超声赋能里氏木霉高效产酶：破解生物质酶解糖化新机制
日期：2026-03-04
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类型：研究进展
作者：彭昊
近日，湖北工业大学生命科学与健康工程学院生物质与生物能源团队刘鹏博士联合中国科学院青岛生物能源与过程研究所相关研究人员，在国际知名期刊Ultrasonics Sonochemistry (IF=9.8) 在线发表题为“Optimal ultrasound enhances T. reesei cellulases secretion for high biomass enzymatic sacchariffcation by hyphal fragmentation”的论文。首次将优化超声技术直接应用于里氏木霉（Trichoderma reesei）发酵培养，通过菌丝碎片化与底物均质化协同作用，显著提升木质纤维素降解酶分泌效率，并大幅强化能源作物酶解糖化效果，为绿色高效生物质炼制提供全新技术路径。
木质纤维素酶解是生物燃料炼制的核心关卡，而高活性纤维素酶的制备一直是成本与效率的痛点。本研究以甘蔗渣 + 甘蔗汁为复合诱导底物，系统筛选出最优超声条件：40 kHz、108 W、每次 4 min、间歇处理 3 次。结果显示，超声处理使关键酶活实现跨越式提升：外切葡聚糖酶（CBHI）活性提高48%，内切葡聚糖酶（EGII）活性提高10%，β-葡萄糖苷酶（BG）酶活大幅提升147%，木聚糖酶（XYN）活性提高 74%，总滤纸酶活（FPA）提升 54%。胞外蛋白分泌量显著增加，酶系组成更适配木质纤维素降解。
图1 超声处理显著增强里氏木霉分泌木质纤维素降解酶团队通过荧光显微观察发现，超声处理发挥了双重物理作用：一方面让里氏木霉菌丝碎片化、均匀分布；另一方面使甘蔗渣底物粒径减小、结构更均质。真菌与底物接触面积大幅增加，互作效率显著增强，为持续高产酶提供结构基础。同时，非靶向代谢组学证实，超声引发全体系代谢重编程，差异代谢物富集于脂代谢、核苷酸代谢、戊糖磷酸途径等关键通路，优化发酵微环境，进一步驱动木质纤维素降解酶的高效合成与分泌。
图2 最优超声处理后酶液与产酶残渣差异代谢物KEGG通路富集分析将超声诱导制备的粗酶液，用于弱碱预处理的水稻、桉树、蕨类三种典型能源作物，酶解效率大幅提升：己糖得率提高 50%-64%，总糖得率提高 34%-43%，性能优于商用酶制剂，展现出极强的工业应用潜力。基于上述发现，团队提出超声增效新模型：超声通过物理作用实现菌丝碎片化与底物均质化，强化真菌-底物互作，结合代谢重塑，最终实现高产量、高活性酶分泌，全面提升生物质酶解糖化效率。
图3 优化超声处理增强里氏木霉分泌木质纤维素降解酶的机理模型
中国科学院青岛生物能源与过程研究所与湖北工业大学联培博士后彭昊与博士研究生刘静源为论文第一作者，湖北工业大学生命科学与健康工程学院刘鹏博士为本文通讯作者。湖北工业大学彭良才教授、中国科学院青岛生物能源与过程研究所付春祥研究员和湖北工业大学王艳婷教授等共同参与了部分研究工作。该研究得到湖北省自然科学基金杰出青年科学基金（2024AFA100）、国家自然科学基金（32470273，32170268，32101701）、中国教育部“国家111计划”（D17009）和湖北工业大学高层次人才专项资金（GCC20230001）的资助。
https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2026.107905
关键词：酶,霉,产,木,物质,生,破解,解,里氏,赋,糖化,超声,新机制
