玉米秸秆的酶水解糖化

玉米秸杆的酶水解糖化
李俊英张桂陈学武苗芳侯建革
玉米秸杆的酶水解糖化
摘要：玉米秸杆属植物纤维废料，研究玉米秸杆酶水解糖化的目的在于寻求一条玉米秸杆的合理利用新途径，加工成食品、燃料、化工产品等，具有较好的发展前途。

从玉米秸杆的化学结构出发，阐述玉米秸杆酶水解、糖化的机理及研究概况，玉米秸杆所含成分复杂，需要经过预处理，破坏其结晶性，提高水解性能，从而得以很好利用，具有重要的现实意义。

关键词：玉米秸杆；酶水解；糖化
1 玉米秸杆的化学组分
玉米秸杆的主要成分是纤维素、半纤维素、木质素、粗蛋白和水等。

1.1 纤维素
玉米秸杆纤维素结构单元是由β-D葡萄糖基1，4-糖苷键联结而成的线性高分子化合物。

每个纤维素分子由800--1200个葡萄糖分子组成，据戈林(D.A.J.Goring)等研究，在纤维细胞中的次生壁中，微细纤维、木素、半纤维素中组分均呈不连续的层状结构，彼此粘结又互相间断。

微细纤维是构成细胞壁的骨架，木素、半纤维素则是微细纤维之间的填充剂和粘结剂。

纤维素分子中的葡萄糖(和其它糖)残基的多少，或者称之为聚合程度的高低，因植物种属不同、时空和空间关系的变化而有变异。

玉米秸杆纤维素属于次生壁一类的纤维素分子，其平均聚合度为1000左右。

其中大约30到100个纤维素分子“并肩”排列，在分子内和分子间氢键作用下，形成结晶的(crystalline)或类结晶的(paracrystalline)微纤丝。

微纤丝的结晶区即β-1，4葡聚糖区，而中央的非结晶区则可能是甘露糖或木糖的存在部位，非结晶的或结晶程度差的表面区包围着中央的结晶核(Crystal nucleus)〔2，3〕。

从以上分析，纤维素类分子相互间以特定化学键相联系，形成牢固结构，使其难于分离。

1.2 半纤维素
半纤维素的结构单元是木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等以及这些糖甲基化、乙酯化单位和醛酸衍生物。

半纤维素的分子量较低，聚合度小于200，且分子往往带有支链。

不同来源的半纤维素各种结构单元比例不同，但木糖是玉米秸杆的主要糖、其次是阿拉伯糖。

其中木糖间以β-1，4糖苷键连接，分支度较高。

1.3 木素
木素是一种天然的高分子聚合物。

是由苯丙基丙烷单元通过醚键和碳-碳键联接而成、具有三维结构的芳香族高分子化合物。

玉米秸杆的木素含量为19%-23%。

木素中含碳量达60%-66%，含氢5%-6.5%。

木素含碳量高，含氢量低，玉米秸杆木素的分子量低，降低了木素的化学稳定性，使玉米秸杆较易蒸煮。

玉米秸杆中组分除含以上物质外，尚含有粗蛋白、灰分、水等等。

2 玉米秸杆的预处理
正是由于玉米秸杆组成成分复杂、稳定，使得其生物降解难于迅速进行。

生物工作者从土壤、有病害的植物、牛胃、牛粪等分离筛选活力高的微生物，但至今也未找到能迅速降解的
微生物；有人利用基因工程制造可迅速降解纤维素的菌种，也未获得工业应用。

依据波尔屯克模型，在纤维素的微小构成单位周围被半纤维素，其次是木质素层的鞘所包围。

木质素虽对纤维素分解物质(如酶等)反应没有阻碍作用，但它阻止纤维素分解物对纤维素的作用，因此人们不得不借助化学的、物理的方法来进行预处理，使纤维素与木质素、半纤维素等分离开；使纤维素内部氢键打开，使结晶纤维素成为无定型纤维素，以及进一步打断部分β-1，4糖苷键，降低聚合度。

经预处理后，有的纤维素的酶法降解速率甚至可与淀粉水解比拟，所以尽管预处理会增加成本，但目前仍是必不可少的措施。

下面我们针对预处理方法的优劣逐一进行讨论。

2.1 物理法〔4〕
包括球磨、压缩球磨、爆破粉碎、冷冻粉碎、ν-射线、声波、电子射线等，均可使纤维素粉化、软化，提高纤维素的酶解转化率。

该方法有如下特点：
2.1.1 在一般条件下，作用不明显。

如球磨粉碎纤维素后，酶解率随纤维素的颗粒变小而略有上升；对于电子辐射，在0～100Mrad，只是引起纤维素聚合度的下降，分子量从5.98×105下降到9×103，只有大于100Mrad后，半纤维素和木素的结合层才受影响，而且羟基和羰基受破坏最大，结晶度下降。

2.1.2 预处理成本较高。

应用球磨48h，才可达到270目左右的细度；电子射线和ν-射线均需高能射流发生仪，设备成本高、能耗大，约占糖化总能耗的50%～60%。

2.1.3 处理后的粉末纤维素物质没有胀润性，体积小，可以提高基质浓度，得到较高糖浓度的糖化液。

2.1.4 将原料粉碎成极细的颗粒，一方面使其表面积大大增加，另一方面破坏其结晶性，以便在随后的糖化阶段中易于反应；而爆破粉碎可以使纤维素结合层受到破坏，提高对酶作用的敏感性，大大提高可及度。

