青岛日报2025年04月10日版面

攻关秸秆

利用自主改进的荧光显微镜，观察菌株的生物学特性，筛选“高效”菌株，研发新型融合酶系糖化工艺路线，用于将秸秆等木质纤维素生物质酶解转化

利用秸秆

●蛋白质：开发了利用廉价秸秆糖发酵量产单细胞蛋白及单细胞油脂的完整解决方案，可将秸秆转化为饲用蛋白，甚至是更高价值的功能性蛋白质

●清洁能源：掌握了秸秆糖制醇、酸、酯全套工艺技术，可以制造乙醇、丁醇、脂肪酸甲酯等生物能源

●可降解材料：秸秆糖还可用于生产聚乳酸等可降解材料，制造可降解的地膜、一次性餐具等

●腐植酸肥料：秸秆预处理时产生的“废液”主要成分是木质素，其可用于生产腐植酸肥料，改良土壤补充有机质

在位于山东大学青岛校区的山大微生物改造技术全国重点实验室内，工程生物学团队负责人崔球带领团队成员科技攻关，利用自主改进的荧光显微镜，观察菌株的生物学特性，筛选“高效”菌株，用于将秸秆等木质纤维素生物质酶解转化，以实现秸秆的高附加值利用。

木质纤维素生物质是目前地球上最丰富的生物可再生资源。山东大学在木质纤维素生物质利用方面有着深厚的积淀，崔球团队利用工程生物学技术，选育出高效菌株，开发了配套的绿色工艺及装备，让菌株在特定条件下“吃进”秸秆产出糖，进而转化成蛋白质、油脂及生物能源等，以生物手段实现低价值秸秆的高效利用，更好拓展蛋白质来源和能源来源，服务于国家粮食安全和“双碳”战略。

创新生物技术让“成本减半”

在我国，饲料用粮食在粮食消耗中的占比已超五成，饲用蛋白资源呈现短缺之势。大豆作为饲用蛋白的主要来源，对外依存度高，已超过80%，这严重制约了畜牧业的健康可持续发展。保障饲用蛋白供给，摆脱进口依赖，是新形势下实现粮食安全的着力点。

数据显示，目前我国可收集利用的小麦、玉米、水稻等农业秸秆已超8亿吨，超过了2024年我国全年粮食总产量。充分挖掘秸秆资源的应用潜力，将其转化为饲用蛋白，甚至是更高价值的功能性蛋白质，则是开辟新型蛋白来源的有效渠道。

怎样将秸秆等农业废弃物变废为宝，提高其利用质量和效率？山东大学在该领域的研究已坚持了60余年，纤维素酶相关研究成果位居世界前列，山东大学的“玉米芯废渣制备纤维素乙醇技术与应用”、“玉米淀粉及其深加工产品的高效生物制造关键技术与产业化”等研究成果先后获得国家技术发明奖二等奖和国家科学技术进步奖二等奖。“想让秸秆变成蛋白质，需要一个复杂的过程，主要需经历3个关键环节。”崔球介绍，回收的秸秆并不能直接利用，而是要经过预处理、酶解糖化以及下游发酵等过程。首先需要进行粉碎处理，秸秆粉放入“蒸锅”，注入预处理药剂，经蒸煮完成预处理。预处理后的秸秆粉变成了类似纸浆的模样，其主要成分是纤维素和半纤维素，这是酶解糖化的原材料。

糖是重要的工业原料，也是重要的战略物资，被誉为发酵产业的“石油”。将纤维素和半纤维素变成“可发酵糖”是秸秆变废为宝的关键，但成本是制约这一转化过程的主要瓶颈。崔球团队经过长期研发，形成了集成细菌纤维小体和真菌游离酶的新型融合酶系糖化工艺路线，同时开发了关键装备，有效解决了秸秆利用高成本、高污染的瓶颈。

“简单来说，就是利用生物技术改造筛选出具有自主知识产权的产纤维素酶真菌和产纤维小体细菌，利用技术手段将两种‘菌’产生的酶融合在一起，产生可发酵糖。”崔球解释道。酶解糖化的关键在于成本，以往无论使用哪种酶，秸秆转化产生可发酵糖的成本都偏高。现在研究出的融合酶系糖化技术将成本降低为原来的一半，为该项技术的产业化应用提供了更多可能。

实现粮食、石化能源替代

将秸秆糖转化为更高附加值的蛋白质是实现秸秆高效利用的主要方向之一。崔球团队经过系统设计，开发了利用廉价秸秆糖发酵量产单细胞蛋白及单细胞油脂的完整解决方案，为秸秆的高效生物转化利用奠定了关键技术基础。

“单细胞蛋白又称微生物蛋白，我们以秸秆糖等为养料，以深层液体发酵的方式，批量培养酵母、微藻等蛋白质、油脂含量丰富的单细胞生物。”崔球表示，这些微生物菌体不仅可以直接用作饲料，有效弥补饲用蛋白不足的缺口，缓解饲用蛋白过度依赖进口的问题，甚至可以用于制造更高附加值的功能性蛋白质。实验数据显示，1吨秸秆大概可以产出0.2吨到0.25吨菌体生物质。团队相关技术已在相关企业应用，用于生产富含蛋白质、脂肪酸以及多种维生素和矿物质的营养补充剂。

秸秆糖不仅可以用于生产蛋白质、油脂等，还可以用于发酵生产清洁能源。“目前，我们已经掌握了秸秆糖制醇、酸、酯全套工艺技术。如可以利用秸秆糖制造乙醇、丁醇、脂肪酸甲酯等生物能源，提高我国生物能源自给自足能力，实现石化能源的有效替代，减少二氧化碳排放，更好地服务于国家‘双碳’战略。”崔球表示。秸秆糖还可用于生产聚乳酸等可降解材料，制造可降解的地膜、一次性餐具等。

值得一提的是，秸秆预处理时产生的“废液”主要成分是木质素，其可用于生产腐植酸肥料，改良土壤补充有机质，具有良好的缓释、抗旱、抗盐碱等功能。“此前，在平度开展的木质素基人工黑土花生种植实验显示，花生开花时间提前了5天，产量比常规复合肥的产量增加了1倍，土壤生产性能得到持续改善，并显著提高了作物抗旱、抗盐碱的能力。”崔球告诉记者。

崔球团队长期致力于秸秆降解转化领域研究，在原料预处理、产纤维素酶微生物的选育及分子改造、酶解、全糖转化、下游应用等各个环节突破了多项关键技术，形成了完整的设计理论、关键技术、生产工艺等特色体系，实现了秸秆等农业废弃物的绿色化高效利用，最终通过廉价原料和绿色工艺，实现粮食替代、石油替代和黑土替代。目前，依托团队技术建设的千吨级生产装置正在加紧建设中，预计6月份夏收期间将投入使用，该生产装置主要用于生产蛋白、油脂、功能糖等产品。

技术优化的脚步永不停止。崔球团队自主设计的菌株选育自动化“流水线”正在加紧调试当中，作为大规模的合成生物学、工程生物学数智化基础设施，将达到日均创建、检测及性能评估大于2万株的菌株选育效率，从而提升研发效率、降低成本，持续提升农业废弃物的利用效率和技术水平。

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