纤维素的结构

固定化酶糖化发酵工艺
固定化酶比游离酶有较好的稳定性，可以重 复使用和回收，又便于连续操作，因此可以 大大降低成本 。 利用固定化纤维素酶技术，对促进纤维素糖 化发酵实现工业化生产有十分重要的意义。
主要参考资料:
[1] S.De 贝特斯，E.J.旺达姆，A.斯泰因比歇尔（陈代杰 等译） 《生物高分子》 第6卷，第10节 P248～282 [2] 张建安,张小勇,韩润林,等. 木素对纤维素酶解的影响及 纤维素酶解[J ] . 化学工程,2000 ,28 (1) :38～43. [3] 刘翔,何国庆. 利用木素纤维素生产燃料乙醇的微生物代 谢工程[J ] . 粮油加工与食品机械,2003 , (8) :67 - 69. [4] Amano Yoshihiko ,Kanda Takahisa. New Insights into Cellulose Degradation by Cellulases and Related enzymes. Trendsin Glycoscience and Glycotechnology ,2002 ,14 :27 - 34. [ 5] Philipp B. Lignocellulosics-science , technologydevelopment and use , eds [M] . Kennedy J F Phillipps GO ,Williams P A. Ellis Horwood Limrited , 1992. 467～477.1998 ,19 (3) :20～27.
协同作用一般被认为是内切型纤维素 酶、外切型纤维素酶和葡萄糖苷酶三者之 间的协作。一般地说，协同作用与底物的 结晶度成正比，当酶的组分的混合比例与 霉菌发酵滤液中各组分的比例相近时，协 同作用最大，而且不同菌源的内切与外切 酶之间也具有协同作用 .
协同降解模型
纤维素降解过程中其它酶的作用
与仅用纤维素酶相比，包括CDH、葡萄糖苷 酶和纤维素酶在内的多酶系统对于具有不同 晶体结构的纤维素表现出了更有效的降解能 力 .天然纤维素要在一种非水解性质的解链因 子或解氢键酶作用下，使纤维素链间和链内 氢键打开，形成无序的非结晶纤维素，然后 在3 种酶的协同作用下水解为纤维糊精和葡 萄糖。
O
4
分子间的 氢键结合
6
'
5 6
2 3
O
4
2
5 6
O O
5
'
O O
2' 6' 5' 4' 1' 3
'
1' 3' 4'
2'
纤 维 素 的 氢 键 系 统
c=0.79nm
纤维素Ⅰ型的 晶胞单元
b=1.03nm
a=0.835nm 图3 根据Meyer-Misch模型的纤维素I单元
纤维素结构对酶解的影响
纤维素通过氢键缔合形成密度大的结晶区 和密度小的无定型区，又被木质素和半纤维 素包围着，形成完整结构，高度不溶于水。 比表面积是影响纤维素酶解的主要因素， 其次是木质素含量，最后才是结晶度。
纤维素的结构 及其生物降解的 研究
赵超 王春明 周帮腾
随着生产力的发展，人们对资源和能源 的需求越来越大。显而易见，煤炭、石油等 一次性能源决不可能长久的满足生产力发展 的需求，于是人们把目光投向了生物能、太 阳能等可再生能源。
纤维素是当今世界上最丰富的可再生 高聚物。据估计，通过光合作用每年合成 的纤维素的到1011～1012吨。
同步酵解发酵工艺
纤维素的酶解糖化与酒精发酵在同一反应器 中连续进行 。 该工艺消除了葡萄糖因浓度高对纤维素酶的 反馈抑制，但存在的主要问题是酶水解与酵 母发酵的最适温度不一致 。
同步产酶与酶解工艺
该工艺是将纤维素酶的合成与纤维素的酶解 糖化耦合在同一个反应器中进行。 这种工艺成本低廉，易于自动化连续操作， 在纤维素资源的转化利用方面是一种新的探 索，继续深入对这种耦合反应动力学的研究 以及生物反应器的开发具有很大的应用前景．
纤维素的来源及结构分析 酶法水解的影响因素 纤维素酶的作用机理 纤维素的酶解工艺
天然纤维素 主要来源于森林木质纤维素类材料，木材是最 主要的来源。其它含有纤维素的物质包括农业残 余物、水生植物、草和其它一些植物类物质。 合成纤维素 功能性纤维素的化学合成已经在实验室中 实现。主要还是通过多步的化学保护－脱保 护反应 。 另一种高效的方法是利用纤维素酶来控制 立体特异性和区域选择性。
纤维素酶的作用机理
第一步是内切型纤维素酶作用于纤维素 分子内部的无定形区，随即水解β- 1 ,4 糖苷键将纤维素分子截短，随后外切型纤 维素酶，作用于纤维素线状分子末端,水解 β- 1 ,4 - 糖苷键,每次切下一个纤维二糖分 子， 最后，葡萄糖苷酶将纤维二糖水解成 葡萄糖分子 。
纤维素酶组分的协同作用
纤维素的结构
6
HO HO H O H 2C
OH O O
H O H 2C
4 5 3 2
3'
O O
1
HO
4' 5'
OH
2'
1'
H O H 2C O HO
OH H OH O
HO
OH
H O H 2C
6'
O
n -2
非还原性末端
葡萄糖酐单元 (n= D P 值 ) 图1 纤维素的分子结构
还原性末端
图
1 1 2 3
Βιβλιοθήκη Baidu
酶和酶用量对酶解的影响
纤维素酶是一种复合酶，不同微生物合成的 纤维素酶在组成上有显著的差异，对纤维素 的降解能力也不大相同。 随着酶量的增加，纤维素酶解率增大；另一 方面从经济角度考虑，酶用量也要尽可能的 少。
温度和pH对酶解的影响
大部分纤维素酶的活性受其环境的温度和pH 值的影响。在最适pH值下，酶解反应具有最 大速度，高于或低于此值，反应速度下降。 纤维素酶的最适pH值一般在4.5～5.5 范围内。
原料预处理
物理法 : 常用的方法有超微粉碎、蒸汽爆破、 高能辐射、微波和超声波处理等 化学方法 :常采用氢氧化钠、液氨及其它化学 试剂处理 物理－化学法 :常用的有氨冷冻爆破法
酶解工艺
酶解糖化工艺 同步酵解发酵工艺 同步产酶与酶解工艺 固定化酶糖化发酵工艺
酶解糖化工艺
早期主要采用一次加料酶解法,后来人们改进 工艺采用分批添料酶解,提高了酶解得率 。 缺点：这种工艺不能消除葡萄糖对反应的抑 制,酶解效率只能在一定程度上得到提高。
抑制剂和活化剂对酶解的影响
纤维素酶可由酶促反应的产物和类似底物的 某些物质引起竞争性抑制 特别是酶解过程中,产生的纤维二糖和葡萄糖, 对整个反应形成明显反馈抑制，使得酶解效 率不高，为了消除这种反馈抑制，必须加入 一些酶激活剂。
常见抑制剂 ： 植物体内的某些酚、单宁和花色素 卤化物、重金属、去垢剂和染料 常见激活剂： Mg2+ 、CoCl2 、Ca2+ 、Ca3(PO4)2和中 性盐类 但条件改变，抑制剂也可能成为激活剂！