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Introduction
聚-β-羟基丁酸酯（PHB）是一种天然产物，它可以用于保存微生物的能量并且参与代谢过程。PHB 材料具有环保无毒的特性，同时还有良好的生物相容性，在材料工程学领域应用广泛，能够用作药物缓释载体，其热加工性能良好，在农用和食用包装材料等方面也有着潜在的应用价值。PHB 在环境中能够完全降解成为水和二氧化碳。它对人体不存在危害。在环境压力不断加剧且能源危机日益严峻的当下，PHB 受到了人们的普遍关注。
利用诸如活性污泥、木质素、纤维素等廉价碳源来合成 PHB，这是生产 PHB 的一个重要研究方向。牡丹是我国独有的木本花卉以及药用植物，每年会有众多牡丹籽被采收，这些牡丹籽被用于生产牡丹籽油。在实际操作中，牡丹果荚和牡丹籽通常是一同进行采收的，之后在晾晒完成后再进行分离，这就使得会产生大量的果荚弃置物。弃置物堆积且被废弃，这会造成环境污染；弃置物还会被产地农民当做低值柴薪使用。在研究中发现，牡丹弃置物含有丰富的木质纤维素（包括纤维素、半纤维素、木质素）。那么，如何利用木质纤维素来提高牡丹果荚的利用率，就成为了亟待解决的问题。
山东省农业科学院的王军华博士以及周庆新（他们是共同第一作者），还有陈蕾蕾研究员，以及奥本大学的王易芬教授（他们是共同通信作者）等，采用碱法对牡丹果荚进行了预处理，把利用酶水解得到的还原糖当作碳源，用含 pBHR68 质粒的重组大肠杆菌来发酵制备 PHB，从而拓展了牡丹果荚综合利用的新路径。
Results
生物质样品的傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析
FTIR 光谱表明预处理前后吸收峰的形状与强度存在差别。预处理之后，1722cm−1 位置处的吸收峰不见了，这是因为半纤维素支链中的未偶联羰基发生了断裂；1240cm−1 位置处的吸收峰高度有所降低，其原因是半纤维素与木质素之间的连接出现了断裂。此外，处理组在 1376cm-1 处的吸收峰高度有所降低。这表明半纤维素中的 C—H 键出现了部分断裂。同时，一些吸收峰并未发生显著改变，像 3426cm−1、2919cm−1、1425cm−1 这些。这表明预处理没有对纤维素造成破坏。在 2 种碱预处理方式，即微波加热和水浴加热中，它们对纤维素 - 木质素的破坏作用没有显著的差异。
图1 不同处理的牡丹果荚的FTIR图谱
酶水解生成还原糖及其水解产物分析
在相同 pH 值的情况下，柠檬酸钠起到缓冲溶液的作用，使得纤维素酶的水解效果更为充分，酶解效率提升了 37.40%。当进行 24 小时酶解时，还原糖的产量有显著的增加。到 36 小时时，水解能够完全。料液比处于 1%至 6%之间时，酶解能够充分进行，然而在此之后，酶解产量大幅度降低，这是因为溶液的粘稠度增加了，从而导致酶解变得不充分。酶添加量增加时，还原糖产量呈现先增加后降低的趋势，在 1000 U/g 这个添加量下，还原糖产量达到最高。经过优化后，确立了纤维素酶水解工艺，即使用 50 mmol/L 柠檬酸钠（pH 5.0）作为缓冲溶液，纤维素酶添加量为 1000 U/g，料液比为 4%，反应时间为 36 h。
1 - 苯基 - 3 - 甲基 - 5 - 吡唑啉酮衍生化法对制备的还原糖进行检测，检测出了甘露糖、葡萄糖、半乳糖、木糖和阿拉伯糖。其中，主要成分有葡萄糖和木糖，它们的含量分别是 77.13%和 19.90%，二者占总检出还原糖的 97.03%。元素分析结果显示，该还原糖中的氮含量非常少，只有 0.095%；而另一氮含量为 31.69%。
图2 不同酶水解条件下的还原糖产量
PHB结构表征和制备
以酵母提取物作为氮源，酶解还原糖作为碳源，将含 pBHR68 质粒的重组大肠杆菌 JM109 作为生产菌株进行发酵。对目标产物进行次氯酸钠/氯仿提取以及丙酮纯化操作，通过核磁氢谱和 FTIR 分析来确证其结构。在核磁氢谱 1H NMR 中，可以观察到 PHB 单体羟基丁酸的特征峰。FTIR 的峰形与对照样品是一致的。
图3 PHB结构表征
利用核磁氢谱检测技术，以 PHB 标准品作为阳性对照，通过内标法来定量分析发酵液中的 PHB 含量。结果表明，在不添加氮源的情况下，发酵产物中未检测到 PHB，这意味着氮源对于重组大肠杆菌的生长和 PHB 的产生是不可或缺的。接着对酵母浸粉、蛋白胨、玉米浆粉、酪蛋白和硫酸铵等不同氮源进行了筛选。玉米浆粉有利于 PHB 的积累，酵母浸粉也有利于 PHB 的积累，其中玉米浆粉的作用更为显著。与蛋白胨、酪蛋白和硫酸铵等其他氮源相比，当以玉米浆粉作为氮源时，PHB 产量至少能提高 160%。把市售的葡萄糖作为参照，当使用等量酶解还原糖作为碳源时，PHB 产量提高了 36.67%。
葡萄糖和酵母浸粉。
图4 影响PHB产量的碳源和氮源筛选
Conclusion
水浴加热采用碱法处理牡丹果荚，这种处理使得连接半纤维素和木质素的化学键遭到破坏。经过纤维素酶水解之后，还原糖的产量提升了 27.15%。对酶解参数进行了优化，从而建立起了高效的还原糖酶解制备参数。以酶解还原糖当作碳源，让大肠杆菌进行发酵转化，通过 1H NMR 和 FTIR 分析，证实最终产物为 PHB。玉米浆粉当作氮源时，PHB 的产量达到最高；酶解还原糖作为碳源时，和葡萄糖相比，PHB 的产量提升了 36.67%。此研究既为 PHB 的商业生产提供了廉价的原材料，又为园艺废弃物的处理提供了科学的解决办法。
通过碱预处理和酶水解，然后进行微生物发酵，从牡丹根（Paeonia ostiipods）中生产聚羟基丁酸酯
Junhua Wang 等人，其中包括 Qingxin Zhou、Jiying Qiu、Yanhao Zhang、Xiangyan Chen、Yifen Wang 和 Leilei Chen
山东农业科学院食品营养科学技术研究所位于济南，邮编 250100，位于中国。
这些作者对这项工作的贡献是相等的。
*Corresponding author.
Abstract
为了进一步发展牡丹（Paeonia ostii）产业，对牡丹荚的再利用方法进行了探索，而牡丹荚此前仅被用作低价值的柴火。在该研究中，对豆荚进行了碱性预处理，以产生可发酵的还原糖用于聚羟基丁酸酯（PHB）的生产。15%。
优化酶学参数提高了水解程度和还原糖产量。当以生产的还原糖替代葡萄糖作为碳源时，PHB 产量增加了 36.67%。
Reference:
WANG J H 等人通过碱预处理、酶水解以及微生物发酵，从 Paeonia ostii 荚果中生产聚羟基丁酸酯。该研究发表于《Journal of Future Foods》2025 年第 5 卷第 5 期，页码为 513 - 519 ，DOI 为 10.1016/j.jfutfo.2024.08.009 。