纤维素的分解和转化

纤维素的分解和转化

我们对从生物数量转化为乙醇的认识，始于对组成植物细胞壁的三种主要聚合体:纤维素、半纤维素和木质素的内部构造和化学特性的认识。

根据植物种类和细胞类型的不同，纤维素占整个细胞壁重量的35%-50%，半纤维素占20%-35%，木质素占10%-25%。纤维素是地球上最丰富的生物材料。每个纤维素分子是葡萄糖残余物的线型聚合物。依据氢内部以及纤维素分子之间的耦合度，这种多聚糖以晶体或者类晶体的形态为人们所发现。

纤维素存在于其他聚合体矩阵内，起初是半纤维素和木质素。半纤维素是组成绝大多数戊糖(五碳糖)和一些己糖(六碳糖)的糖聚合物的一个分支。

木质素是一个复杂的、高度横向耦合的芳族聚合物，它能与半纤维素共有原子价，因此使得成熟的细胞壁保持稳定。这些聚合物使得植物的细胞壁具有抗分解的密度和强度，从而也使得这些材料具有作为生物燃料生产培养基的实力。

通过真菌和细菌合成的酶，例如纤维素酶、半纤维素酶和其他的糖基水解酶协同合作从而产生更大的效力，以分解多聚糖的分子结构。

然而，这些酶系统和被它们分解的植物细胞壁一样复杂。例如，作为商业用途的纤维酶制剂是由多种水解酶组成的混合物，每种酶都具有独特的功能。

要获得这些酶的最优组合，需要认识它们作为一个紧密控制、高度组织化系统的更多细节。

目前，要获得生物转化乙醇需要三个基本的步骤:

(1)对木纤维素原材料进行热化学处理，使得这种复杂的聚合物更加易于酶分解; (2)生产和应用特殊的酶制剂(纤维素酶和半纤维素酶)对植物细胞壁多聚糖进行水解，以获得单糖混合物;

(3)通过细菌或者酵母进行发酵和调停，把这些糖转化成乙醇。

要获得对关于酶和微生物是如何把生物量转化为乙醇的更全面认识，目前需要克服许多无效率生产。

GTL纤维乙醇调查研究目标

改进纤维素酶系统。GTL将加速纤维素酶系统的发展，通过提供资源来屏蔽各种自然的和改良的酶变量，提高酶的生产量和功效分析，

阐明其调整性控制和必要的分子作用，并制定自然的和工程加固的酶系统的结构和活动分析模型。

整合生物工艺发展。GTL的一个长期目标就是整合生物工艺，通过单一步骤将生物数量转化称乙醇。达到这个目标需要在遗传上就已经改良的、多功能的生物体，或者执行生物媒介转化的稳定混合能力。

科学理解的差异。如果不改进我们在纤维乙醇生产中的必要微生物工艺，发展和改进此技术就会很困难。生物工艺学改革需要基础性的调查研究，这些调查研究要能够探究酶和微生物的广泛多样性，能够分析酶系统，并且能够确定某种因素对生物退化或乙醇生产的影响。基础科学问题将来要进行的调查包括: 生物数量丧失和乙醇机体间自然差异的范围有多大,

在过去30年里，大多数以前从事纤维素生产然后转而致力于乙醇生产的科学研究，现在已经把研究方向集中到真菌系统(主要是木霉)，

因为伴随着酵母的发酵过程纤维素分解成糖。从而更加深入地认识更多种类的水解纤维素和乙醇系统是必须的。现在已经知道具有不同生理特征的细菌种类(比如细菌对氧、温度和含盐浓度具有不同的耐性)可以水解纤维素。因而从更大范围探索

