近期，我校生物工程学院孙付保教授团队在研究先进预处理方法促进纤维质原料水解制糖方面取得重要进展，研究成果“Non-catalytic proteins as promising detoxifiers in lignocellulosic biomass pretreatment: unveiling the mechanism for enhanced enzymatic hydrolysis”正式发表于Green Chemistry (一区, Top, IF=9.8)。
研究背景
碳达峰和碳中和目标已被纳入全球生态文明建设整体布局，我国“十四五”规划已将它列为必须着手推进的一项重点工作。将木质纤维素生物质转化为生物能源不仅有助于石化替代，也有助于降低温室气体排放，已成为我国可持续发展及赋能“碳达峰、碳中和”的重要途径。我国每年可利用的农林纤维剩余物高达20亿吨，这为建立绿色低碳可再生能源体系提供坚实的原料保障。所以，木质纤维素精炼型生物制造已迎来前所未有的历史机遇。
酶基生物质精炼工艺包含四个主要环节：预处理、酶解、发酵和蒸馏。其中，预处理是打破生物质复杂且致密结构以及增强后续酶解的最关键步骤，生物炼制效率高度依赖有效的预处理技术。简单有效和安全环保的预处理是推进生物质精炼产业化进程的关键，现行代表性预处理技术包括水热、蒸汽爆破、稀酸/碱、有机溶剂和离子液等。其中，稀酸预处理是最具工业化前景的方法之一，但预处理过程中碳水化合物和木质素的降解常常会生成大量可溶性抑制物，显著影响了后续的酶解发酵效率。基于此，孙付保教授团队首次尝试采用廉价的非催化蛋白（苋菜蛋白AP、大豆蛋白SP）对稀酸预处理水解产物进行原位脱毒以提升酶解效率潜力，并阐明了这些植物蛋白与小分子抑制剂之间的相互作用以及脱毒机制。
图摘
研究结果表明添加蛋白后有效减少了假木质素的生成，有助于底物表面更清洁，增加了底物的可及性和疏水性，促进更多的（半）纤维素酶吸附以及作用到底物上（图1）。同时，作者也对预处理后水解产物中的糖、副产物和潜在抑制剂进行了HPLC和GC/MS检测，发现添加非催化蛋白可以显著降低释放的糖浓度，特别是木糖、阿拉伯糖和葡萄糖，预处理后水解产物中单体糖浓度的降低可能归因于还原糖和蛋白质中发现的氨基酸之间的Maillard反应。重要的是，非催化蛋白特别是AP孵育后可以显著降低预处理水解物中的毒性抑制剂浓度。
研究者们接着使用等离子共振（SPR）技术分析抑制剂-植物蛋白的相互作用（图2），发现AP表现出与抑制剂更强的相互作用能力，初步解释了AP预处理水解产物的脱毒率明显高于SP和BSA的原因。进一步使用Scrubber（2.0版）程序计算了抑制剂与非催化蛋白质吸附的特定动力学因子，分析认为非催化蛋白减轻毒性抑制剂的作用可能是由于抑制剂和非催化蛋白质之间的亲和力。
最后，研究者们进一步利用分子对接尝试阐明非催化蛋白和抑制化合物之间的分子相互作用（图3）。对接结果显示，大豆球蛋白与抑制剂的对接分数和结合能值都比白蛋白与抑制剂的更小，这意味着大豆球蛋白与抑制剂有显著的相互作用，观察到的AP对毒性抑制剂的高亲和力与GC/MS分析和SPR技术的结果一致。以上结果证实，AP与抑制剂之间表现出强烈的相互作用，形成了稳定的复合物。与SP和BSA相比，AP对预处理水解产物的脱毒能力更强，进一步突出了其作为增强木质纤维素生物质转化的有效试剂的潜力。
这项研究表明，在预处理水解物中加入非催化蛋白质特别是苋菜蛋白AP，可以有效地脱毒水解物从而提高底物酶水解效率。未来工作有必要进一步研究单个或者组合的氨基酸（如带电氨基酸、疏水侧氨基酸和不带电氨基酸）对预处理水解物脱毒的影响。
原文链接：https://doi.org/10.1039/D3GC01718D
该论文已被评选为“2023 Green Chemistry HOT Articles”，可以通过以下链接免费访问和下载热点文章：http://click.rsc.org/rsps/m/g8LhQSG0beG035w71Gz6LHSLj8jYrx0PPDWdkE5h2LU
江南大学2021级博士后Meysam Madadi和2021级博士生宋国杰为该论文共同第一作者，孙付保教授和马来西亚登嘉楼大学Meisam Tabatabaei教授为该论文的共同通讯作者。上述研究工作得到国家重点研发计划项目（2021YFE0114400）和国家自然科学基金（52106245，22278189）等资助。近年来，我校生物工程学院孙付保教授团队在纤维糖的绿色生物制造方面取得明显进展，相关成果陆续发表在Biotechnology Advances (2023, 62: 108059)、Chemical Engineering Journal (2023, 465: 142881)、BioresourceTechnology (2023, 368: 128356)、Energy Conversion and Management (2022, 251: 114956)、Bioresource Technology (2023, 383: 129178)、Journal of Cleaner production (2022, 366: 132817)。
