木质纤维素的酶水解
酶法水解木质纤维素预处理工艺进展
２００８年第２期石油作为不可再生能源，必定逐渐走向枯竭。
燃料乙醇以代用燃料作为解决能源危机的重要手段之一，通过改善能源结构来减少对石油的依赖，保证能源的可持续发展。
目前燃料乙醇已经在我国初步实现了规模化生产，但其生产主要以糖类或粮食为原料，其产量受到粮食资源的限制，难以长期满足能源需求。
从发展的观点看，必须扩大乙醇燃料的原料来源。
利用含木质纤维素的生物质原料，如农作物秸秆、林业加工废料、锯末、废纸、城市垃圾等可再生资源，酶解发酵制取乙醇是进一步开拓乙醇生产原料的有效途径。
我国的生物质资源相当丰富，每年仅产生的农作物秸秆就有７．２×１０８ｔ。
将农林废弃物等木质生物质原料转化为燃料乙醇，形成产业化利用，不仅可缓解石油资源的枯竭，还可解决废弃木质生物质资源的再利用问题，消除其造成的环境污染和生态危害。
１纤维素类物质的组成结构常用的植物纤维原料有３类：针叶材、阔叶材、禾本科材，其中针叶材又称软木，如，杉和松；阔叶材又称硬木，如柳、杨和桦等；禾本科材如竹、芦苇、蔗渣、稻草、麦草和高粱秆等；其他韧皮纤维原料，如构皮、桑皮麻类，以及叶部纤维原料，如甘蔗叶、龙须草等。
木质生物质主要成分为纤维素、半纤维素和木质素等。
纤维素是由β、Ｄ－葡萄糖基通过１，４－糖苷键联结而成的线状高分子化合物，其基本组成单位是纤维二糖。
纤维素分子中的β、Ｄ－葡萄糖基含量即为纤维素分子的聚合度。
草本纤维的聚合度较低。
半纤维素是戊糖（木糖、阿拉伯糖）、己糖（甘露糖、葡萄糖、半乳糖）和糖酸所组成的不均一聚糖，为异质多糖，结构与纤维素不同。
硬木半纤维素中含有较多的木聚糖，但软木半纤维素中则含有较多的葡甘露聚糖。
木质素是由苯基丙烷结构单元通过醚键、碳—碳键连接而成的芳香族高分子化合物。
纤维素在生长状态下都被半纤维素和木质素包裹着，因此，原料中半纤维素和木质素的含量差异，会影响纤维素的降解程度。
木质纤维原料中的纤维素一般含量为４０％￣６０％（干基计），半纤维素含量为２０％￣４０％，木质素含量为１０％￣２５％，还有少量其他化学成分。
《不同木质纤维素类生物质的预处理条件及酶解糖化研究》范文
《不同木质纤维素类生物质的预处理条件及酶解糖化研究》篇一一、引言随着全球能源需求的增长和环境污染问题的日益严重，可再生能源的开发和利用已成为当前研究的热点。
木质纤维素类生物质作为一种丰富的可再生资源，具有巨大的开发潜力。
然而，由于其复杂的结构和组成，木质纤维素的利用效率受到限制。
因此，对不同木质纤维素类生物质进行预处理和酶解糖化研究，对于提高生物质能源的利用效率具有重要意义。
二、不同木质纤维素类生物质的预处理条件1. 农业残余物农业残余物如秸秆、稻草等，通常采用物理、化学或物理化学联合的方法进行预处理。
物理方法主要包括磨碎、蒸汽爆破等，可以破坏纤维素的结晶结构，提高酶解效率。
化学方法则常用稀酸、稀碱等处理，可以溶解半纤维素和木质素，提高纤维素的暴露程度。
2. 林业残余物林业残余物如木屑、树枝等，其预处理方法与农业残余物类似。
但由于其纤维素含量较高，通常更倾向于采用化学法进行预处理。
同时，为了充分利用木质素资源，一些研究也采用了生物法进行预处理。
3. 能源作物能源作物如芒草、柳枝稷等，其纤维素含量高且结构相对简单。
因此，预处理方法可以更加灵活，既可以采用物理法，也可以采用化学法或生物法。
三、酶解糖化研究酶解糖化是利用酶将预处理后的木质纤维素水解为单糖的过程。
在此过程中，酶的选择、酶的用量、反应温度、反应时间等因素都会影响糖化的效率和效果。
1. 酶的选择酶的选择是酶解糖化过程中的关键因素。
常用的酶主要包括纤维素酶、半纤维素酶和木聚糖酶等。
不同种类的酶在糖化过程中的作用不同，因此需要根据预处理后的生物质特性选择合适的酶。
2. 酶的用量和反应条件酶的用量和反应条件对糖化效果有重要影响。
一般来说，酶的用量越大，糖化效果越好。
然而，过高的酶用量会增加成本，不利于实际生产。
因此，需要通过实验确定最佳的酶用量。
此外，反应温度、pH值、反应时间等也会影响糖化效果，需要通过实验进行优化。
四、结论不同木质纤维素类生物质的预处理条件和酶解糖化研究对于提高生物质能源的利用效率具有重要意义。
木质素与酶的作用机制及其在纤维素酶水解中的影响研究进展
西北林学院学报2021,36(2):142-148J o u r n a l o f N o r t h w e s t F o r e s t r y U n i v e r s i t yd o i :10.3969/j.i s s n .1001-7461.2021.02.21木质素与酶的作用机制及其在纤维素酶水解中的影响研究进展收稿日期:2020-04-01 修回日期:2020-05-29基金项目:国家自然科学基金青年基金 纤维素酶吸附及水解对木质素结构S /G 值的动力学响应 (21704045);江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目(201910298034Y )㊂ 作者简介:黄丽菁,硕士在读㊂研究方向:生物质资源化学与工程㊂E -m a i l :h l j19970314@s i n a .c o m *通信作者:吴文娟,副教授,博士㊂研究方向:生物质资源化学与工程㊂E -m a i l :w e n j u a n w u @n jf u .e d u .c n 黄丽菁,吴彩文,邹春阳,闫雪晴,吴文娟*(南京林业大学江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心,江苏南京210037)摘 要:化石燃料的持续开采与使用对环境产生了严重的负面影响,使得开发可再生清洁能源代替传统能源成为必然㊂木质纤维素是一种丰富的可再生资源,可转化为生物乙醇㊁氢气等生物质燃料,被认为是代替化石燃料的理想替代品㊂其中木质纤维原料转化为生物乙醇需经过预处理㊁酶水解以及微生物发酵这3个关键步骤,而纤维素酶水解通常会受到酶㊁水解条件㊁底物等诸多因素的影响㊂针对木质素对纤维素酶水解的影响研究进行综述,大量研究发现,木质素是纤维素酶水解过程中的主要抑制剂㊂木质素既可以吸附纤维素酶,与纤维素酶发生无效吸附;又可以作为物理屏障,阻碍酶对纤维素的生产性吸附㊂尽管通过预处理可以去除大部分的木质素,但依旧无法从根源上缓解木质素对纤维素酶水解的影响,研究木质素的结构单元对酶解效率的影响可能是当前生物乙醇转化中木质素在纤维素酶水解中的研究方向㊂关键词:木质纤维原料;木质素;S /G 比;纤维素酶水解中图分类号:T Q 35 文献标志码:A 文章编号:1001-7461(2021)02-0142-07T h e A c t i o n M e c h a n i s m o f L i g n i n -e n z y m e a n d R e s e a r c h P r o gr e s s o f I t s I n f l u e n c e o n E n z y m a t i c H y d r o l ys i s H U A N G L i -j i n g ,W U C a i -w e n ,Z O U