植物油作为生物柴油和生物化学品的可再生原料的需求越来越大。目前，油籽是植物油的主要来源。虽然植物的营养组织表达脂质代谢途径，但它们不会过度积累脂质。通过甘蔗的代谢工程来生产“油蔗”，已经实现了脂质在营养组织中的合成、储存和积累。美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校农业与生物工程系Singh等教授评估了油蔗作为可再生原料用于共同生产脂质和可发酵糖的潜力。油蔗在佛罗里达州（FLOC）有利的气候和田间条件下种植，并在伊利诺伊州（ILOC）的典型生长区之外的短暂生长季节种植。FLOC储存的营养生物量中脂肪酸的过度积累预测潜在脂质产量为0.35吨/公顷，接近大豆的脂质产量（0.44吨/公顷）。处理油蔗营养组织的回收率为0.20吨/公顷，相当于从FLOC回收了55%的总脂质。ILOC和FLOC甘蔗渣和叶子在180°C下10分钟的无化学水热生物处理防止了原位植物脂质的退化。这允许在生物过程结束时回收脂质，在预处理和糖化后，大部分脂质残留在生物质残基中。通过精制生物质加工、作物管理和代谢工程进行的改进有望提高脂质产量，并使油蔗成为生产生物柴油的主要原料。
图文解读
Fig. 1. Comparison of (a) total lipids in the bagasse, leaves, and juice of oilcane 1566 grown under field conditions in Illinois (ILOC) and Florida (FLOC). * and ** Denote significantly different values (p ≤ 0.05) of total lipids in the bagasse, leaves, and juice of ILOC plants from bagasse, leaves, and juice FLOC plants, respectively. (b) Efficiency of vegetative lipid recovery from ILOC and FLOC plants. (c) Actual oil recovered per hectare of land from FLOC and its comparison with other feedstocks for biodiesel production.
将植物分离成叶子，甘蔗渣和果汁，并独立分析每个部分，以深入了解组织之间营养脂质的分布。与FLOC甘蔗渣和叶相比，ILOC的甘蔗渣和叶的总脂质含量分别高36.8%和50%，而FLOC果汁的总脂质含量比ILOC果汁高33.3%（图1a）。然而，较低的总脂质含量和脂质-蛋白质复合物的存在使得从植物营养组织中提取脂质的过程比从油籽中提取脂质的过程更困难且效率更低。因此，估计整个转基因植物的脂质回收效率对于分析转基因油蔗的脂质产量至关重要。通过对从每个营养组织（即叶子、汁液和甘蔗渣）回收的脂质总量求和，确定了从整个植物中提取脂质的效率。ILOC和FLOC的脂质提取效率分别约为40%和55%（图1b）。茎的总脂质含量与甘蔗渣和果汁中脂质总和的差异表明，剩余的50-60%的脂质仍留在甘蔗渣中，需要先进的生物工艺才能完全恢复。值得注意的是，果汁中最大脂质的回收是优选的，因为它简化了从营养生物质中回收脂质和生物柴油生产的连续生物工艺步骤。
Fig. 2. (a,b) Composition of TFAs and (c,d) TAG FAs in untreated ILOC and FLOC bagasse, leaves, and juice.
