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为解决毛霉门真菌用于木质纤维素同步糖化发酵（SSF）的适用性问题，研究人员评估了多种菌株特性。结果发现 Lichtheimia corymbifera 最适宜。该研究为生产脂质衍生的二代生物燃料提供参考，推荐科研读者阅读。
在生物能源的研究领域，科学家们一直努力寻找高效、可持续的能源生产方式。单细胞油（Single-cell oils，SCOs）作为一种潜在的生物能源原料，引起了众多研究者的关注。SCOs 是在产油生物体内细胞内积累的脂质，大多以三酰甘油（triacylglycerols，TGAs）的形式存在。一些产油生物积累的脂质能达到自身干重的 80%，这使得它们成为生产生物燃料的理想选择。在众多产油生物中，毛霉门（Mucoromycota）真菌脱颖而出，它们具有生长速度快、能利用多种底物，还能同时产生其他有价值化合物等优点，被视为利用木质纤维素生物质生产第二代生物燃料的潜力股。
然而，理想很丰满，现实却很骨感。在利用毛霉门真菌生产生物燃料的道路上，存在着不少阻碍。首先，毛霉门真菌缺乏有效降解木质纤维素的完整酶系统，比如它们缺少纤维二糖水解酶，这就像战士上战场却没带关键武器，大大影响了纤维素的降解效率。其次，同时糖化发酵（simultaneous saccharification and fermentation，SSF）过程虽然能简化整体流程、降低成本，但微生物生长的最佳条件和酶活性的最佳条件之间存在着巨大差异。就像两个性格不合的伙伴，难以默契配合。酶活性的最佳温度在 50°C 左右，而微生物生长的最佳温度却在 25 - 30°C 之间，这让研究人员十分头疼。而且，商业酶的使用成本高昂，在乙醇生产的 SSF 过程中，商业酶的成本能占到运营成本的 28%，这无疑增加了生产成本，让生物燃料的大规模生产面临困境。另外，β - 葡萄糖苷酶（β - glucosidase）在纤维素水解过程中起着关键作用，但它却像个 “刺头”，容易受到底物纤维二糖的抑制，而且从某些微生物中回收 β - 葡萄糖苷酶也很困难。
面对这些难题，研究人员没有退缩。为了找到更合适的方法利用毛霉门真菌进行 SSF，作者[第一作者单位] 的研究人员开展了深入研究，并在《Journal of Biotechnology》期刊上发表了名为 “Evaluation of Mucoromycota species for lignocellulose - based simultaneous saccharification and fermentation” 的论文。他们通过一系列实验，最终确定了毛霉门物种在 SSF 中的一些有益特性，为生产脂质衍生的第二代生物燃料的微生物选择提供了重要参考。这一研究成果就像是在黑暗中点亮了一盏明灯，为生物燃料的发展带来了新的希望。
研究人员在这项研究中运用了多种技术方法。他们先培养了 9 种毛霉门真菌菌株，测定了这些菌株在不同温度下的生长情况，以此来评估它们的耐热性。接着，使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱（FT - Raman）技术，分析了不同温度下真菌生物质的成分变化。这两种技术就像是神奇的 “显微镜”，能让研究人员深入了解真菌内部的奥秘。同时，研究人员还测定了菌株在纤维二糖和纤维素存在时 β - 葡萄糖苷酶和内切葡聚糖酶的活性，以此来探究菌株对纤维二糖和纤维素的响应情况，从而筛选出更适合 SSF 的菌株。
下面我们来看看研究人员具体都发现了什么。
耐热性研究
研究人员把 9 种毛霉门真菌菌株放在不同温度的培养基上培养，观察它们的生长速度。结果发现，这些菌株的最佳生长温度各不相同。像 Absidia glauca（AG）和 Mortierella hyalina（MH）在 20°C 时生长最佳，Mortierella alpina（MA）和 Rhizopus stolonifer（RS）则更喜欢 25°C 的环境，Umbelopsis vinacea（UV）、Cunninghamella blakesleeana（CB）和两种 Mucor circinelloides（MCV 和 MC）在 30°C 时生长良好，而 Lichtheimia corymbifera（LC）在 35°C 时生长最佳。LC 就像个 “耐热小能手”，能在 20 - 45 - 50°C 的温度范围内生长，而 MH 则比较 “娇气”，生长温度被限制在 30°C 以下。在生长速度方面，RS 表现突出，在 25°C 时生长速度达到了 2.4mm/h，这使得它在感染蔬菜水果时能够迅速蔓延。
从适合 SSF 的角度来看，LC 的生长温度与酶水解的最佳温度（50°C）最为接近，虽然实际研究中发现将其温度控制在 40 - 45°C 更合适，但这也让它在众多菌株中脱颖而出。CB、M. circinelloides 和 M. circinelloides VI 在 35 - 37°C 左右的温度下也适合 SSF 过程，而其他一些菌株，如 A. glauca、M. alpina、U. vinacea 和 M. hyalina，由于生长温度较低，不太适合直接用于 SSF，不过研究人员也提出可以尝试其他策略，比如先在酶的最佳温度下进行短时间预水解，再在较低温度下进行发酵。
温度对真菌生物质成分的影响