C h u n -y a n g ,Y A N X u e -q i n g ,W U W e n -ju a n *(J i a n g s u C o -I n n o v a t i o n C e n t e r o f E f f i c i e n t P r o c e s s i n g a n d U t i l i z a t i o n o f F o r e s t R e s o u r c e s ,N a n j i n g F o r e s t r y U n i v e r s i t y ,N a n j i n g 210037,J i a n gs u ,C h i n a )A b s t r a c t :T h e c o n t i n u o u s e x p l o i t a t i o n a n d u s e o f f o s s i l f u e l s h a v e a s e r i o u s n e g a t i v e i m pa c t o n t h e e n v i r o n -m e n t ,w h i c h m a k e s i t i n e v i t ab l e t o d e v e l o p r e n e w a b l ec l e a n e n e r g y i n s t e ad o f t r a d i t i o n a le n e r g y .L i gn o c e l l u -l o s e i s a k i n d o f a b u n d a n t r e n e w a b l e r e s o u r c e s ,w h i c h c a n b e c o n v e r t e d i n t o b i o e t h a n o l ,h y d r o ge n a n d o t h e r b i o m a s sf u e l s ,a n d i s c o n s i d e r e d t o b e a n i d e a l a l t e r n a t i v e t o f o s s i l f u e l s .T h e c o n v e r s i o n o f l i gn o c e l l u l o s i c m a t e r i a l s t o b i o e t h a n o l r e q u i r e s t h r e e k e y s t e p s :p r e t r e a t m e n t ,e n z y m a t i c h y d r o l ys i s a n d m i c r o b i a l f e r m e n -t a t i o n .H o w e v e r ,e n z y m a t i c h y d r o l y s i s i s u s u a l l y a f f e c t e d b y m a n y f a c t o r s ,s u c h a s e n z y m e ,h y d r o l y s i s c o n -d i t i o n s ,s u b s t r a t e a n d s o o n .A l a r g e n u m b e r o f s t u d i e s h a v e f o u n d t h a t l i gn i n i s t h e m a i n i n h i b i t o r i n t h e p r o c e s s o f e n z y m a t i c h y d r o l y s i s .L i g n i n c a n n o t o n l y a d s o r b e n z y m e b u t a l s o a d s o r b n o n p r o d u c t i v e l y wi t h e n z y m e .I t c a n a l s o a c t a s a p h y s i c a l b a r r i e r t o p r e v e n t t h e e n z y m e f r o m a b s o r b i n g c e l l u l o s e p r o d u c t i v e l y.A l t h o u g h m o s t o f l i g n i n c o u l d b e r e m o v e d b y p r e t r e a t m e n t ,t h e e f f e c t o f l i g n i n o n e n z y m a t i c h y d r o l ys i s c o u l d n o t b e r e s o l v e d f r o m t h e r o o t .I n t h i s p a p e r ,r e s e a r c h e s o n t h e i n f l u e n c e o f l i g n i n o n e n z y m a t i c h yd r o l -y s i s we r e r e v i e w e d ,a n d t h e p o s s i b l e r e s e a r c h d i r e c t i o n s of l ig n i n i n b i o e th a n o l c o n v e r si o n w e r e p r o po s e d .K e y wo r d s :l i g n o c e l l u l o s e ;l i g n i n ;S /G r a t i o ;e n z y m a t i c h y d r o l y s i s目前,全世界的能源消耗主要来自于煤炭㊁石油㊁天然气等传统化石能源,社会经济的飞速发展使得人们对能源的需求不断增加,这将导致传统的化石燃料日益枯竭,也会带来严重的环境污染问题[1],为了解决能源供求问题,开发可再生的清洁能源已成为必然趋势,这也将是人类社会可持续发展的重大挑战㊂木质纤维原料是目前资源最为丰富㊁分布最为广泛的生物质,主要包括木材(阔叶材和针叶材)㊁能源植物(竹子㊁高粱等)㊁农业生产或林业加工废弃物(如棕榈树干㊁棉茧壳㊁橄榄壳㊁玉米秸秆等)[2],具有可再生㊁储量大㊁价格低等优势,可转化为乙醇㊁氢气㊁生物柴油等生物质燃料[3]㊂其中生物乙醇的生产是通过酶水解纤维原料中的纤维素㊁半纤维素并发酵而成的,这种生产过程取决于3个关键步骤,包括预处理㊁酶水解以及将释放的糖进行发酵[4],而预处理作为其中的关键环节对后续的酶水解有着重要的影响㊂在木质纤维原料的处理过程中,木质素的存在使得木质纤维原料对纤维素酶水解具有顽抗性,导致细胞壁的3个主要成分(木质素㊁纤维素和半纤维素)难以有效的解离,从而导致酶水解效率的降低[5]㊂因此,研究木质素的结构特点有助于降低纤维原料的顽抗性,实现更高效的酶水解,也为开发经济高效的新型预处理技术提供了方法和技术支撑[5-6]㊂目前,关于木质素对酶水解影响的研究有很多,但由于木质素结构的复杂多样性以及预处理对木质素结构的改变使得难以获得统一而确定的木质素对纤维素酶无效吸附的机理[7]㊂本文拟对纤维素酶水解的影响因素进行介绍,并综述木质素与酶之间的作用机理及其在纤维素酶水解中的影响研究进展㊂1木质纤维原料1.1组成与结构木质纤维原料主要含有纤维素㊁半纤维素㊁木质素等,木质纤维原料来源不同,组成含量也不同[8]㊂通常,木质纤维素原料中纤维素㊁半纤维素和木质素的含量分别在30%~60%㊁20%~40%和15%~ 