细菌的自然习性将能够获得新的纤维素活性。

可溶性酶是怎样作用于不可溶性晶体酶化物的,

晶体纤维素的水解转换到乙醇的过程中速度受到限制，因为酶的水解作用于这种不可溶的并且高度有序的结构是很困难的。这种晶体中的纤维分子排列得如此之紧密，以至于酶甚至更小的分子比如水分子都不能够渗透进去。不同的生物数量丧失酶是怎样作为一个相互作用系统共同工作的, 纤维素酶和半纤维素酶从细胞中分泌出来成为自由的酶，或者成为更大的、细胞外的复合物被称为纤维素体。这些酶系统的集体活动要比任何单个酶的单独活动更有效率。因此，要想真正了解这些酶是如何起作用的，就应该把它们作为一个系统来研究，而不是对单个的酶进行研究或者有时对一些酶进行研究。另外，这些酶系统最终必须要在实验室条件下进行分析，因为这要比在真实世界进行分析更具有典型性。比如，实验室常常使用纯净的纤维素作为培养基进行酶的分析，而不是使用不同种类的、自然木纤维素材料进行分析，因为这样可能得到关于酶的自然活性的错误结论。

为什么在使用某些糖作为培养基时乙醇有机体效率会更低,

己糖(比如葡萄糖、甘露糖等)、戊糖(比如木糖、巴拉伯糖等)以及寡糖等的混合物是不能水解木纤维素材料的，并且没有任何微生物能够发酵

这些糖。如果要想从最大范围去研究乙醇生物(比如酵母)，就更应该使用葡萄糖作为培养基。甚至使用木糖时酵母分子发生基因上的改进，它们在转换成更慢的木糖发酵前使得所有的葡萄糖发酵。转化率在很大程度上取决于如下这些因素，比如说糖培养基被发酵的类型，以及某个产物来自于其他代谢途径的集中度。

糖转运蛋白是如何把各种糖转运到细胞膜内的,

糖转运蛋白是一种膜结合中的蛋白质，它能够从外界吸收糖然后通过代谢途径把糖转运到细胞内。不同的糖类培养基通过微生物的低效转运只能够得到较低的产品收率，而这对于把生物量有效地转化为乙醇来说是一个主要障碍。我们对于糖转运蛋白非常有限的认识，应当归因于缺少合适的技术来生产膜蛋

白质以及研究它们的结构和功能。需要进行调查研究的问题包括:葡萄糖转运

蛋白能够转运其他的糖吗,如果可以，那么效率如何,一些转运蛋白比其他的转运蛋白更好吗,转运蛋白能够为了提高功能而进行改进吗,

为什么不同的酶和微生物的分解过程会有不同的理想温度,

纤维素酶起作用的最佳温度超过40?C，要比那些乙醇有机体更具耐热性。因

此，这两个过程现在还不能合并在一起。对于大规模的工业生产来说，嗜热性(对高温的耐性)提高了酶或者微生物的活性，并且减少了对培养物污染

的可能性。针对哪些酶、通过什么途径以及是否全部微生物都能变得嗜热性的理论问题，我们研究得还很不够，并且如何把水解纤维素或者促进发酵的途径嵌

入嗜热性有机体中的方法还远未发展出来。

为达到生产并且能够维持稳定的混合培养物还需要什么要求,

最低要求是，被应用于生物乙醇生产系统的培养物需要具有抵抗性或者不管受

到外界微生物或其他潜在有毒物质或生命体的污染都应当保持稳定性。

对于微生物共生体的活力，我们现在还没有了解到足够的细节，这些微生物共

生体能够实现稳定的混合过程，比如说需氧消化和厌氧消化。没有这些认识，我们将

不能“设计”或者“转化”这些系统。

为了实现包括生物乙醇生产在内的微生物基因工程，我们该如何改进这些系统, 当许多研究已经表示可加水分解纤维素有机体的基因来自埃希氏菌属或者其他嗜热有机体的时候，在可加水分解纤维素有机体或者嗜热生物里的特殊异

质基因系统仍需要更进一步发展。我们现在对微生物规则有限的认识，阻碍了我们成功调节微生物对木纤维素酶榨出更多效能以及更有效利用多种糖

和糖酵解的能力。

纤维乙醇的挑战、规模和复杂性