不回餐桌，地溝油還能去哪裡？

為地溝油找出路、為溫室氣體找用途、為白色汙染尋方案

撰文 | 劉波

編輯 | 咖喱

作為炒菜大國，中國每年都會產生幾百萬噸地溝油。

2011年8月，警察部統一部署，偵破用地溝油製售食用油案件135起，抓獲涉案人員近800人[1, 2]；2016年11月，浙江8家火鍋店因涉地溝油被查[3]；今年4月，四川又再次曝光4起地溝油案件[4]。“地溝油”事件屢禁不止，嚴重危害食品安全。然而，如果不上餐桌，這幾百萬噸地溝油的出路又在哪裡？

目前，地溝油再利用的主要途徑是生產生物柴油、生物航空煤油等生物燃料[5]。然而，生物燃料的成本往往要高於普通燃料，例如，一噸生物航空煤油的成本是普通航油的2-3倍，很難建立市場優勢[6]。

在這樣的環境下，中科院微生物所陶勇團隊、馬延和團隊和青島生物能源與過程所趙廣團隊合作，給出了他們的解決方法：利用生物發酵技術，以地溝油和二氧化碳為原料合成可降解塑料前體[7]。為地溝油找出路、為溫室氣體找用途、為白色汙染尋方案，可謂一箭三雕。

廢棄油脂+溫室氣體+白色汙染（圖源：pixabay）

用什麽原料合成什麽產品

在現有生物合成實踐中，最常用的原料是來源充足、成本較低的葡萄糖。但在大多數合成過程中，葡萄糖分子中的6個碳原子都會有所流失，只有部分轉化為產品，剩餘碳原子則轉化為二氧化碳排放到大氣中：原子經濟性不高，而且產生溫室氣體。

這一次，研究者把目光轉向了以地溝油為代表的廢棄油脂。油脂的主要組分是脂肪酸，它可以經β-氧化途徑在不丟失碳原子的情況下得到生物製造的重要中間體——乙酰輔酶A，具有更高的原子經濟性。而且，在當前國際市場上，地溝油等廢棄油脂的價格與葡萄糖相當，並不會提高原料成本。

那麽，用這些脂肪酸合成什麽產品呢？

研究者選擇了3羥基丙酸（3HP）。3HP是合成聚3羥基丙酸（P3-HP）塑料的前體原料。P3-HP物理性能優良、生物相容性好，並可被土壤中的微生物直接降解，可廣泛應用於醫療器械，包裝材料、農田地膜等。在微生物體內以脂肪酸為原料，經固碳途徑合成3HP，其理論轉化率遠高於葡萄糖路線（2.49倍）。

以不同碳源合成3HP的理論得率對比

把大腸杆菌變成細胞工廠

那麽該怎樣合成呢？研究者把大腸杆菌變成了細胞工廠。

大腸杆菌是最常用的生物工程菌種，但遺憾的是，野生型的大腸杆菌並不能很好地利用脂肪酸，這其中最重要的原因是FadR蛋白對脂肪酸代謝途徑的抑製。所以，研究者做的第一件事就是敲除了編碼FadR蛋白的fadR基因，初步構建出了可以代謝脂肪酸的菌株FA01。在此基礎上，研究者又進一步加強了脂肪酸代謝通路中的fadL和fadD兩個基因，得到代謝能力更高的FA03菌株。

到這裡為止，FA03已經能夠比較高效地代謝脂肪酸，但它將脂肪酸合成為終產物3HP的能力還是很低。所以，研究人員又對一系列3HP合成相關的基因進行改造，打造出了產量更高的菌種。

最後，研究者又將二氧化碳固定模塊整合到了大腸杆菌中。這個模塊中的基因可以幫助大腸杆菌更好地吸收HCO3-離子，提高細胞內的二氧化碳濃度。由於二氧化碳也是合成3HP的原料之一，這一改進又一次大幅提高了菌株的3HP合成能力。

最終，通過對以上3個模塊的基因改造，研究人員得到的大腸杆菌菌種能夠以1克脂肪酸為原料，合成出1.56克 3HP。這一成績遠遠超過了以葡萄糖為原料合成3HP的理論值。如果能夠將上述工藝投入產業實踐，將建立一個全新的綠色生物製造路線。