第十一章-木质纤维素的生物分解及其转化技术..

1.概述2.分解木质纤维素的微生物3.木质纤维素的酶解转化技术4.微生物复合系及纤维素快速分解5.展望第十一章木质纤维素的生物分解及其转化技术第一节概述木质纤维素是地球陆地生态系统中最为丰富的可再生资源，被视为非常有前景的生物质资源。一、木质纤维素结构特点1、纤维素•纤维素是由D-葡萄糖残基以β-1,4-糖苷键相连而成的线性聚合物。•目前普遍被人们接受的纤维素超分子结构理论是二相体系理论，即纤维素是由结晶区与非结晶区交错连接形成的二相体系，其中还存在相当多的空隙。•纤维素具有多形性，具体表现在纤维素的大小、形状、结晶度及在微纤丝中晶体结构和非晶体的比例。2、半纤维素3、木质素二、木质纤维素资源的生物转化目前木质纤维素资源的生物转化技术领域的研究主要集中在3个方面：①具有纤维素分解能力的微生物资源的开发及利用；②具有纤维素分解活性的酶的资源开发及利用研究；③具有快速分解天然木质纤维素材料活性的纤维素分解菌复合系相关特性研究及应用。第二节分解木质纤维素的微生物一、木质纤维素分解菌株的特点木质纤维素分解菌株是指具有木质纤维素分解能力的菌株，其种类繁多，覆盖细菌、真菌众多种属。（一）木质纤维素分解细菌的种类到目前为止，已发现的具有纤维素分解能力的细菌就多达5个纲，10个目。（二）木质纤维素分解菌株的生长环境（三）纤维素分解菌株的细胞形态二、纯培养微生物分解纤维素的研究进展通常，科研人员在各种纤维素分解环境中获得纤维素分解菌培养物，然后利用好氧、厌氧等纯培养技术分离具有纤维素分解活性的单菌菌株。三、纯培养微生物分解纤维素的应用及存在问题在日常的生产中很少直接利用纯培养的单菌进行木质纤维素的分解转化，原因如下：①生长周期长，转化率低；②转化产物复杂第三节木质纤维素的酶解转化技术一、木质纤维素的前处理技术在工业生产中，通常对木质纤维素材料进行处理，目的主要是破坏木质纤维素的致密结构，分解木质素、纤维素、半纤维素，以便进行下游工业生产。一般来讲，前处理尽量满足以下几个条件：提高酶水解的结合率；避免碳水化合物得降解和损失；避免产生对水解及发酵过程起抑制作用的副产物；性价比高。（一）物理法依靠物理方法，通过改变材料的物理结构，增加纤维素与酶接触的表面积，提高酶的转化效率。1、机械粉碎主要利用球磨、振动磨、辊筒等对纤维素原料进行粉碎处理。2、高能辐射利用γ射线、电子辐射等高能射线，破坏木质纤维素物质的聚合度以及纤维素的结晶结构。3、微波处理利用超声波破坏木质纤维素结构。4、高温分解纤维素原料在300℃高温下，纤维素会迅速分解，产生气体产物和焦状残渣，而在较低的温度下，纤维素分解较慢且产生挥发性较弱的物质。（二）化学法化学法是使用酸、碱、有机溶剂等化学药品处理木质纤维素的一种方法。1、酸处理硫酸和盐酸等浓酸均可用于处理木质素原料，但由于其存在腐蚀性，要求反应器具有抗腐蚀能力，同时，为使生产过程具有经济可行性，处理后的浓酸必须进行回收。2、碱处理碱处理的机制是通过碱的作用来削弱纤维素和半纤维素之间的氢键及皂化半纤维素和木质素之间的酯键。碱处理后的木质纤维素具有更多的孔性，因此，件处理后基质更适合生物转化。3、氨处理氨处理是将木质纤维素材料在质量分数10%左右的氨溶液中浸泡24-48h，以脱除原料中大部分木质素的方法。4、其他化学方法•有机溶剂法：有机溶剂或者有机溶剂与无机酸催化剂的混合溶液可破坏木质纤维素原料内部的木质素和半纤维素之间的连接键。•臭氧分解：臭氧可分解木质素和半纤维素。