生物柴油作為一種清潔可再生能源，是替代傳統化石燃料的重要選擇。然而，傳統化學催化法存在副產物分離困難、能耗高等問題，而酶催化法雖環境友好，卻因中間產物積累、酶活性低等問題難以工業化。

針對這一挑戰，南京林業大學王飛團隊創新性地提出“雙菌協同催化”策略，通過將卷枝毛霉（Mucor circinelloides）與卡門柏青霉（Penicillium camemberti）固定化，利用兩者互補酶活性實現了一步法高效制備生物柴油，產率高達 98%，并且在重復使用 6 次后仍能保持 75% 的催化活性，展現出強大的工業化應用潛力。

相關成果以“Combination of Mucor circinelloides and Penicillium camemberti Whole-Cell Biocatalysts for One-Step Biodiesel Production”為題發表在上 ACS Sustainable Chemistry & Engineering。

在生物柴油的酶催化合成中，脂肪酶的選擇性催化作用使得部分中間產物難以進一步轉化，從而降低整體轉酯化效率。卷枝毛霉分泌的 1,3-位選擇性脂肪酶雖能高效轉化三酰甘油，卻因無法催化中間產物單甘酯（MG）和二甘酯（DG），導致反應效率受限。研究團隊引入卡門柏青霉，其分泌的非特異性單/雙甘酯脂肪酶可精準催化 MG 與 DG的后續轉化。實驗表明，當兩菌以 4:1 重量比組合時，15 小時內生物柴油產率達 98%，較單一菌種催化效率提升顯著。

為實現工業化應用，研究人員選擇了兩種不同的固定化載體，其中卷枝毛霉被固定在天然絲瓜絡上，而卡門柏青霉則利用聚氨酯泡沫進行固定。絲瓜海綿的三維網狀結構為卷枝毛霉提供充足氧交換空間，菌絲均勻附著不易脫落；孔徑適中的聚氨酯泡沫則成為卡門柏青霉的理想載體，確保菌絲穩定生長。固定化后，雙菌催化劑在六次循環使用后仍保持 75% 活性，遠超傳統游離酶體系。

圖 | 固定化全細胞的掃描電子顯微鏡圖像，其中 (A) 為使用絲瓜海綿固定化的毛霉，(B)-(D) 為使用不同孔徑的聚氨酯泡沫固定化的青霉。

甲醇添加量與水分控制是催化效率的關鍵。過量甲醇抑制酶活性，不足則降低反應速率。實驗確定甲醇與油摩爾比 4:1 為最優條件，產率高達 98%。同時，40% 水含量既能維持酶活性，又促進底物溶解。此外，10% 的催化劑添加量在成本與效率間取得平衡，產率達 97.5%。

此外，研究團隊還測試了該催化體系在不同油脂基質中的適應性，該雙菌催化體系均表現出較高的生物柴油轉化率，進一步證明了其在實際應用中的廣泛適用性。該體系在Cornus wilsoniana果油、大豆油及廢棄油脂中均表現優異，展現出強原料適應性。副產物甘油積累的減少進一步提升了體系穩定性。相較于傳統工藝需 24 小時以上，該策略僅需 15 小時即可完成高效轉化，且無需復雜中間處理步驟，大幅降低能耗。

本研究通過雙菌協同催化策略，成功實現了生物柴油的一步法高效合成，在催化效率、產率穩定性和催化劑重復使用性能等方面均表現出顯著優勢。相較于傳統的化學催化和單一酶催化方法，該策略不僅提高了轉化效率，減少了副產物積累，同時降低了酶失活帶來的影響，為生物柴油的工業化生產提供了一種新的解決方案。未來，研究團隊將進一步優化菌種的代謝路徑，并結合基因工程手段提升酶的催化性能，以推動該催化體系在大規模生物柴油合成中的實際應用，為可持續能源的開發提供更具競爭力的技術支持。

1.Shulan Ji, Rui Xu, Yu Zhang, Xun Li, et al. Combination of Mucor circinelloides and Penicillium camemberti Whole-Cell Biocatalysts for One-Step Biodiesel Production[J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, DOI: 10.1021/acssuschemeng.4c08180

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