有机溶剂萃取和机械压榨是从油籽中商业提取用于生物柴油生产的油的最常用程序。然而，使用有机溶剂从生物能源植物中提取总原位脂质也提取蜡、各种酚类化合物、颜料和不同的代谢物以及脂质。因此，必须调查每克干生物质的TFA和总TAG的百分比及其FA组成，以便更好地了解生物柴油/可再生柴油的产量和质量。在ILOC和FLOC的甘蔗渣，叶子和果汁的TFA中观察到五种主要FA的组成存在明显差异（图2a，b）。棕榈酸（C16：0）和亚油酸（C18：2）在ILOC和FLOC的所有营养组织中占主导地位，其次是亚麻酸（C18：3）。硬脂酸（C18：0）是ILOC叶片中主要的FA（6.2±0.2毫克/克干生物量），而甘蔗渣和果汁的硬脂酸含量最低，分别为0.8±0.01毫克/克干生物量和3.1±0.2毫克/升。在植物组织中，FLOC汁中TFA含量（1009.6 ± 56.6 mg/L）和TAG分子积累量（891.8 ± 13.9 mg/L）最高。与非改性甘蔗相比，ILOC和FLOC均显示出叶子和甘蔗渣中TFA积累显着更高（图2a）。ILOC在甘蔗渣和叶片中的TFA积累量分别比非转基因甘蔗高约3倍和8倍。同样，与非转基因甘蔗相比，FLOC甘蔗渣和叶片的TFA积累分别增加了约8倍和4倍。
Fig. 3. (a) Flow diagram to demonstrate the bioprocessing of the whole transgenic oilcane 1566 plant. “B” represents the percentage of dry biomass residue as compared to biomass in the previous bioprocessing step and “L” represents the lipid content per gram of dry biomass residue at each bioprocess step. (b) Sankey plot demonstrates the reduction in biomass residue at each step of bioprocessing and their corresponding lipid content (% dry biomass). Biomass residue (%) presents the percentage of biomass remained as solid residue after each bioprocessing step.
转基因油蔗通过提供脂质（用于生物柴油）和纤维素糖（用于生物乙醇）来提高生物燃料产量。然而，需要高效、先进和适当的生物加工技术来最大限度地利用转基因生物能源作物。从木质纤维素生物质中回收纤维素糖已经得到优化，据报道，在生物能源作物的两阶段水热预处理和圆盘碾磨中，总糖回收率（葡聚糖+木聚糖）的≥90%。先前的研究表明，无化学物质的低严重性预处理可防止营养脂质的变性，并最大限度地提高其从转基因油蔗渣中的回收率。这项研究进一步证明了转基因油甘蔗渣和叶子（ILOC和FLOC）的生物工艺，将脂质分馏成不同的生物加工步骤，以及它们从不同的组分中回收（图3）。
Fig. 4. Recovery of (a) total lipids, (b,c) TFAs and TAG from the bagasse and leaves of oilcane 1566 (ILOC and FLOC) at each step of bioprocessing. (The E.H. residue refers to biomass residue after saccharification).
为了支持上述推论，分析了预处理的生物质残留物和在糖化后获得的ILOC和FLOC甘蔗渣和叶子的生物质残留物及其各自的预处理液和水解物的TFA和TAG含量（图4b，c）。ILOC甘蔗渣和叶片以及FLOC叶在糖化后预处理的生物质和生物质残留物中表现出更高的TFA和TAG浓度，而不是各自的预处理液和水解产物。相反，在FLOC甘蔗渣的情况下，在预处理液中回收了大量的FA和TAG分子。这些信息为开发工艺技术以最大限度地提高脂质回收率提供了指导。在本例中，由于转基因油蔗营养组织中的脂质分子（ILOC和FLOC）在每一步后都集中在生物质残留物中，因此在生物过程结束时回收脂质是方便有效的，很可能是在发酵后。这一观察结果与先前的研究一致，其中转基因油甘蔗渣在低严重性和高严重程度的条件下进行热液预处理，以最大限度地提高脂质回收率。
总结
这里介绍的研究探讨了代谢工程甘蔗（油蔗）在其营养组织中油的过度积累的潜力，成为可再生生物柴油商业生产的可行原料。在佛罗里达州有利的田间条件下种植的转基因油蔗显示出生产通常从大豆中获得的80%的油产量的潜力。然而，在处理整个植物时，储存的生物质中存在的脂质中只有55%被回收。此外，该研究成功地证明了无化学水热预处理可防止预处理过程中营养脂质的热变性并提高回收率。在预处理和糖化后，在预处理液和水解物中回收了25-30%的总脂质。经过预处理和糖化后，大部分脂质仍保留在生物质残留物中，这表明其在生物加工结束时恢复。未来在油蔗生物工艺、代谢工程和作物管理方面的改进有望提高脂质的数量和质量。目前正在对工业相关中试规模的转基因油蔗脂质回收率进行进一步分析。
