。

特色研究助一臂之力

在王曙阳看来，整个研究工作能取得令人惊喜的发酵效果，缘于中国科学院近代物理研究所有着近40年历史的特色研究方向——重离子束辐照诱变育种。

此项研究中使用的长枝木霉LC-M4产酶发酵菌株，正是经过重离子束诱变选育的高产纤维素酶突变菌株，具有能够同时表达分泌纤维素酶和半纤维素酶系的优良性状，可在纤维素类碳源诱导下同时进行纤维素酶和半纤维素酶的发酵生产。

“由于纤维素酶合成分泌具有多组分协同表达及复杂的代谢调控网络特性，产酶丝状真菌遗传背景不清楚，使得重离子束辐照诱变在产酶菌株的育种工作中具有明显的优越性。”王曙阳告诉记者。

实际上，在这项漫长的研究过程中，除了需要攻克技术难题，还需要克服人员紧缺和经费紧张等困难。

“循环经济的投资很大，与企业对接转化也需要很多资金投入，在最困难的时候，我们也曾犹豫是否应该换个方向，但想到这项研究对整个生态环境和循环经济具有重要意义，还是顶住压力坚持下来了。”王曙阳回忆时感慨道。

接下来，该团队将进一步驯化发酵生产菌株，提高其在废纸碳源发酵中的生产效率和水平，进一步优化发酵体系和条件。此外还将与纤维素酶生产企业和废纸回收企业进行深入交流和合作，充分了解企业目前的需求和困难，进行现有废纸产纤维素酶工艺优化，尽快促进研究成果的转化与应用。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.127287