25%[9]㊂纤维素是由葡萄糖组成的多糖聚合物,通过β-1-4糖苷键紧密连接,其聚合度在500~10000㊂由于纤维素分子间的氢键作用,纤维素分为结晶区和无定形区,结晶区氢键排列规则紧密,无定形区氢键排列松散且没有规则㊂分子间的氢键连接是具有不同取向性的,因此产生了不同程度的结晶度㊂结晶度在纤维素的生物降解过程中起着至关重要的作用,一般来说,结晶度越高,纤维素的生物降解就越困难[10]㊂半纤维素是由2种及以上的糖基组成,往往带有不同数量的支链或侧链㊂木糖㊁阿拉伯糖㊁葡萄糖㊁半乳糖和甘露糖等是组成半纤维素的主要糖基,它们根据半纤维素的来源以不同的比例排列㊂针叶材中的半纤维素以己聚糖为主,阔叶材中的半纤维素以戊聚糖为主㊂半纤维素分子量低,具有无定形区,比纤维素更易溶解,也更易受到化学攻击[11]㊂木质素广泛存在于维管植物中,是由苯丙烷单元通过化学键连接而成的芳香族聚合物,作为粘合剂存在于胞间层与微纤丝之间,从而增强了细胞壁的结构[12]㊂构成木质素的结构单元主要有对-羟苯基结构(H)㊁愈创木基结构(G)和紫丁香基结构(S) 3种,但不同来源的木质素结构差异有很大不同㊂这3种结构单元如图1所示㊂图1木质素3种结构单元[13]F i g.1 T h r e e s t r u c t u r a l u n i t s o f l i g n i n[13]一般来说,针叶木木质素含有丰富的G结构单元,阔叶木木质素同时包含G型和S型2种结构单元,而禾草类木质素则由G㊁S㊁H这3种结构单元构成[14]㊂因此根据所含结构单元的不同,木质素可进一步分为G型(针叶木木质素)㊁G-S型(阔叶木木质素)㊁G-S-H型(禾本科木质素)㊁G-H型(应压木木质素)[15]㊂表1为3种结构单元在不同种类植物中的含量[16]㊂表1不同种类植物中的木质素结构单元含量T a b l e1 C o n t e n t o f l i g n i n s t r u c t u r a l u n i t s i n d i f f e r e n tk i n d s o f p l a n t s%结构单元针叶材阔叶材禾草科G单元90~9525~5025~50S单元0~150~7525~50H单元0.5~3.4<0.0110~25 1.2木质素的来源与应用木质素的分离方式一般有2种:1)溶出木质素,木质素降解为可溶性碎片从原料中分离出来;2)保留木质素,纤维素㊁半纤维素降解溶出,木质素作为固体残渣被保留下来[17]㊂根据分离方法的不同,木341第2期黄丽菁等:木质素与酶的作用机制及其在纤维素酶水解中的影响研究进展质素可分为磨木木质素(M i l l e d W o o d L i g n i n, MW L)㊁碱木质素㊁酶解木质素㊁木质素磺酸盐等㊂磨木木质素又称B jök m a n木质素[18]㊂磨木木质素是使用中性溶剂在无酸㊁无热的条件下进行提取㊂此方法的得率较低,但其化学结构未受到严重的破坏,与原木质素具有最相似的结构,经常被用于木质素化学结构的研究㊂碱木质素是烧碱法或硫酸盐法化学制浆的副产物[19],往往含有大量的小分子糖㊁提取物和无机盐等杂质,因此常用碱溶酸析法进行提纯[20]㊂经过提纯改性后的碱木质素可用于复合材料㊁橡胶等领域㊂酶解木质素源自于生物乙醇的生产过程中的酶解残渣,通过有机溶剂或碱溶酸析法分离提取获得㊂它的结构与磨木木质素相似,但得率更高㊂由于酶解木质素未经过高温高压及酸碱的处理,保留了良好的天然结构,含有丰富的酚羟基,可作为在酚醛树脂中苯酚的替代物[21]㊂木质素磺酸盐来源于亚硫酸盐制浆工艺㊂它能够溶解于一定p H的水溶液中,却不溶于大多数溶剂[22]㊂木质素磺酸盐具有良好的分散性和表面活性,可以被用作混凝土外加剂㊁染料分散剂,以及用于工业废水中重金属吸附的乳化剂和螯合剂[23]等㊂2木质纤维原料的预处理木质纤维素结构复杂,纤维素周围被半纤维素和木质素形成的紧密的空间网状结构包裹㊂这种物理屏蔽阻碍了纤维素与外界的接触,也阻碍了纤维素的酶降解㊂为了增大原料的比表面积和提高酶对底物的可及性,改善纤维素的酶解效率,选择适当的预处理方式是必不可少的方法㊂一方面,可以破坏木质素和纤维素㊁半纤维素之间的连接,减少木质纤维素的顽抗性[24-25];另一方面,在一定程度上破坏了纤维素结晶度,增加原料的孔隙度和比表面积,改善了纤维素对酶的可及性[26]㊂目前,常用的木质纤维素预处理的方法有物理预处理,如机械粉碎法[27]㊁微波法[28]等方法;化学预处理,如酸法[29]㊁碱法[30]㊁有机溶剂法[31-32]㊁离子液体[33-34]等;物理化学预处理,如氨纤维爆破预处理[30]㊁蒸汽爆破预处理[35]等;生物预处理,如微生物预处理等[36-38]㊂每种方法都有其优缺点,可根据实际生产情况进行选择㊂3纤维素酶水解的影响因素在木质纤维素原料酶水解中,影响纤维素酶水解的因素有很多,包括纤维素酶和酶水解条件㊁酶的可及性㊁底物对纤维素的包覆等因素㊂纤维素酶是能够将纤维素降解为葡萄糖的酶的总称,分为内切型葡聚糖酶㊁外切型葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶β[39]㊂在一定的纤维素酶浓度范围内,酶解效率会随着纤维素酶浓度的增加而提高㊂T.K i n n a r i n e n等[40]在研究磨碎的废弃硬纸箱的酶解过程中发现纤维素酶的浓度在很大程度上决定着还原糖的产率,但酶的用量也不是越多越好,当浓度达到一定程度时,水解速度的增加会变得缓慢㊂当纤维素酶的浓度适宜时,其催化反应还需要在合适的温度以及p H值范围内进行㊂J o n等[41]在模拟温度㊁酶和生物量负荷对糖产量影响时发现,在较低的温度和较低的酶负荷下纤维素更易转化为葡萄糖㊂通常情况下,纤维素酶水解最适宜的温度在40ħ~60ħ㊂p H值最适宜的范围在4.5~5.5㊂但也有研究表明[42],p