摘要：生物柴油作为一种清洁可再生能源，是替代传统化石燃料的重要选择。然而，传统化学催化法存在副产物分离困难、能耗高等问题，而酶催化法虽环境友好，却因中间产物积累、酶活性低等问题难以工业化。

生物柴油作为一种清洁可再生能源，是替代传统化石燃料的重要选择。然而，传统化学催化法存在副产物分离困难、能耗高等问题，而酶催化法虽环境友好，却因中间产物积累、酶活性低等问题难以工业化。

针对这一挑战，南京林业大学王飞团队创新性地提出“双菌协同催化”策略，通过将卷枝毛霉（Mucor circinelloides）与卡门柏青霉（Penicillium camemberti）固定化，利用两者互补酶活性实现了一步法高效制备生物柴油，产率高达 98%，并且在重复使用 6 次后仍能保持 75% 的催化活性，展现出强大的工业化应用潜力。

相关成果以“Combination of Mucor circinelloides and Penicillium camemberti Whole-Cell Biocatalysts for One-Step Biodiesel Production”为题发表在上 ACS Sustainable Chemistry & Engineering。

在生物柴油的酶催化合成中，脂肪酶的选择性催化作用使得部分中间产物难以进一步转化，从而降低整体转酯化效率。卷枝毛霉分泌的 1,3-位选择性脂肪酶虽能高效转化三酰甘油，却因无法催化中间产物单甘酯（MG）和二甘酯（DG），导致反应效率受限。研究团队引入卡门柏青霉，其分泌的非特异性单/双甘酯脂肪酶可精准催化 MG 与 DG 的后续转化。实验表明，当两菌以 4:1 重量比组合时，15 小时内生物柴油产率达 98%，较单一菌种催化效率提升显著。

为实现工业化应用，研究人员选择了两种不同的固定化载体，其中卷枝毛霉被固定在天然丝瓜络上，而卡门柏青霉则利用聚氨酯泡沫进行固定。丝瓜海绵的三维网状结构为卷枝毛霉提供充足氧交换空间，菌丝均匀附着不易脱落；孔径适中的聚氨酯泡沫则成为卡门柏青霉的理想载体，确保菌丝稳定生长。固定化后，双菌催化剂在六次循环使用后仍保持 75% 活性，远超传统游离酶体系。

图 | 固定化全细胞的扫描电子显微镜图像，其中 (A) 为使用丝瓜海绵固定化的毛霉，(B)-(D) 为使用不同孔径的聚氨酯泡沫固定化的青霉。

甲醇添加量与水分控制是催化效率的关键。过量甲醇抑制酶活性，不足则降低反应速率。实验确定甲醇与油摩尔比 4:1 为最优条件，产率高达 98%。同时，40% 水含量既能维持酶活性，又促进底物溶解。此外，10% 的催化剂添加量在成本与效率间取得平衡，产率达 97.5%。

此外，研究团队还测试了该催化体系在不同油脂基质中的适应性，该双菌催化体系均表现出较高的生物柴油转化率，进一步证明了其在实际应用中的广泛适用性。该体系在 Cornus wilsoniana 果油、大豆油及废弃油脂中均表现优异，展现出强原料适应性。副产物甘油积累的减少进一步提升了体系稳定性。相较于传统工艺需 24 小时以上，该策略仅需 15 小时即可完成高效转化，且无需复杂中间处理步骤，大幅降低能耗。

本研究通过双菌协同催化策略，成功实现了生物柴油的一步法高效合成，在催化效率、产率稳定性和催化剂重复使用性能等方面均表现出显著优势。相较于传统的化学催化和单一酶催化方法，该策略不仅提高了转化效率，减少了副产物积累，同时降低了酶失活带来的影响，为生物柴油的工业化生产提供了一种新的解决方案。未来，研究团队将进一步优化菌种的代谢路径，并结合基因工程手段提升酶的催化性能，以推动该催化体系在大规模生物柴油合成中的实际应用，为可持续能源的开发提供更具竞争力的技术支持。

参考链接：

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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来源：生辉SciPhi