来源：Semantic Scholar | 编译：DNA Lab Space
导语
谷物麸皮作为粮油加工的主要副产物，年产量巨大但高值化利用程度严重不足。其瓶颈在于木质纤维素复杂结构与抗降解屏障的破解。近期发表于《Bioresource Technology》的一项研究，系统比较了多株白腐真菌在固态发酵条件下对小麦与燕麦麸皮的降解策略，首次在酶活指纹图谱与底物化学结构演变两个维度上，揭示了“选择性脱木质化”与“同步降解”两种截然不同的生物解构模式，为基于真菌代谢逻辑的麸皮精炼工艺设计提供了分子层面的指导。
研究背景
谷物麸皮富含阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖、纤维素以及与之共价交联的阿魏酸桥连木质素，理论上是一种极具潜力的芳香族化合物、功能性低聚糖及可发酵糖来源。然而，完整的木质素-碳水化合物复合体（LCC）将高价值组分牢牢锚定，使得常规的酸解或碱解不仅能耗高、选择性差，还极易生成大量抑制物。
白腐真菌凭借其独特的胞外氧化酶系——特别是漆酶（Lac）、锰过氧化物酶（MnP）和不依赖锰的过氧化物酶以及辅助的H₂O₂生成系统——能够在温和条件下对木质素大分子实施自由基介导的解聚。但不同种属白腐真菌的降解策略存在显著差异：有些菌株优先侵蚀木质素，将纤维素几乎完整保留，适合生物制浆与纤维素提纯；另一些则采取“地毯式”降解，同时瓦解木质素与多糖。这两种策略在深层固态发酵中的具体表现、驱动酶系以及对不同谷物麸皮的偏好此前缺乏平行比较。Rantzos等人的工作恰恰填补了这一空白，他们以具有代表性的选择性降解菌（如糙皮侧耳 *Pleurotus ostreatus*）和非选择性降解菌（如云芝栓孔菌 *Trametes versicolor*）为工具，在受控固态发酵体系中重构了麸皮解构的全景路线图。
研究方法
研究团队构建了一套多模态固态发酵与解析体系，技术路线可概括为四个层次：
**1. 微生物资源与培养体系建立。** 实验选用四株典型白腐真菌——*P. ostreatus*、*T. versicolor*、一株侧耳属未定种以及一株栓孔菌属菌株，以小麦麸皮和燕麦麸皮为唯一固相基质，含水量调至70%，灭菌后接种麦粒种，于黑暗、高湿环境中静置培养21天。每隔7天进行破坏性取样，构成时间梯度。
**2. 胞外酶活实时监测。** 采用缓冲液浸提法回收麸皮基质中的活性酶蛋白，系统测定漆酶（以ABTS为底物）、锰过氧化物酶（以香草丙酮为底物，依赖Mn²⁺）以及纤维素酶复合活力。关键在于同时捕获了与木质素解聚偶联的芳基醇氧化酶和乙二醛氧化酶的H₂O₂供给活力，从而逼近胞外氧化网络的原位协同状态。
**3. 木质纤维素化学结构深度表征。** 这是支撑结论的核心块。使用动态碱解-酸沉技术分离并定量交联型阿魏酸与对香豆酸酯键；借助高效阴离子交换色谱结合脉冲安培检测器（HPAEC-PAD）分析阿拉伯糖、木糖及葡萄糖的单糖比例变迁，反映阿拉伯木聚糖侧链与纤维素主链的完整性。尤为关键的是，团队引入了二维异核单量子相干核磁共振（2D HSQC NMR）技术，在溶胀研磨状态下直接观察麸皮细胞壁聚合物中木质素单元（愈创木基G、丁香基S、对羟苯基H）及肉桂酸酯键连接键的消失与重构，避免了传统湿化学法的糖基修饰干扰。
**4. 芳香族代谢产物鉴定。** 发酵后碱性乙酸乙酯萃取物经三甲基硅烷化衍生，进行气相色谱-质谱（GC-MS）分析，靶向检测苯甲酸衍生物、肉桂酸衍生物及一系列低分子酚醛类降解产物，以此反推木质素侧链氧化断裂与芳香环开裂的发生位点。
研究结果
研究揭示了两种在底物范围、酶系时序与化学解构路径上泾渭分明的降解策略。
**首要发现在于降解选择性差异。** *P. ostreatus* 在两种麸皮上均表现为典型的选择性脱木质化策略。发酵21天后，小麦麸皮中木质素含量（以Klason木质素与酸溶木质素之和计）降低27.3%，而纤维素保留率高达93.5%；燕麦麸皮因初始木质素较低，降解幅度虽小但仍保持高度选择性。2D HSQC NMR谱中，代表β-O-4醚键及苯基香豆满结构的交叉峰信号显著减弱，伴随G单元和S单元积分面积下降，但阿魏酸与阿拉伯木聚糖侧链酯键被优先保留，多糖区结构近乎完好。此模式下，*P. ostreatus* 像一位精密的“拆弹专家”，剪断木质素分子间的连接锚点却几乎不触碰纤维骨架。
与此截然相反，*T. versicolor* 展现了非选择性的同步降解策略。其纤维素损失率高达到31.4%，阿拉伯木聚糖侧链水解活跃，培养初期即检测到大量游离阿拉伯糖和木寡糖，木糖/阿拉伯糖比值从初始的1.8降至1.2，侧链被大量“收割”。NMR谱图显示木质素芳环区的衰减与多糖（主要为β-1,4-葡聚糖和阿拉伯木聚糖主链）区的衰减在时间上高度同步，表明该菌以高活性的纤维素酶与半纤维素酶作为先锋，辅以持续释放的漆酶和MnP，对麸皮实施整体拆解。