H值>5.5会促进木质纤维素的酶解效率㊂底物对纤维素酶水解也有着重要的影响,主要体现在纤维素的结晶度㊁纤维素可及比表面积以及木质素和半纤维素的空间阻碍等方面㊂在水解过程中纤维素酶首先水解纤维素中较易接近的无定形区,有研究表明[43],破坏纤维素的晶体结构可增加其可及度从而加速纤维素的水解㊂酶对纤维素吸附量的大小往往由可及比表面积的大小决定,当底物的孔隙足够大时,通过纤维素酶系统的协同作用,可显著提高纤维素酶水解的效率[30]㊂增加可及比表面积还可以通过去除半纤维素和木质素的方式来增加木质纤维素原料的孔径和可及比表面积,减少酶的非生产性吸附,提高木质纤维原料的酶水解效率[44]㊂3.1木质素—酶相互作用的机制许多研究表明,木质素对木质纤维原料的酶水解有着显著的抑制作用㊂尽管研究者已经对木质素和水解酶之间的相互作用做了大量的工作,但对这些相互作用背后的机制仍然不够清楚㊂目前认为酶水解中木质素的抑制作用主要来源于:1)木质素引起的非生产性吸附;2)木质素的空间结构[45]㊂3.1.1非生产性吸附纤维素酶和木质素之间的非生产性吸附主要与疏水作用[46]㊁静电作用[47]㊁氢键作用[48]有关㊂3.1.1.1疏水作用疏水作用指的是酶结构中的芳香性氨基酸的残基与木质素表面疏水基团的结合㊂纤维素酶中碳水化合物结合域和木质素之间的疏水作用被认为是纤维素酶催化木质素非生产性结合的主要原因㊂除了碳水化合物结合域以外,纤维素酶催化域上的疏水区域也被认为会导致对木质素的吸附[49]㊂K.T.H o d g s o n等[50]测量了木质素和441西北林学院学报36卷纤维素的接触角,发现木质素的接触角大于纤维素的接触角,说明木质素的疏水性高于纤维素,当木质素与纤维素同时存在时,纤维素酶会优先吸附木质素㊂3.1.1.2静电作用虽然疏水作用是主要的驱动力,但静电作用对蛋白质在固体表面的吸附行为也起着重要的作用㊂水相环境中官能团(如木质素的羧基㊁羟基㊁酶的氨基酸残基)的缔合㊁解离会使木质素和酶产生表面电荷,从而引起它们之间的静电相互作用[51-52]㊂在水溶液中,木质素的基团(羟基和羧基)会发生电离使其表面带有负电;而纤维素酶表面有许多暴露在外的氨基酸残基,这是一种两性基团,它所带的电荷性质会随着p H条件的变化而改变[45]㊂例如,当等电点一定时,β-葡萄糖苷酶在p H <5.5时带正电,几乎完全吸附带负电的木质素;而当p H值增加到6.0时,β-葡萄糖苷酶对木质素的吸附能力显著降低㊂但对于外切型葡聚糖酶和内切型葡聚糖酶来说,p H的变化对木质素-酶相互作用的影响并不明显,因为这2种酶的等电点均<5.0,并且在其应用p H值范围5.0~6.0显示出负电荷[53]㊂3.1.1.3氢键作用氢键作用是通过木质素和酶中的羟基发生的,在这些基团中,酚羟基直接负责酶的吸附,而脂肪族和羧基羟基被认为有助于木质素-酶的离子相互作用[54]㊂目前对木质素与纤维素酶之间的氢键结合的研究较少,因此需要进一步研究氢键对木质素-酶相互作用的影响㊂3.1.2空间位阻除了酶的非生产性吸附外,木质素还可以通过空间位阻来抑制纤维素水解㊂在木质纤维原料预处理的过程中,木质素可以迁移到纤维表面,导致整个生物量基质重新分布;也可以通过溶解的木质素重新凝聚形成液滴沉积在纤维素表面,阻碍酶在纤维表面的吸附,进一步抑制纤维素的水解[46]㊂J.K.K o等[55]在高温液态水预处理混合阔叶木的过程中,用电镜扫描观察了在细胞壁表面形成的球形液滴,发现这些液滴主要是疏水性的木质素,它们沉积在纤维素表面阻碍了水解,直观地解释了空间位阻对纤维素酶水解的影响㊂3.2木质素结构单元对纤维素酶水解的影响木质素结构单元的差异,直接影响木质素的分子结构,是木质素大分子结构差异的最主要的因素㊂木质素的组成因素对酶解过程中有着显著影响,被认为是酶水解的障碍,而在组成因素中,S/G比是研究最多的因素之一㊂S/G比之所以能影响酶水解,是因为它会影响木质素交联,进而影响植物细胞壁的三维结构和酶的纤维素可及性㊂许多研究者发现,S/G比与酶对木质素的吸附量呈负相关,但与纤维素水解产量呈正相关㊂例如, M.H.S t u d e r等[56]在对杨树样本研究的过程中发现,较高的S/G比意味着较高的脱木素率,由于高S/G比的木质素中不稳定的β-O-4键所占比例较高,导致它更容易进行预处理㊂因此在这种情况下,木质素更易水解㊂J.K.K o等[53]经过研究发现,G 单元含量高的木质素能吸附更多的纤维素酶,尤其是β-葡萄糖苷酶,木质素对β-葡萄糖苷酶的吸附间接抑制了阔叶木中纤维素的酶解,表明木质素的S/ G比在纤维素酶吸附木质素和生物质水解中的重要性㊂J.E.K i m等[57]研究了在相同反应条件下,草酸和硫酸催化剂对稀酸预处理生物质中木质素结构变化的影响㊂实验中发现,在草酸预处理的生物质中,由于G型木质素的含量较高,导致其对酶解效率有负面的影响㊂在比较酶在马尾松木质素膜与麦草㊁杨木木质素膜上的吸附量时,发现酶在马尾松木质素膜上的吸附量更高㊂而马尾松㊁麦草㊁杨木的S/G 比分别为0㊁0.5㊁1.47,因此这一结果可以证明G单元含量越高,吸附量越大[58]㊂然而,关于S/G比对于纤维素酶水解的影响还存着一些不同的结论㊂一些研究发现,S/G比与未经处理的木质纤维原料的酶水解呈负相关㊂在磨木木质素对纤维素酶的吸附实验中,L.P.T a n等[59]发现经过酸性亚硫酸盐预处理的磨木木质素显示出更高的S/G比以及更高的酶吸附能力㊂在研究桉树3个突变体及相应野生型在离子液体预处理前后对纤维素水解能力的影响时,G.P a p a等[60]发现,高S/G 比木质素会导致葡萄糖产率降低(r=0.97;P< 0.03;n=4),但不影响离子液体预处理后的葡萄糖产率㊂这是由于离子液体预处理的高效性掩盖了S/G比值改变的影响㊂也有一些研究表明,生物原料的水解能力不受S/G比的影响㊂为了研究S/G 比对苜蓿酶促水解的影响,B.S.D i e n等[61]创建了转基因苜蓿,这种苜蓿的S单位含量低于野生型苜蓿,经过实验未发现S/G比对经过稀酸预处理的苜蓿的酶水解有显着影响㊂N.A.T o b i m a t s u等[62]培育出了G㊁S㊁H单元含量较高的木质素,经过实验发现,G㊁S单元的含量对纤维素酶水解的影响几乎为零,而H单元的增加对纤维素酶水解有促进作用,它所产生的葡萄糖几乎是从前的2倍,因此研究者认为,与G和S单元的含量相比,木质素结构中醛基的含量才是酶水解的决定性因素㊂由于H单元在木材中的含量较少,对于H单元对纤维素酶水解的影响的研究较少㊂有数据表明,H单体可能与β-1-4-葡聚糖链而不是半纤维素541第2期黄丽菁等:木质素与酶的作用机制及其在纤维素酶水解中的影响研究进展连接,从而导致小麦和水稻中纤维素结晶度降低,因此H/G对水稻和小麦木质纤维素糖化有积极影响[63]㊂H单元之所以会产生积极作用,可能是因为木质素分子量降低㊁纤维素结晶度由于H单元与葡聚糖链的连接而降低或者是H单元的结合活性高于G㊁S单元[64]㊂F.F.G u o等[65]却在试验中发现木质素中H单元的浓度可能对吸附量没有影响㊂松木木质素和白杨木质素几乎含有相等的H单元,松木木质素的吸附量大于白杨木质素㊂秸秆木质素比松木木质素具有更多的H单元和较弱的亲和力,红麻木质素比白杨木质素和松木木质素具有更多的H单元和较弱的吸附能力,说明H单元数量的增加并没有增加吸附能力㊂秸秆木质素比红麻木质素具有更多的H单元和更大的亲和力,说明H单元数量的增加也没有降低亲和力㊂这些结果表明,H单元的数量可能与吸附能力无关㊂4展望酶水解是利用木质纤维原料生产生物乙醇的重要途径,而木质素通常被认为对木质纤维原料的酶水解有着显著的抑制作用㊂近年来,随着各种技术的综合利用以及新技术的开发,针对木质素对纤维素酶水解的影响的研究越来越多㊂在木质素对酶水解或酶吸附的研究中,由于木质素结构不同的底物,其生物构造㊁化学组分的构成㊁分子结构和超分子聚集态等也各不相同,传统的研究方法通常只能间接推测木质素对酶的吸附及对底物酶水解的影响㊂这也是目前对木质素结构如何影响酶水解存在不同观点的重要原因㊂如何消除非木质素因素的干扰,是解决这一难题的关键所在㊂未来的工作可以考虑制备具有不同单元构成的木质素样品,运用先进的技术,如耗散型石英晶体微分析天平,进行原位㊁实时研究不同结构单元的木质素,以及纤维素复合物在酶吸附和/或酶水解动态行为,在排除其他干扰因素(即除木质素结构不同,其他条件完全相同)的条件下,深刻认识木质素单一因素的影响,构建木质素结构单元与纤维素酶吸附及其对酶水解糖转化的 构-效 关系,为改进现有预处理方法及开发新的高效的预处理方法提供理论依据和技术支持,并有助于提高木质纤维素的酶解效率,实现以木质纤维素为原料进行生物乙醇高效转化的工业化生产㊂参考文献:[1]张海峰,杨军艳,吴建新,等.