知耕Tech｜神奇細菌，將低成本農業廢棄物轉化為工業酶

隨著世界範圍內化石資源的減少，對環境造成破壞性影響的加大，更多的人在不斷尋找

能夠替代化石燃料的可行資源

，而

木質纖維素生物質

已確定是目前

地球上最豐富的生物可再生生物質

，每年產量將近1億至 1。5 億噸。人們每天的生產生活活動都增加著廢棄木質纖維素的產生，包括與一日三餐有關的食物垃圾等等。但遺憾的是，這些“被錯放的資源”通常並未得到充分利用，大部分廢棄木質纖維素最終只是被填埋。

木質纖維素分解酶

是參與廢棄木質纖維素分解以進一步水解成有用產物的生物催化劑，木質纖維素分解酶主要包括

木質素分解酶

（過氧化物酶和氧化酶）和

水解酶

（纖維素酶、半纖維素酶、果膠酶、幾丁質酶、澱粉酶、蛋白酶、酯酶和甘露聚糖酶）。這些木質纖維素分解酶可實現木質纖維素生物質的可持續降解，以產出被用於各種應用的物質，包括但不限於用於

生物燃料、造紙和紙漿生產、紡織業、廢物處理、食品和飲料行業、個人護理行業、健康和製藥行業

等。

其中木質纖維素中的

α-澱粉酶和纖維素酶

等是被廣泛應用的

工業酶

，在涉及

紡織、造紙、洗滌劑和藥品

等

的行業中需求量極大。2021 年，此類酶的市場規模預計達到 12。7 億美元。而近期國際關注的焦點在於

如何使用廢棄木質纖維素生物質來生產重要工業酶以及作為替代燃料來源的第二代纖維素乙醇

。

木質纖維素生物質的一大重要來源是作為各工業部門低價值副產品的

廢棄生物質

，例如農業中廢棄的玉米秸稈、甘蔗渣和稻草等以及林業中廢棄的木屑等。其中農業生產中最主要的三種廢棄生物質，分別是

麥麩

、

西米渣

以及

米糠

。這些廢棄生物質價格低廉，並且是

碳和氮

物質的豐富來源。利用廢棄生物質來生產工業酶及替代燃料有著可觀的

環境與經濟效益

，至於如何從這些廢棄生物質中獲得有價值的工業酶，目前仍存在許多挑戰。其中，廢棄生物質的

複雜結構

限制了酶水解，或者說水解這些複雜的結構需要進行

預處理

，然後用各種酶進行水解，這一過程的

成本與效率問題

是生產當中遇到的重要瓶頸。

因此，科學家們非常關注尋找可以利用微生物生產酶以解決這一問題。其中

細菌物種

尤其受到科學家們的關注，一般而言，與真核生物相比，細菌具有許多優點，例如它們具有

快速的生長速度、更短的發酵週期

以及能夠

分泌大量細胞外酶

的能力。

Indian Institute Of Technology–Madras印度理工學院馬德拉斯校區（IIT-Madras）生物技術系的 Rekha Rajesh 和 Sathyanarayana N Gummadi 教授試圖評估一種先前分離的生物體的糖化和發酵能力，以

在沒有預處理的情況下水解低

成本的木質纖維素廢棄生物質

。論文題目為”Production of multienzymes， bioethanol， and acetic acid by novel Bacillus sp。 PM06 from various lignocellulosic biomass” 發表在 Biomass Conversion and Biorefinery 期刊。

具體來看，該項研究的重要發現是從

甘蔗廢料

中分離的

芽孢桿菌PM06

，當這種芽孢桿菌PM06在木質纖維素生物質中生長時，澱粉和纖維素就會被分解，從而產生

α-澱粉酶

和

纖維素酶

。根據報道，該過程除了能夠產生以上兩種重要工業酶以外，還能夠生產出在各行業都有廣泛應用的

乙醇

和

乙酸

物質。

農業主要廢棄生物質的利用成本低，全年可用，而生物轉化中最具挑戰的問題在於

開發高效技術

（如預處理、酶水解、微生物發酵等）以最大限度地減少對環境的影響。該研究對於挑戰的突破在於證明了

芽孢桿菌PM06能夠用於農業廢棄生物質的高效發酵

。

具體試驗結果表明，芽孢桿菌PM06 具有快速水解麥麩、西米渣和米糠三種農業主要廢棄生物質的能力。透過掃描電鏡分析，發現三種木質纖維素廢棄生物質的糖化明顯，形態都發生了顯著變化，表明了該過程無需任何額外的預處理環節。另外結果中有趣的是，在所有三種農業主要廢棄生物質中都顯著產生了水解酶和其他代謝物，且當使用

3%質量濃度的生物質作為碳源

時，這些物質產量達到了最大值。此外，相比於西米渣和米糠，

麥麩

被發現是一種更具有α-澱粉酶和纖維素酶、生物乙醇和乙酸生產價值的底物。

總的來說，芽孢桿菌 PM06對於從木質素纖維生物質中生產工業酶而言，最主要的優勢在於，

發酵的快速使得水解的產物不會抑制酶的活性

。此外，

不需要進行預處理

等額外的環節，使生產過程更具有成本效益和可持續性。而該項研究重要且獨特的貢獻還在於，它開闢了

又一可持續和環保生產可再生生物燃料的方式

，未來也將帶動更多的研究關注

利用芽孢桿菌PM06規模化生產工業乙醇

。來自印度勒克瑙 CSIR-印度毒理學研究所創新和轉化研究中心的 Ashok Pandey 教授也就此評論道：“利用低成本農業副產品生產工業重要酶以及生物燃料和有機酸的能力在其擴大規模後可能對工業開發具有重要意義技術經濟可行性。”

知耕Tech

商業成熟度CML評估模型

科技成果轉化過程中，商業化潛力和技術創新水平同樣重要。科創家需要同時從商業角度評價一項技術轉化為的產品、流程和服務的潛力和可行性，將技術和商業模式翻譯成投資者能夠理解能夠接受的語言和表達，從而進一步獲得增加資金、政策支援的機會，進而更有效地向技術商業化的成功進發。由此知耕團隊在多年的產業服務實踐中總結出對於創新科技成果的商業成熟度CML（Commercial Maturity Level）的評估模型，以供知耕的朋友們參考。

商業成熟度CML模型

基於商業成熟度CML（Commercial Maturity Level）來看，

該成果仍處於CML 1：初步建立基礎假設階段

。

從甘蔗廢料中分離出芽孢桿菌PM06，已被證明能夠在沒有預處理的情況下水解低成本的木質纖維素廢棄生物質。這一成果進展儘管市場經驗與知識仍是有限或亟待探索，但知耕判斷，該項成果將在

生物燃料

、

造紙和紙漿生產

、

紡織

、

廢物處理

、

食品和飲料

等領域優先爆發商業機會。

參考資料：

·https：//tech-talk。iitm。ac。in/magic-bacteria/

·https：//link。springer。com/article/10。1007/s13399-022-02418-z