例如经高温作用下，半纤维素发生自水解作用而可熔化，木质素也发生部分降解，变得易被有机溶剂或稀碱抽提，此时突然减压爆破，则破坏了植物纤维的细胞结构，使纤维素酶水解糖化率提高。

总之，经过物理方法处理过的玉米秸杆，增加了酶对纤维素的亲和性，还原糖得率明显提高。

2.2 化学法
化学预处理方法有无机酸、碱、有机溶剂等方法。

其机理主要是有效破坏粗纤维之间的化学结构，便于粗纤维物质的分解和释放，从而增加其可消化性。

它有以下特点：
2.2.1 用高浓度的无机酸处理玉米秸杆，有较好的效果，可大大提高物料的酶水解率，但是半纤维素被水解成戊糖，其它产物多种多样，如纤维糊精、纤维二糖、葡萄糖、葡聚糖等，产品得率较低，不可以被酵母消化利用。

腐蚀性强，需要耐酸设备，成本高，并引起所得葡萄糖的分解和复合反应，降低了产品的纯度和得率，改用稀酸进行处理，所得物料几乎全部被水解成葡萄糖。

但该方法存在着试剂回收、中和、洗涤等问题。

2.2.2 用碱法进行预处理，使纤维素及半纤维素损失较大，收率只有50%，故应用起来也较为困难。

2.2.3 有机溶剂预处理效果较好，并且易于回收，但存在着腐蚀及毒性等问题的限制。

由于造成环境污染，成为阻碍其大规模应用于预处理的主要原因。

从总体看来，有机溶剂预处理有一定的发展前景，但必须寻找无毒替代物。

2.3 物理-化学法
该方法就是将物理法与化学法有机结合，扬长避短，例如首先于试样中加入化学试剂，然后运用汽爆法处理样品；或者原料经物理法处理后，再经化学法反应，这样处理后的可消化性能够达到较高的水平。

2.4 生物法
纤维素类物质含木质素、纤维素和半纤维素，纤维素有效酶解受木质素的空间障碍和纤维素本身的结晶度和聚合度的阻碍，在一些方面有独特之处，同时也存在困难之处。

纤维素分子与酶的有效接触、酶用量、时间都是重要的影响因素，并且随着糖浓度的增加，水解速度变慢，因此常采用流加方法加以解决，生物法的预处理显示了独特的优势，污染少，但玉米秸杆所含成分复杂，为了提高葡萄糖得率，在酶的选择上必须十分慎重，除了注意酶系外，在酶催化水解时还有添加各种激活剂或其它物质的做法，该实验还有待研究。

3 酶水解糖化过程
3.1 纤维素的糖化〔5〕
经过预处理的纤维素常常通过酸法或酶法来糖化。

Goldstein等应用两种抗酸膜(20%HCl，60%H2SO4)，将纤维素物质酸解物中的糖和酸分离，一方面获得由纤维素降解产生的糖；另一方面可回收试剂。

生产成本亦不是很高。

纤维素酶法糖化中，生成纤维素降解酶系的微生物种类很多，它们分布很广，但大量分泌纤维素酶而又便于提取的微生物种类不多，目前常用的菌种多来自木霉属、曲霉属和青霉属。

现以承认纤维素的降解需要一系列酶的共同作用才能完成，这些酶包括：内切β-1，4葡聚糖酶，外切β-1，4葡聚糖酶和β-1，4葡聚糖酶，这三种酶协同作用，缺一不可。

酶水解纤维素历程分三步进行，内切葡聚糖酶杂乱地水解纤维素底物分子的糖苷键，生成小的葡聚糖；外切葡聚糖酶从其链端将其水解生成纤维二糖和其它更小分子的低聚糖；β-葡萄糖苷酶水解纤维二糖成为葡萄糖。

纤维二糖的积累对于内切和外切葡聚糖酶的催化作用有抑制的影响，将其水解成葡萄糖，对降低此影响是有利的。

葡萄糖的积累对于β-葡萄糖苷酶的催化也有一定的抑制影响。

但一个突出问题是酶的利用率较低，提高酶的利用率是关系到工业化生产、降低成本的关键。

3.2 半纤维素的糖化
半纤维素作为玉米秸杆的重要组分，生成半纤维素降解酶系的微生物种类也很多，其降解机理与纤维素酶相比，半纤维素酶的研究落后一些，未知的东西更多，木聚糖分子比纤维素分子具有结构多样和组分复杂性等特点，因而其降解难度更大。

水解木聚糖分子的酶则主要由β-1，4-木聚糖和β-木糖苷酶构成，前者从木聚糖分子内水解木聚糖苷键，形成寡聚木糖乃至木二糖和木糖，后者则从前者水解物末端释放出木糖分子，且具有木二糖水解能力。

多组分或多同工酶是木聚糖酶的一个普遍特征，此外，木聚糖的完全水解还需其它支链分解酶的参加，如乙酯酶、阿拉伯糖苷酶、葡萄糖苷酶、葡萄糖醛酸酶等。

使糖化产生的糖类进一步降解生成糠醛等物质，并且所生成戊糖不宜被酵母发酵利用，美国普渡大学“再生资源实验室”(LORRE)研究成功用D-木糖异构酶将木糖异构成木酮糖，再被酵母利用的新途径。