木质素氧化降解研究进展[J].有机化学,2016,36(6):1266-1286.Z H A N G H F,Y A N G J Y,WU J X,e t a l.R e s e a r c h p r o g r e s s o fl i g n i n o x i d a t i v e d e g r a d a t i o n[J].C h i n e s e J o u r n a l o f O r g a n i cC h e m i s t r 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促进木质纤维素类生物质酶解的预处理技术综述
蒸汽爆破后超细粉碎再 酶解得 到了最大 的酶解效率和非常高
的还 原 糖 浓 度 ｎ 。机 械 粉 碎 预 处 理 的 弊 端 是 能 耗 较 高 和 无
法去除木质素 ， 但是随着机械粉碎程度增 大 ， 酶解反应中酶负 荷将会减小 ， 从这一方面又减少 了昂贵的酶的使用 ， 所以机械
预处理在很多研究 中都 和其他预处理联合应用 。
作者简介 ： 岳建芝（ ９ ４ ） 女 ， １７ 一 ， 河南偃师人 ， 博士研究生 ， 讲师 ， 主要
从事 农 业 生 物 环 境 与 能 源 工 程 领 域 的 研 究 。Ｔｌ ０７ ｅ：（ ３ １）
６ ５８ ６ Ｅ—ｍａ ：ａｚｉ ｅ １６ ＣＩ。 ３５ ２ ７； ｉ ｊ ｎｈｙ ＠ ２ ．Ｏｌ ｌｉ ｕ Ｉ
汽爆 破 后 进 行 超 细 粉碎 处理 ， 后 再 进 行 酶解 试验 ， 果 表 明 然 结
加 入半纤维素酶 ， 这将减少酶的使用成本 ， 但反应料液必须脱 毒， 如果反应 液不进行脱毒处理 ， 很多微生物将不能发酵木 聚 糖 。 目前 ， 于稀 酸预处理 或者稀 酸糖化 的多种 反应 器 ， 用 如批式 、 渗透式、 逆流 、 顺流等反应器已经得 到了应用 。 ３ ３２ 碱预处理 ．． 碱预处理指利用 Ｎ Ｏ 石灰或 者氨水去 ａ Ｈ、 除木质素和部分半纤维素 ， 从而提高酶对纤 维素 的可及度 ， 碱 处理可 以有效地提高糖化效果 。碱处理 机理在于 Ｏ 能 Ｈ一
通信作者 ： 张全 国， 教授 ， 博士生导师 ， 主要从事可再生能源转 换技术
方 面 的研 究 。Ｅ—ｍａ ： ｕ ￣ ｏ １３ ｃｍ。 ｉ ｚ ｍｇ ＠ ６．ｏ ｌｑ ｕ
４５～ １ ｍ的 １５ … 。Ｓ ｉｓ ２ ７０ ． 倍 ｉｒ 等认 为球磨可 以降低木质 ｄａ
木质素提取方法
相对简易方法
方法一酶水解法：
1,丙酮抽提干燥,研磨；2 10g物料，500ml锥形瓶中加入200ml醋酸/醋酸钠缓冲液和5g纤维素酶，40度恒温水浴震荡48h；3 酶水解后，离心分离，pH为2.0的酸性去离子水冲洗酶解粗木素，离心分离，如此重复2-3次，洗涤后真空冷冻，获得粗木质素；4 准确称取5g(绝干)干燥后的酶解粗木素，放入250ml三口烧瓶中，加入100ml酸性二氧六环/水混合液，充分振荡使其混合均匀。
在80-90度环境（油浴）氮气气氛回流和抽提2h；5 静置过滤，用二氧六环/水混合液洗涤，收集滤液；6 滤液中和，旋转蒸发浓缩；7 浓缩液加入大量酸性去离子水（ph=2）；8 沉淀的木质素，洗涤，干燥，最后正己烷洗涤去除残留抽出物。
方法二磨木质素
1、室温脱脂(用体积比为2:1的苯一乙醇提取7h)后干燥;
2、将木粉放在振动球磨中,在干燥状态或者悬浮于甲苯一类的非润涨性溶媒中,磨
碎48h或更长时间,以破坏木材的细胞构造;
3、用二氧己环和水(9:l)提取数次(48h),抽提液(加入少量苯,使含糖物质沉淀)
经浓缩(旋转蒸发器),再40度干燥,可得占原料中木质素50一70%的粗磨木木质素;
4、将粗磨木木质素溶于90%的醋酸中,再注入水中沉淀,经干燥而制得磨木木质素;
5、为了进一步精制,将其溶解于l,2一二氯乙烷和乙醇(2:l)的混合液中,再注入乙
醚中使其沉淀,之后洗涤、干燥。
最终磨木木质素的得率为原料木质素的20一25%。
木质纤维素化学水解产生可发酵糖研究
收稿:2007年3月*教育部重大项目培育资金项目(No.705048)、长江学者和创新团队发展计划项目(No.IRT0552)资助**通讯联系人 e 2mail:lclulin@木质纤维素化学水解产生可发酵糖研究*何北海 林 鹿**孙润仓 孙 勇(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室教育部/985工程0植物资源化学与化工科技创新平台 广州510641)摘 要 能源短缺已成为国际上亟待解决的问题,利用生物质纤维素生产能源乙醇是目前研究的热点。
生物质纤维素转化能源乙醇技术的关键与瓶颈之一是如何将纤维素水解为可发酵单糖,水解技术尚处于不断发展之中。
本文主要综述了生物质纤维素化学水解的研究进展。
关键词 木质纤维素 水解 生物乙醇中图分类号:T K6;TQ35 文献标识码:A 文章编号:10052281X(2007)07P 821141206Chemical Hydrolysis of Lignocellulosics into Fermentable SugarsHe Beihai Lin Lu **Sun Runc ang Sun Y ong(State Key Laboratory of Pulp and Paper Engineering,Innovative Platf orm of Plant Resources,Chemistryand Chemical Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,C hina)Abstract Energy shorta ge is one of the international knotty problems remaining to be solved.Research on bioethanol transf ormed f rom lignocelluloses is the f rontline of biomass 2based energy fields.The key from lignocelluloses to bioethanol is how to produce fermentable sugars ef fec tively by hydrolysis of cellulose.Technologies of lignocellulose hydrolysis re main still to be developed.In this paper,research progress on chemical hydrolysis of lignocelluloses to produce fermentable sugars ef fec tively is presented and suggestions are given.Key words lignocelluloses;hydrolysis;bioethanol 纤维素是木质生物质的重要组成成分,是地球上含量最丰富的可再生资源。