**第二个关键发现是酶活指纹图谱的时间解耦。** *P. ostreatus* 的降解驱动力表现出明显的阶段性：发酵第7-14天，芳基醇氧化酶驱动的H₂O₂产率达到峰值，为第14天漆酶（峰值活性2580 U/g干基）和MnP的爆发提供了必需的氧化底物，纤维素酶活力全程低水平徘徊。与之相对，*T. versicolor* 的纤维素酶活早在第3天便快速上升，第14天达到峰值，其漆酶活性虽高但爆发期靠后，整体上胞外酶网络处于一种“多糖水解主导，氧化紧随其后”的杂乱叠加状态。这一时空调控的差异在菌丝形态观察上也得到印证：选择**性降解菌的菌丝特化出富含过氧化物酶体的顶冠结构，优先定殖于富含木质素的糊粉层；非选择**性降解菌则较为均匀地穿透胚乳与糊粉层。
**在芳香代谢产物层面，两种策略催化出了不同的化合物池。** *P. ostreatus* 发酵麸皮中检出大量阿魏酸二聚体、香草酸以及4-羟基苯甲酸，标志着木质素侧链的氧化断裂及苯环β位氧化；而 *T. versicolor* 的代谢池更加复杂，除上述酚酸外，还出现较高浓度的紫丁香醛和愈创木酚，暗示其氧化酶不仅解构了木质素聚合网络，还对G和S型单元进行了更深度的去甲基化和开环，这与其高表达的醇氧化酶及非特异性过氧化物酶相符。
值得注意的是，研究首次观察到“底物诱导的策略调谐”现象——两株侧耳属菌株虽然在木质纤维降解全局上表现为严格的选择性策略，但在燕麦麸皮中，其漆酶同工酶谱发生了迁移，晚发酵期出现一条在麦麸中未曾检测到的低分子量漆酶带，并伴随生育酚和甾醇保护性物质的少量降解，显示特定底物的脂质与酚类组分对真菌降解程序存在反馈性重编程。
讨论与展望
该项研究不仅描绘了白腐真菌与谷物麸皮互作时的代谢选择图谱，更重要的启示在于：没有哪一种降解策略绝对优越，关键在于如何适配下游工艺目标。如果希望从麸皮中高效提取纯度较高的纤维素纤维，*P. ostreatus* 这种“去木质化而留纤维”的策略无疑是理想的生物精炼前处理；而若目标产物是低分子量酚类抗氧化物和阿魏酰基寡糖，则 *T. versicolor* 的同步降解范式能够一次性释放多种活性成分，缩短流程环节。
从合成生物学与工业转化的视角看，研究揭示的时序调控逻辑——选择性脱木质化过程中芳基醇氧化酶先于漆酶/过氧化物酶的H₂O₂供给节奏——为设计人工降解菌群或构建单菌多酶级联催化系统提供了天然蓝图。未来可通过启动子工程再现这种时序表达，或直接构建漆酶-芳基醇氧化酶融合蛋白，在体外强化氧化爆发的同时避免多糖降解，从而将当前的21天固态发酵周期压缩到可操作的工业时间尺度内。
此外，不同麸皮底物所引发的同一种属菌株的漆酶同工酶谱调整，意味着底物化学指纹与真菌分泌精细调控之间存在尚未被揭示的信号通路。深入探究这一信号感知与响应机制，不仅有助于开发混底物发酵的多用途平台，也可能催生新的真菌生物传感元件，用于农林生物质组分的原位实时判定。总之，这项研究为麸皮及其他谷物副产物的真菌基生物炼制铺陈了一张清晰的“策略选择地图”，也为后续的菌株改造与工艺耦合提供了坚实的化学与酶学依据。
参考来源
Rantzos C., Rencoret J., del Río J. D., Jiménez-Quero A. Fungal degradation strategies during solid-state fermentation of cereal brans with white-rot fungi. *Bioresource Technology*, 2026. DOI: 10.1016/j.biortech.2026.135424
DOI: 10.1016/j.biortech.2026.135424