（三）物理-化学法1、蒸汽爆破法将原料和水或水蒸气等在高温、高压下处理一定时间后，立即降至常温、常压，通过压力的瞬间变化，深入木质纤维素中的水以气流的方式从封闭的孔隙中释放出来，使纤维发生一定机械断裂。同时，高温、高压加速纤维素内部氢键的破坏，纤维素内的有序结构发生变化，增加了纤维素的吸水能力。2、氨爆破处理氨爆破处理可在较低的温度和压力下对木质纤维素材料进行爆破。在爆破过程中，氨能与纤维素上的部分羟基形成细胞-OHNH3形式的络合物，从而使纤维素发生膨胀、破碎。3、湿氧化法湿氧化法是在加温、加压条件下水和氧气共同参加的反应。湿氧化法通常加入一定比例的NaCO3，可引起纤维素膨胀，形成了碱化纤维素，但能保持原来的骨架。同时NaCO3的加入可缓和纤维素的膨胀效应，防止纤维素破坏，使木质素和半纤维素溶解于碱液中。（四）生物法生物法是利用能够分解半纤维素或木质素的微生物除去木质纤维素的部分成分，破坏木质纤维素的结构。二、纤维素酶解研究进展纤维素酶是一组可以水解纤维素的酶的总称，属于糖苷水解酶家族。通常所说的纤维素酶主要含有3种成分：（1）内切葡聚糖酶（2）外切葡聚糖酶（3）β-葡萄糖苷酶（二）真菌纤维素酶的特性•Wood等在1972年分离鉴定了C1酶，认为C1酶是一种水解酶，它不易作用于羧甲基纤维素，而能作用于结晶纤维素、磷酸膨胀纤维素等，主要产物是纤维二糖，并证明C1酶是一种β-葡聚糖-纤维二糖水解酶。Tilbeurgh在1986年用木瓜蛋白酶有限酶切CBHI酶，得到具有两个独立活性的片段：一个是只能水解可溶性纤维素、微弱吸附但不能够水解不溶性纤维素的催化域（CD）；另一个是纤维素结合（吸附）区。•1990年Sinnott发现纤维素酶具有与溶菌酶形似的作用机制。•纤维素酶的组分中存在多种同工酶。（三）纤维素的酶降解原理1、纤维素酶的协同作用机制天然纤维素水解成葡萄糖的过程中，必须依靠3中纤维素酶的协同作用才能完成。协同作用是指微生物降解纤维是内切酶、外切酶和葡萄糖苷酶之间和内部的密切配合，进行纤维素的分解。在内切酶与外切酶作用于纤维素的次序方面一直存在争议：一种观点认为EG先从纤维素分子内部随机分解纤维素分子的β-1,4-糖苷键，产生非还原性末端后，CBH结合上去，从非还原性端水解产生纤维二糖，纤维二糖再被CB降解成葡萄糖。另一种观点认为首先是由外切型葡聚糖酶水解水溶性纤维素，生成可溶性的纤维糊精和纤维二糖，然后由内切型葡聚糖作用于纤维糊精，生产纤维二糖，再由CB组分将纤维二糖分解成2个葡萄糖。•Moloney还认为纤维素酶的协同作用一般与酶解低温的结晶度成正比，并且不同菌源的内切酶和外切酶之间也具有协同性。•纤维素酶降解纤维素的最初阶段有纤维素脱纤化和分散化的现象，这种作用是沿着纤维素的经度轴方向分层形成更薄细的亚纤维引起的。2、纤维素酶水解的产物抑制•纤维分解菌类只有生长在纤维性基质上时才能大量合成纤维素酶。槐糖、龙胆二糖、山梨糖等二糖，是纤维素酶合成的诱导物。•纤维二糖在较低浓度可诱导外切纤维素酶的合成，在较高的浓度下对纤维素酶的合成产生阻遏作用。•葡萄糖对纤维素酶的合成具阻遏作用。3、纤维素酶的氧化降解•纤维素酶解的限速步骤是结晶纤维素分子难以进入纤维素酶的活性位点，纤维素结晶区结构的破坏是天然纤维素降解的关键。•降解基质是在研究褐腐菌降解木材时发现的。4、纤维二糖脱氢酶途径•Eriksson发现纤维素的生物降解有氧化酶的参与，随后纤维二糖脱氢酶在白腐菌、褐腐菌、软腐菌中都有发现。•CDH可以氧化纤维二糖形成纤维二糖内酯，解除纤维二糖对纤维素酶的反馈抑制。