木质纤维素的酶水解

木质纤维素的酶水解Biological conversion of cellulosic biomass to fuels and chemicals offers the high yields to products vital to economic success and the potential for very low costs. Enzymatic hydrolysis that converts lignocellulosic biomass to fermentable sugars may be the most complex step in this process due to substrate-related and enzyme-related effects and their interactions. Although enzymatic hydrolysis offers the potential for higher yields, higher selectivity, lower energy costs and milder operating conditions than chemical processes, the mechanism of enzymatic hydrolysis and the relationship between the substrate structure and function of various glycosyl hydrolase components is not well understood. Consequently, limited success has been realized in maximizing sugar yields at very low cost. This review highlights literature on the impact of key substrate and enzyme features that influence performance, to better understand fundamental strategies to advance enzymatic hydrolysis of cellulosic biomass for biological conversion to fuels and chemicals. Topics are summarized from a practical point of view including characteristics of cellulose (e.g., crystallinity, degree of polymerization and accessible surface area) and soluble and insoluble biomass components (e.g., oligomeric xylan and lignin) released in pretreatment, and their effects on the effectiveness of enzymatic hydrolysis. We further discuss the diversity, stability and activity of individual enzymes and their synergistic effects in deconstructing complex lignocellulosic biomass. Advanced technologies to discover and characterize novel enzymes and to improve enzyme characteristics by mutagenesis, post-translational modification and over-expression of selected enzymes and modifications in lignocellulosic biomass are also discussed.基于酶水解技术基础上的纤维素乙醇生产技术是20世纪80年代生物质技术的主要研究领域，自从20世纪70年代“能源危机”之后，美国能源部一直积极支持规模以上乙醇生产，并建立独立部门用于管理和支持这项工作。

虽然通过纤维素酶水解纤维素生物质产生的生物燃料和化学产品提供了更高的收益率，较高的选择性，降低能源成本以及相对化学过程更温和的操作条件等，但是这种技术在那个时代依然被判定为高风险行业[1]。

然而新兴生物技术为纤维素乙醇生产成本降低并使其更具有竞争性提供了重要的保证。

改进的稀酸预处理方法和二战时期发现的纤维素酶生产菌Trichoderma reesei是20世纪80年代纤维素乙醇历史性成本降低的主要原因[2-4]。

Rutgers University通过经典突变技术和菌种选育获得了来源于野生型T. reesei QM9414的著名纤维素生产菌株Trichoderma reesei Rut30[5]。

杰能科公司的纤维素酶150 L非常高效是因为β-葡萄糖苷酶的水平大幅提高[6，501]。

最近宣布糖苷水解酶成本显着改善多达20至30[7,8]。

值得注意的是自然环境中大多数的细菌和真菌具有生产生物质水解酶的能力。

纤维素相关微生物进化形成了具有完全降解能力的微生物个体以及作为某些微生物群落中生物质水解反应链中某一环节的微生物个体。

通过这些微生物分泌的纤维素酶被分类为糖苷水解酶（GHs），其中也包括某些具有木素修饰能力的酶。

酶和微生物的结合在不同的生物质水解生态系统中是动态变化的，这依赖于初始的生物质资源和环境影响因子。

通过已有的生物技术，发现以及改良新的酶资源，并使这些酶具有新的特性就具有了更大的潜力，这些特性包括平衡协同基础上更高的特异活性，更好的热稳定性，更好的抗抑制能力以及改进的多种组合（如纤维素酶，半纤维素酶，果胶酶以及蛋白酶）酶活性以获得低成本前提下的高产量的复合糖。

不幸的是，纤维素乙醇生产技术尚未被商业化的部分原因至少是因为从具有天然生物结构屏障的纤维素材料中释放糖具有极大的困难[9,10]。

其结果是水解时需要大量的酶制剂，根据每g经过预处理的纤维素通常需要使用15 FPU剂量纤维素酶实现经济的糖产量换算，相当于制成1L的生物乙醇需要大约30g纤维素酶。

图1说明了酶蛋白的生产成本（美元/千克酶）和包括所需要所有酶种类情况下必须用于乙醇的成本关系（美元/加仑的乙醇），这一数据包括不同的酶达到同样乙醇产量所需要的成本（数据来源于国家可再生能源实验室报告的数据）[11]。

