微生物在木质纤维素降解中的应用进展

草学

微生物在木质纤维素降解中的应用进展CAO XUE

微生物在木质纤维素降解中的应用进展

熊乙匕杨富裕2,倪奎奎J许庆方“

（1.山西农业大学动物科技学院，山西太谷030801；

2.中国农业大学草业科学与技术学院，北京100193）

摘要：木质纤维素广泛存在于植物细胞壁中，是造纸、制糖工业、农田降解和畜牧业中常见的大分子物质，有着广泛的研究关注度。微生物降解法在不同行业木质纤维素降解中发挥着重要的作用，它安全、高效、绿色的方式是环保节能性产业发展的理想模式。本文对国内外木质纤维素结构和微生物降解相关文献进行分析和评述，由这些研究进展报告可以发现：（1）木质素和纤维素由变构后的木聚糖作为中介连接形成复合体—

—木质纤维素；（2）细菌在降解过程中不同于真菌，能产生多种多样的酶；（3）工业催化剂和基因编辑技术应用于木质纤维素降解中，前者利用金属氧化物等作为催化剂大大提高了降解效率，后者通过沉默或者敲除特定基因，改变木质纤维素合成途径。催化剂是降解木质纤维素效率较高的方法，通过改进反应压强和温度等工艺，未来可能实现温和条件降解木质纤维素。基因编辑技术则从根本上改变了木质纤维素原料的组成，使得其利用发生质的变化。但是微生物降解仍然是最适于农业木质纤维素降解的方法，未来应该会有更多关于耐热性酶制剂的研究。

关键词：木质素；纤维素；真菌；细菌；生物降解

中图分类号：Q946文献标识码：A文章编号：2096-3971(2019)05-0001-07

DOI：10.3969/j.issn.2096-3971.2019.05.001

1木质纤维素概述

木质纤维素由纤维素、半纤维素和木质素组成，

是维持植株形态，保护植物组织的重要物质，广泛

存在于植物界各种植物细胞壁中。自然界中绿色植

物通过同化作用将无机碳转化为糖类储藏于组织中，

这些葡萄糖经过不同的聚合反应进一步合成为半纤

收稿日期：2019-07-19

基金项目："十三五”国家重点研发计划—

—千草低损耗高品质

规模化生产及产品加工技术研究与示范

（2017YFD0502103-02）资助。

作者简介：熊乙（1993-）,男，在读博士，研究方向为饲草

生产加工与利用。

*通讯作者：许庆方（1972-）,

为饲草生产与利用。男，教授，博士，研究方向

维素、纤维素等复杂的化合物，木质素则由含苯环

的氨基酸通过转氨基作用进行转化合成⑴。它们再

通过酯键、醯键等化学键连接形成高聚合大分子，

纤维素长链扭曲成外部疏水的微纤丝，木质素通过

静电作用与变构后的木聚糖结合，木聚糖桥接纤维

素微纤丝的疏水区域，三者形成复杂的木质纤维素

复合体⑴（见图1）。

半纤维素常由木糖、阿拉伯糖等单糖聚合构成，

半纤维素具有一定的亲水性，使得植物细胞具有纤

维弹性，比纤维素容易降解；纤维素是较难降解的

大分子聚合物，是生物界中分布最广、含量最高的

生物质，其含量占植物界碳含量的50%以上⑷；木

质素主要通过化学键连接半纤维素组成植物细胞壁，

具有运输水分和保护等功能，其含量占生物质的

10%-30%t3'51o

IIED

也学

_________综述

cao xue2019年第5期总第249期

纤维素纤维素链木质素琏半纤维素

图1木质纤维素示意图

2木质纤维素结构

2.1木质素结构

木质素是仅次于纤维素和甲壳素的生物质，与微纤丝和半纤维素一起构成植物细胞壁骨架67〕。木质素本质是具有三维空间结构的无定型的芳香物，主要由不同的苯丙烷基团组合成相应的醇单体，且含有多种含氧官能团，例如甲氧基、轻基、竣基等活性结构阁。

现有研究表明，木质素主要由三种基本单体构成，根据木质素单体类型的不同，可以将木质素分为三类由紫丁香基苯丙烷结构单体聚合而成的紫丁香基木质素（Syringyl lignin,S-木质素），芥子醇是其对应的前体；由愈创木基苯丙烷结构单体聚合而成的愈创木基木质素（Guajacyl lignin,G-木质素），松柏醇是其对应的前体；由对径基苯基苯丙烷结构单体聚合而成的对轻基苯基木质素（Hydroxyphenyl lignin,H-木质素）,香豆醇是其对应的前体"°）。

学者研究发现，不同植物的木质素组成结构具有较大差异性，裸子植物木质素通常由愈创木基苯丙烷（G）组成⑴），而被子植物木质素主要由紫丁香基（S）和愈创木基苯丙烷（G）组成，草本类植物木质素通常多由愈创木基（G）、紫丁香基（S）和对轻基苯基苯丙烷（H）结构单元聚合而成等〔⑵，而单子叶草本植物紫丁香基较多。木质素含量不仅仅与植物种类有关，环境的影响也会使得木质素含量表现出较大差异性〔⑶，紫外辐射、降水量以及日照时长等均会影响木质素积累。

木质素呈白色或接近白色，在电子显微镜下显示为球形，具有较强的疏水性，相对密度大约在1.4左右［14'151o天然的木质素分子内部氢键键能大，这是因为木质素中许多芳香基团通常带有极性官能团，使得木质素不溶于一般溶剂，但是通过不同处理方法可以改变。例如，酸碱处理可以得到木质素磺酸盐和碱性木质素，处理后的钱化木质素极易溶于水皿。

不同植物种类木质素表现出较大差异性，针对不同种类植物木质素进行不同酸碱处理后，使其具有一定的亲水性，便于后续降解应用。

2.2纤维素结构

天然纤维素由结构稳定的毗喃型葡萄糖组成，这些稳定的毗喃环葡萄糖通过糖昔键形成长链状，链状分子再形成糖片层，最后通过分子间氢键形成纤维丝进而形成束状微纤丝。这些束状的微纤丝中部分咲喃环上的轻基处于游离状态，空间结构比较松散，被称为非结晶纤维素，这些区域也叫作无定形区⑴〕。另外，随着高分子聚合度的增大，微纤丝中不同毗喃环基团的径基间形成较稳定的氢键，使得纤维素形成致密的晶体结构，这些微晶纤维素组成的区域被称为结晶区。在植物中这些结晶纤维素较多，通常它们占植物体纤维素总含量的70%左右［6.7,18］

天然的纤维素是混合物，呈白絮状或粉状，亲水性较差，表现出较强的极性，分子内部作用力很强，由于长链的微纤丝内部葡萄糖基团为船型连接，这样的空间结构使得其不易扭转，具有很强的刚性。不同种类植物的纤维素聚合度不同，通常禾本科聚合度较低，木本植物聚合度高。结晶度较高的纤维素因其空间构象呈紧密的纤维束，水解酶无法充分接触，故较难降解。

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