木质纤维素的酶水解[最新]
木质纤维素的酶水解Biological conversion of cellulosic biomass to fuels and chemicals offers the high yields to products vital to economic success and the potential for very low costs. Enzymatic hydrolysis that converts lignocellulosic biomass to fermentable sugars may be the most complex step in this process due to substrate-related and enzyme-related effects and their interactions. Although enzymatic hydrolysis offers the potential for higher yields, higher selectivity, lower energy costs and milder operating conditions than chemical processes, the mechanism of enzymatic hydrolysis and the relationship between the substrate structure and function of various glycosyl hydrolase components is not well understood. Consequently, limited success has been realized in maximizing sugar yields at very low cost. This review highlights literature on the impact of key substrate and enzyme features that influence performance, to better understand fundamental strategies to advance enzymatic hydrolysis of cellulosic biomass for biological conversion to fuels and chemicals. Topics are summarized from a practical point of view including characteristics of cellulose (e.g., crystallinity, degree of polymerization and accessible surface area) and soluble and insoluble biomass components (e.g., oligomeric xylan and lignin) released in pretreatment, and their effects on the effectiveness of enzymatic hydrolysis. We further discuss the diversity, stability and activity of individual enzymes and their synergistic effects in deconstructing complex lignocellulosic biomass. Advanced technologies to discover and characterize novel enzymes and to improve enzyme characteristics by mutagenesis, post-translational modification and over-expression of selected enzymes and modifications in lignocellulosic biomass are also discussed.基于酶水解技术基础上的纤维素乙醇生产技术是20世纪80年代生物质技术的主要研究领域，自从20世纪70年代“能源危机”之后，美国能源部一直积极支持规模以上乙醇生产，并建立独立部门用于管理和支持这项工作。
纤维素水解酶适用性和水解工艺的研究
8 0 0 ~ 9 0 0 万 t ( 绝 干计)。广西香蕉种植面积和产量 在 _内 居 第 二 位 ，2 0 1 3 年年 产 香 蕉 达 2 9 0 万丨，产 生 香 蕉 秆 约 4 1 0 万 I,其中可用于提取纤维素的香 蕉杆产量约280万 t。甘蔗渣的主要成分:灰分8.3%， 纤 维 素 3 5 . 4 % , 半 纤 维 素 20.6%，木 质 素 18.6%。 可 见 ，甘蔗渣含有丰富的纤维素，且 木 质 素 较 少 ， 故甘蔗渣作为纤维原料具有很大的优越性，但目前 甘蔗渣的主要用途除了部分作为造纸原料外，大部 分 用作锅炉燃料，利用 途 径 单 一 ，经济效 益 较 低 ， 已不适应广西区甘蔗经济的发展要求|4< 。另 外 ，香 蕉杆的主要成分：水 分 12.9%,灰 分 2.9%，木质素 8 . 7 % , 半 纤 维 素 1 7 . 4 % , 纤 维 素 55.6%。 目前香蕉 杆的用途是经一般粉碎后直接还田，经 济 效 益 低 ， 造 成 资 源 的 很 大 浪 费 。而 当 前 国 内 外 利 用 纤 维 素 原 料生产燃料乙醇技术商业化存在的主要障碍包括
葡 萄 糖 质 1 ：浓 度 / ( m g • ml/1 )
图 1 葡萄糖标准曲线 Fig.l Standard curve of glucose
1.2.丨.2滤纸酶活力测定 纤维素酶滤纸酶活的测定，用 FPU( filter paper
unit) 表示。F P U 定 义 为 1 m i n 内在一定条件下从
适用性和水解T.艺 ，确 定 SDA-210纤维素酶丨00 u.g \ HSB-420纤 维 素 酶 120 u.g N W X -310纤 维 素 酶 50 u.g'
木质纤维素类生物质高效制糖及综合利用关键技术_概述及解释说明