因此，为了实现预期的生物乙醇成本目标（$0.10/加仑或更低），美国能源部计划将酶的成本控制在低于$ 2/kg，并大幅削减产量高所需的酶负荷即提高酶的效率或者两种战略并行实施[12-14]。

此外，酶水解机制以及限制水解效率的因素还不清楚，这也使许多的商业应用因此受到了一定的限制[15]。

提高对生物质及其水解酶的结构和功能的认识将对确定影响木质纤维素生物质转化和生物预处理，水解以及酶对生物质转化中的作用以及制定适当的策略以实现高糖得率和低酶用量起到重要的作用。

酶的水解效率是由纤维素的结构特点和酶作用机制决定的。

虽然过去的几十年里通过大量的研究，在酶的结构，酶分子性质以及纤维素超微结构等方面掌握了一些细节的知识，但是由于纤维素底物结构的复杂性以及酶组分的多样性，纤维素底物的水解机制至今仍然未被完全了解。

因此，本文着重对目前预处理生物质的特性以及影响糖释放的糖苷水解酶的主要特点进行综述，并建议进一步推进如基因组学，蛋白质组学和显微技术等新兴技术对生物质转化的研究。

底物相关因素这一节的目标是对新近获得的对生物质结构性质和相关酶的特征的研究进展进行综述，同时提供通过改善底物结构影响酶水解的研究视角。

生物质具有许多妨碍自身被酶解的结构特点。

大多数的生物聚合物，包括纤维素，半纤维素和木质素在细胞壁中不是孤立存在的，它们之间形成紧密的相互联系[16]。

木质素和碳水化合物（如纤维素和半纤维素）形成木质素-碳水化合物复合体[17]。

最近的研究显示在草本植物中，聚糖-木质素交联通过阿魏酸连接到阿拉伯木聚糖上。

阿魏酸修饰的半纤维素为木质素的增加提供了使木质素锚定在植物细胞壁多糖上的结合位点，这样的结构可能使植物细胞壁具有屏障作用[18–20]。

木质素这种结合在纤维素纤维上形成的复杂结构降低了酶接触纤维素的可能性[21]，但是这种结构至今还没有被清楚地认识。

为了完全的降解这种植物细胞壁中的异质性结构需要多种酶的协同作用，包括纤维素酶，半纤维素酶，辅助酶以及木质素修饰酶。

我们目前的知识结构不足以使我们理解整个纤维素生物质酶水解的过程，目前获得的大多数实验结果都是来自于：纯酶组分作用于纯底物或者复合酶组分作用于热化学预处理的生物质。

纤维素的特点酶水解纤维素的主要商业用途是水解纤维素和其他聚糖类物质并产生可发酵糖，这些可发酵糖包括葡萄糖和/或寡糖，这些水解产物可以通过进一步的生物或化学方法转换成有价值的产品。

虽然由于其他物质以及经预处理后的纤维素衍生物的出现（例如半纤维素和木质素）使纤维素酶水解过程变得更加复杂，但是了解纤维素本身的主要结构特点对酶水解速度和效益的影响仍然是必须的。

由于极小的尺寸，以及与其他基质聚合物（主要是半纤维素和木质素）形成的紧密交联，要准确的描绘植物细胞壁中纤维素的结构是十分困难的。

纤维素可以被视为建立在纳米层次上的微纤维复合材料。

利用先进的成像技术如原子力显微镜（AFM）可以完成天然状态下对纤维素精确的测量和详细的表面结构研究。

基于原子力显微镜技术对植物细胞壁[22-24]的研究显示，微纤丝的直径约为3-5nm，根据推测的含有36个纤维素合成酶的纤维素酶复合体（玫瑰花样），微纤丝含有36根链（CEF）。

从AFM成像中发现一个有趣的现象是大原纤维仅存在于初生细胞壁的最外层。

大原纤维由一束微纤丝组成，在这束微纤丝末端出现分裂并形成更小的微纤丝束直到最终的单根微纤丝。

每根在成熟初生细胞壁中观测到的微纤丝包含一根链，在这根链外层还交联结合了一些半纤维素[25,26]。

玉米细胞壁的新鲜细胞的原子力显微镜图像进一步证实了这一观察[27]。

图2显示了植物细胞壁的合成原理模型。

在这个模型中，至少需要3种纤维素合成酶（CESA亚基，A1，A2和B）通过自发的形成6×6CESA酶才能完成[28]。