5、真菌的纤维素降解模式•纤维素的酶解是纤维素聚合物分子链的解聚过程以及糖苷键的水解过程。•前者为纤维素酶分子对纤维素表面的吸附，致使分子链间氢键断裂和基原纤维的分离，纤维素的结构改变。•后一过程水解基原纤维的糖苷键，使其断裂，形成可溶性糖类，对解链也有协同促进作用。（四）细菌纤维素酶的特性•细菌纤维素酶不同于真菌纤维素酶。•多数的具有纤维素分解能力的细菌胞外都会形成一个多酶复合体系。多酶复合体系利用多个不同类型的整合蛋白将内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、β-葡萄糖苷酶、甚至木聚糖酶等半纤维素水解酶类整合到一起，链接在细胞表面。三、纤维素的酶解、糖化技术现状•目前，用于生产纤维素酶的微生物大多属于真菌。四、酶的混合增效及混合酶的应用•自然界中不仅微生物之间存在协同效应，当多酶进行混合时同样存在协同效应，并且已证明很多多酶混合系统显著提高了整体的分解功能，已在商品纤维素酶中应用。第四节微生物复合系及纤维素快速分解•目前，人们已开发出多种针对木质纤维素物质能源转化的技术，其主要途径是对木质纤维素物质进行糖化，然后利用生物方法将糖化产物转化为能源物质或化工原料。•在秸秆的生物分解领域，目前已发现利用菌群可获得相对较好的快速分解效果。一、纤维素分解微生物复合系及纤维素快速分解（一）多菌协作促进秸秆快速分解的原理纤维素分解菌复合系通常由多种不同种属的微生物构成，其内既有纤维素分解菌株也有非纤维素分解菌株。纤维素分解菌株分解木质纤维素的能力和菌种间的协同作用决定复合系对秸秆纤维素的分解能力。非纤维素分解菌株的存在，不仅能够向一些纤维素分解菌株提供良好的生长环境，而且在菌株代谢的作用下，能够消除一些纤维素分解菌株的生长抑制物质，或者产生促进纤维素分解菌株分解纤维素能力或生物量的物质。此外，纤维素分解菌复合系内构成菌株的多样性，使复合系能够保持良好的菌群结构稳定性。（二）MC1的构建及纤维素快速分解•MC1是秸秆纤维素分解菌复合系的典型代表。MC1的构建过程为：以处于高温发酵期的堆肥样品为菌源，用PCS培养基，在50℃下长期定向驯化培养，驯化过程中始终以高温为限制培养条件，以纤维素分解作为筛选指标，保留高分解力培养体系，淘汰弱分解力培养物，经过多世代的培养而获得菌系结构稳定、纤维素分解能力强的培养物。•MC1是多菌共生的菌群，水稻秸秆中的木质纤维素在经由菌群中的纤维素分解菌分解后，其产物再经其他菌株的代谢转化，最终产物多以有机酸为主，因此，MC1分解水稻秸秆后可检测到甲醇、乙醇、乙酸、丁酸、乳酸、乙酸乙酯等产物。二、纤维素分解菌复合系的应用及存在的问题•不同的菌群在分解能力及对秸秆中纤维素和半纤维素的分解能力等方面存在差别，但所有菌群都表现出相对于单一菌的快速分解木质纤维素材料的现象。（一）秸秆分解、糖化（二）快速堆肥化•堆肥化过程实质是生物质资源（或有机废弃物）在适当的条件下（碳氮比、含水量）经过微生物的分解转化，形成稳定物质的过程。（三）含纤维素原料的分解、酸化•目前纤维素类物质在进行甲烷发酵过程中，可以采用两段发酵。即原料在进行甲烷发酵前，先进行酸化处理，可提高甲烷发酵进程。在很多的甲烷发酵反应器的微生物菌群中，也发现了众多纤维素分解菌的存在，因此甲烷发酵过程通常伴随着纤维素的分解过程。第五节展望•纤维素分解菌复合系的开发有效地提高了秸秆等木质纤维素资源的分解转化效率。虽然未获得人们的理想产物-糖类，但其各种有机酸产物同样是重要的工业原料。