为了了解高温对真菌发酵产物质量和成分的影响，研究人员使用 FTIR 和拉曼光谱技术对真菌生物质进行了分析。通过主成分分析（PCA），他们发现不同菌株的生物质成分差异很大。Mortierella 属的真菌（MH 和 MA）与其他菌株相比，生物质成分有很大不同，虽然它们生长缓慢，但积累脂质的能力似乎更强，这可能和它们较弱的产孢能力有关，因为营养和能量没有被用于产孢，而是用于在营养菌丝上积累脂质。
同时，研究人员还发现，不同菌株的生物质成分会随着培养温度的变化而改变。比如 R. stolonifer 在 20 - 30°C 时，蛋白质含量会增加；A. glauca 和 C. blakesleeana 则相反，多糖含量增加，蛋白质含量减少。M. circinelloides VI 在 20 - 35°C 时，脂质积累增加，而 M. circinelloides MC 在 20 - 30°C 时脂质积累增加，35°C 时减少。U. vinacea 在 20 - 30°C 时，脂质和蛋白质含量都有所增加。L. corymbifera 在 20 - 35°C 时脂质增加，35 - 45°C 时减少。拉曼光谱分析还发现，M. circinelloides 在温度升高时，类胡萝卜素产量会增加，这可能是为了控制氧化损伤和维持膜的流动性，但也可能与气生菌丝的发育和空气接触有关，不过这一结果在液体发酵中可能会有所不同。
温度对脂质谱的影响
研究人员特别关注脂质，他们通过 FTIR 光谱计算了脂质与蛋白质的比例以及不饱和率。以往的研究表明，温度对真菌脂质不饱和率和积累的影响因物种而异。在这项研究中，M. alpina 和 M. hyalina 的不饱和率最高，这是因为它们能产生 C20 多不饱和脂肪酸。A. glauca 和 R. stolonifer 的不饱和率最低。L. corymbifera 随着温度升高，不饱和率逐渐降低，这对于生物柴油生产来说是个好消息，因为在较高温度下进行 SSF，不仅水解效率更高，而且生产出的油更符合生物柴油的要求。M. circinelloides 在 35°C 时不饱和率显著下降，而 U. vinacea 和 C. blakesleeana 在 20 - 30°C 时不饱和率几乎不变，C. blakesleeana 在 35°C 时略有下降。
纤维二糖和纤维素对纤维素酶的诱导作用
研究人员分别用含有纤维二糖和纤维素的培养基培养这些真菌菌株，观察它们的生长情况和酶的表达。结果发现，大多数菌株在纤维二糖培养基上生长良好，但 M. alpina 和 M. hyalina 却不行，即使对培养基进行了一些调整，它们仍然无法在这种培养基上生长，这可能是因为它们缺乏代谢纤维二糖的工具。
在生长过程中，大部分菌株在细胞外 β - 葡萄糖苷酶表达之前，就能通过膜转运蛋白吸收纤维二糖并在细胞内进行处理。但 U. vinacea 和 L. corymbifera 的生长似乎更依赖酶的表达，它们的指数生长期与细胞外蛋白质表达的高峰期重叠。
在 β - 葡萄糖苷酶活性方面，除了 M. alpina 和 M. hyalina，其他菌株都能在不同时间分泌具有 β - 葡萄糖苷酶活性的细胞外蛋白质。C. blakesleeana、R. stolonifer 和 L. corymbifera 的 β - 葡萄糖苷酶活性较高。而且，C. blakesleeana 在 β - 葡萄糖苷酶表达方面表现出色，其细胞外蛋白质的比活性很高。
在纤维二糖培养基上，只有 R. stolonifer、M. circinelloides、M. circinelloides VI 和 L. corymbifera 表现出内切葡聚糖酶活性，这表明这些菌株的内切葡聚糖酶和 β - 葡萄糖苷酶的表达能被纤维二糖触发。这一现象与它们的生活习性有关，比如 R. stolonifer 和 M. circinelloides 常见于蔬菜水果的采后感染，L. corymbifera 常与死植物材料有关，这些酶能帮助它们获取植物材料中的营养。
在纤维素培养基上，除了 M. hyalina 和 U. vinacea，其他菌株都能检测到细胞外蛋白质。β - 葡萄糖苷酶活性在除了 M. alpina、M. hyalina 和 U. vinacea 之外的菌株中都能检测到，而内切葡聚糖酶活性仅在 R. stolonifer 中检测到，不过这些酶的活性都比在纤维二糖培养基上低。C. blakesleeana 在 β - 葡萄糖苷酶比活性方面表现突出。
综合来看，除了 M. hyalina 和 M. alpina，其他测试菌株在 SSF 过程中，面对纤维二糖积累的问题时似乎更有优势。
研究人员通过对毛霉门真菌的全面研究，发现 L. corymbifera 是最适合 SSF 的菌株。FTIR 和拉曼光谱技术为研究真菌生物质成分提供了丰富的信息，而且这两种技术具有快速获取数据和样品制备简单的优点。此外，研究还发现了 R. stolonifer 的一些特性，这些特性与它感染和破坏蔬菜水果的能力有关，包括菌丝生长迅速、纤维二糖和纤维素能诱导其内切葡聚糖酶和 β - 葡萄糖苷酶的表达，以及能产生大量酸等。这些特性使得 R. stolonifer 在与其他真菌竞争时具有优势。
这项研究的意义重大，它为利用毛霉门真菌进行 SSF 生产第二代生物燃料提供了重要的理论依据和实践指导。通过筛选出合适的菌株，有望提高生物燃料的生产效率，降低生产成本，推动生物能源领域的发展。同时，研究中使用的技术和方法也为后续的研究提供了参考，有助于进一步深入探索毛霉门真菌的特性和应用潜力。