木质纤维素类生物质高效制糖及综合利用关键技术概述及解释说明1. 引言1.1 概述本文旨在概述和解释木质纤维素类生物质高效制糖及综合利用关键技术。
随着全球能源需求的日益增长和环境污染问题的加剧，寻找新型可再生能源和可持续发展路径已成为当前国际社会的共同关注点。
作为最为广泛分布且主要来源的生物质资源之一，木质纤维素类生物质以其丰富的碳水化合物组分倍受研究者们的关注。
近年来，众多科学家和工程师致力于利用先进的技术手段将木质纤维素类生物质转化为有价值的糖类产物，并开发出相关综合利用方法，以实现生物质资源高效利用，从而满足能源、化工品和材料等多领域的需求。
1.2 文章结构本文将按照以下结构来进行叙述：首先，在第2部分中，我们将重点介绍木质纤维素类生物质高效制糖关键技术。
这包括分离和预处理、酶法降解和水解以及纤维素糖化工艺优化等方面的内容。
然后，在第3部分中，我们将探讨木质纤维素类生物质综合利用关键技术，包括生物质能源转化、生物质制备化学品与材料以及生物质废弃物资源化利用等领域的技术进展。
最后，在第4部分，我们将总结本文中介绍的主要观点和发现，并对未来的研究方向提出建议。
1.3 目的通过本文的详细介绍与说明,我们旨在提供一个全面而清晰的概述木质纤维素类生物质高效制糖及综合利用关键技术。
希望这些信息能够为科学家、工程师和相关领域的研究人员提供有价值的参考，并推动木质纤维素类生物质转化成果在实际应用中更好地推广和落地。
只有通过不断创新和完善相关技术，才能实现可持续发展并促进全球环境保护与经济建设的协调发展。
2. 木质纤维素类生物质高效制糖关键技术2.1 分离和预处理木质纤维素类生物质是一种复杂的多聚糖结构，其中包含纤维素、半纤维素和木质素等组分。
在高效制糖过程中，首先需要对原料进行分离和预处理。
分离主要是将木质纤维素类生物质与其他杂质分离开来，以提高后续酶解过程的效率。
预处理则是通过物理、化学或生物方法对木质纤维素类生物质进行改性，以增加其可降解性和易于转化为糖类的特性。
纤维素水解
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• 1921年Mener-Willians用浓H2SO4水解纯的棉花纤 维，分离出得率为：90.7%的结晶D-葡萄糖。
• 另外也有人将纤维素先溶于40%HCl或72% H2SO4 中，放置12~24hr，然后冲稀至含酸低于1%的水解 液，再煮沸数小时，纤维素几乎完全成葡萄糖， 其得率达理论值的96%~98%。
终止反应：纤维素末端基变为稳定的偏变 糖酸基，不再产生剥皮反应。
剥皮反应
2 纤维素的碱性降解
2.3 醛酮糖互变及β-烷氧基消除反应
• 纤维素葡萄糖末端基在碱作用下转变为果糖末端基
CHO H C OH HO C H
H C O (G)n
H C OH CH2OH
NaOH
CH2OH
C
HO C
HC
O H
O (G)n
3 纤维素的酶分解
3.4.2 物理化学法 3.4.2.1 蒸汽爆裂
蒸汽爆裂是木质纤维素原料预 处理较常用的方法。蒸汽爆裂法是 用高压饱和蒸汽处理生物质原料, 然后突然减压,使原料爆裂降解。
3 纤维素的酶分解
3.4.2.1.1 主要工艺:
用水蒸汽加热原料至160～260 ℃(0.69～ 4.83MPa) ,作用时间为几秒或几分钟,然后 减压至大气压。由于高温引起半纤维素降 解,木质素转化,使纤维素溶解性增加。蒸 汽爆破法预处理后木质纤维素的酶法水解 效率可达90%。
理论上，在其他条件不变时，酸的浓度提高一 倍，水解时间可缩短。通常采用稀酸常压水解时， 酸的浓度为2~3％；稀酸加压水解时，酸浓度为 0.5~1％。
1 纤维素的酸水解
1.6.3 液比系数
水解时液体和纤维素原料的比例叫比例系数
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木质纤维素的酶水解Biological conversion of cellulosic biomass to fuels and chemicals offers the high yields to products vital to economic success and the potential for very low costs. Enzymatic hydrolysis that converts lignocellulosic biomass to fermentable sugars may be the most complex step in this process due to substrate-related and enzyme-related effects and their interactions. Although enzymatic hydrolysis offers the potential for higher yields, higher selectivity, lower energy costs and milder operating conditions than chemical processes, the mechanism of enzymatic hydrolysis and the relationship between the substrate structure and function of various glycosyl hydrolase components is not well understood. Consequently, limited success has been realized in maximizing sugar yields at very low cost. This review highlights literature on the impact of key substrate and enzyme features that influence performance, to better understand fundamental strategies to advance enzymatic hydrolysis of cellulosic biomass for biological conversion to fuels and chemicals. Topics are summarized from a practical point of view including characteristics of cellulose (e.g., crystallinity, degree of polymerization and accessible surface area) and soluble and insoluble biomass components (e.g., oligomeric xylan and lignin) released in pretreatment, and their effects on the effectiveness of enzymatic hydrolysis. We further discuss the diversity, stability and activity of individual enzymes and their synergistic effects in deconstructing complex lignocellulosic biomass. Advanced technologies to discover and characterize novel enzymes and to improve enzyme characteristics by mutagenesis, post-translational modification and over-expression of selected enzymes and modifications in lignocellulosic biomass are also discussed.