第十一章 木质纤维素的生物分解及其转化技术

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。
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。
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。
（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
• 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。
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
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。
• 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 CBH I酶，得到具有两个独立活性的片段：
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。
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。
• 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。
（一）秸秆分解、糖化
（二）快速堆肥化
来自百度文库
• 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。
（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。
• 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。
• 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。
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。
• 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：
（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。
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。
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。
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。
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。
• 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。
（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
• 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。