基于酶水解技术基础上的纤维素乙醇生产技术是20世纪80年代生物质技术的主要研究领域，自从20世纪70年代“能源危机”之后，美国能源部一直积极支持规模以上乙醇生产，并建立独立部门用于管理和支持这项工作。
虽然通过纤维素酶水解纤维素生物质产生的生物燃料和化学产品提供了更高的收益率，较高的选择性，降低能源成本以及相对化学过程更温和的操作条件等，但是这种技术在那个时代依然被判定为高风险行业[1]。
然而新兴生物技术为纤维素乙醇生产成本降低并使其更具有竞争性提供了重要的保证。
改进的稀酸预处理方法和二战时期发现的纤维素酶生产菌Trichoderma reesei是20世纪80年代纤维素乙醇历史性成本降低的主要原因[2-4]。
Rutgers University通过经典突变技术和菌种选育获得了来源于野生型T. reesei QM9414的著名纤维素生产菌株Trichoderma reesei Rut30[5]。
杰能科公司的纤维素酶150 L非常高效是因为β-葡萄糖苷酶的水平大幅提高[6，501]。
最近宣布糖苷水解酶成本显着改善多达20至30[7,8]。
值得注意的是自然环境中大多数的细菌和真菌具有生产生物质水解酶的能力。
纤维素相关微生物进化形成了具有完全降解能力的微生物个体以及作为某些微生物群落中生物质水解反应链中某一环节的微生物个体。
通过这些微生物分泌的纤维素酶被分类为糖苷水解酶（GHs），其中也包括某些具有木素修饰能力的酶。
酶和微生物的结合在不同的生物质水解生态系统中是动态变化的，这依赖于初始的生物质资源和环境影响因子。
通过已有的生物技术，发现以及改良新的酶资源，并使这些酶具有新的特性就具有了更大的潜力，这些特性包括平衡协同基础上更高的特异活性，更好的热稳定性，更好的抗抑制能力以及改进的多种组合（如纤维素酶，半纤维素酶，果胶酶以及蛋白酶）酶活性以获得低成本前提下的高产量的复合糖。
不幸的是，纤维素乙醇生产技术尚未被商业化的部分原因至少是因为从具有天然生物结构屏障的纤维素材料中释放糖具有极大的困难[9,10]。
其结果是水解时需要大量的酶制剂，根据每g经过预处理的纤维素通常需要使用15 FPU剂量纤维素酶实现经济的糖产量换算，相当于制成1L的生物乙醇需要大约30g纤维素酶。
图1说明了酶蛋白的生产成本（美元/千克酶）和包括所需要所有酶种类情况下必须用于乙醇的成本关系（美元/加仑的乙醇），这一数据包括不同的酶达到同样乙醇产量所需要的成本（数据来源于国家可再生能源实验室报告的数据）[11]。
因此，为了实现预期的生物乙醇成本目标（$0.10/加仑或更低），美国能源部计划将酶的成本控制在低于$ 2/kg，并大幅削减产量高所需的酶负荷即提高酶的效率或者两种战略并行实施[12-14]。
此外，酶水解机制以及限制水解效率的因素还不清楚，这也使许多的商业应用因此受到了一定的限制[15]。
提高对生物质及其水解酶的结构和功能的认识将对确定影响木质纤维素生物质转化和生物预处理，水解以及酶对生物质转化中的作用以及制定适当的策略以实现高糖得率和低酶用量起到重要的作用。
酶的水解效率是由纤维素的结构特点和酶作用机制决定的。
虽然过去的几十年里通过大量的研究，在酶的结构，酶分子性质以及纤维素超微结构等方面掌握了一些细节的知识，但是由于纤维素底物结构的复杂性以及酶组分的多样性，纤维素底物的水解机制至今仍然未被完全了解。
因此，本文着重对目前预处理生物质的特性以及影响糖释放的糖苷水解酶的主要特点进行综述，并建议进一步推进如基因组学，蛋白质组学和显微技术等新兴技术对生物质转化的研究。
底物相关因素这一节的目标是对新近获得的对生物质结构性质和相关酶的特征的研究进展进行综述，同时提供通过改善底物结构影响酶水解的研究视角。
生物质具有许多妨碍自身被酶解的结构特点。
大多数的生物聚合物，包括纤维素，半纤维素和木质素在细胞壁中不是孤立存在的，它们之间形成紧密的相互联系[16]。
木质素和碳水化合物（如纤维素和半纤维素）形成木质素-碳水化合物复合体[17]。
最近的研究显示在草本植物中，聚糖-木质素交联通过阿魏酸连接到阿拉伯木聚糖上。
阿魏酸修饰的半纤维素为木质素的增加提供了使木质素锚定在植物细胞壁多糖上的结合位点，这样的结构可能使植物细胞壁具有屏障作用[18–20]。
木质素这种结合在纤维素纤维上形成的复杂结构降低了酶接触纤维素的可能性[21]，但是这种结构至今还没有被清楚地认识。
为了完全的降解这种植物细胞壁中的异质性结构需要多种酶的协同作用，包括纤维素酶，半纤维素酶，辅助酶以及木质素修饰酶。
我们目前的知识结构不足以使我们理解整个纤维素生物质酶水解的过程，目前获得的大多数实验结果都是来自于：纯酶组分作用于纯底物或者复合酶组分作用于热化学预处理的生物质。
纤维素的特点酶水解纤维素的主要商业用途是水解纤维素和其他聚糖类物质并产生可发酵糖，这些可发酵糖包括葡萄糖和/或寡糖，这些水解产物可以通过进一步的生物或化学方法转换成有价值的产品。
虽然由于其他物质以及经预处理后的纤维素衍生物的出现（例如半纤维素和木质素）使纤维素酶水解过程变得更加复杂，但是了解纤维素本身的主要结构特点对酶水解速度和效益的影响仍然是必须的。
由于极小的尺寸，以及与其他基质聚合物（主要是半纤维素和木质素）形成的紧密交联，要准确的描绘植物细胞壁中纤维素的结构是十分困难的。
纤维素可以被视为建立在纳米层次上的微纤维复合材料。
利用先进的成像技术如原子力显微镜（AFM）可以完成天然状态下对纤维素精确的测量和详细的表面结构研究。
基于原子力显微镜技术对植物细胞壁[22-24]的研究显示，微纤丝的直径约为3-5nm，根据推测的含有36个纤维素合成酶的纤维素酶复合体（玫瑰花样），微纤丝含有36根链（CEF）。
从AFM成像中发现一个有趣的现象是大原纤维仅存在于初生细胞壁的最外层。
大原纤维由一束微纤丝组成，在这束微纤丝末端出现分裂并形成更小的微纤丝束直到最终的单根微纤丝。
每根在成熟初生细胞壁中观测到的微纤丝包含一根链，在这根链外层还交联结合了一些半纤维素[25,26]。
玉米细胞壁的新鲜细胞的原子力显微镜图像进一步证实了这一观察[27]。
图2显示了植物细胞壁的合成原理模型。
在这个模型中，至少需要3种纤维素合成酶（CESA亚基，A1，A2和B）通过自发的形成6×6CESA酶才能完成[28]。