1微生物对木质纤维素类物质的降解

纤维素的可及性(Accessibility )
在不溶性纤维素水解之前，纤维素酶必 须结合到底物颗粒的表面。
纤维素颗粒的三维结构以及纤维素酶的 大小和形状，决定了纤维素酶能否进攻 到β–1，4–葡萄糖苷键，即纤维素酶能 否发挥其水解纤维素的作用。
纤维素颗粒的内表面取决于毛细作用的结构和粒子 内的孔道(1-10nm)及粒子间的空间(>5um) 。 而 纤维素颗粒的外表面积则与其形状和颗粒大小相关。
在酸处理过程中，半纤维素脱乙酰基产生乙 酸和糖类降解产生的少量糠醛具有毒性，对 后期的发酵有一定的抑制，通常采用离子交 换、过量石灰中和等措施脱毒，或选育和使 用能抗毒性的发酵菌。
纤维素DP对酶解速率的作用主要表现在对外切酶 的影响。外切酶作用于链端，因此聚合度较低的纤 维素底物具有更多的外切酶作用位点。
水解过程中DP的变化则取决于外切和内切酶的比 例以及纤维素的性质。由于外切酶在链端依次水解 纤维素链，因此只能有限降低DP，而内切酶作用 于链内，能快速降低DP，导致链端的大量增加。
在不同植物纤维原料中，木质素的结构不同，即使 在同一原料不同部位，木质素的结构也不相同。
木质素在结构上具有庞大性和复杂性，在化学上具 有极不稳定性，当受到化学试剂、温度、酸度影响 时，都会发生化学变化，即便在较温和的条件下， 也会发生缩合作用。
迄今为止，没有一种方法能得到天然木质素，这给 木质素研究造成一定困难。
纤维素的聚合度(Degree of Polymerization, DP )
纤维素的水溶性随DP的升高而迅速降低。聚合度 为2-6的纤维糊精可溶于水，而聚合度为7-13或 更高的纤维糊精微溶于热水。DP为30的葡聚糖 已经具有纤维素聚合物的结构和性质特点。
根据底物的来源和预处理方法的不同，纤维素底 物的DP变化非常大。
⑵ 纤维素影响水解的各种性质
纤维素的结构特征与酶水解之间的关系得 到了广泛的研究，但是仍未全面了解。
一般认为纤维素的结构特点是其水解速率 的限制因素，包括结晶度(Crystaillinity Index, CrI )、聚合度(Degree of Polymerization)和可及性 (Accessibility )等。
的20%，而经预处理后的水解率可达理论 值的90%以上。
预处理方法
物理方法： 研磨、蒸汽爆裂、高能辐射、冷冻处理 化学方法： 碱处理、溶剂处理、酸处理 微生物处理：
2.1 物理预处理法
包括机械粉碎(球磨、压缩球磨)，高温蒸煮、 微波处理和高能辐射等。
通过缩小生物质的粒度降低结晶度，破坏木质 素和半纤维素的结合层，使物料的比表面积相 对增大，软化生物质，使部分半纤维素从生物 质中分离、降解，增加纤维素的可及性，提高 纤维素的酶解转化率。
半纤维素和纤维素之间之所以呈现出相互作用是 由于在细胞壁的形成阶段，半纤维素的合成和沉 积始终和纤维素紧密联系。半纤维素通过增加氢 键结合吸附在纤维索的表面来提高纤维网络之间 的强度。
2 木质纤维素的预处理
预处理的目的：打破纤维素分子的结晶结构，
解除木质素的阻碍和保护层，使材料变得蓬松，
易于被纤维素酶作用。 未经预处理的原料，其水解率低于理论值
纤维素酶的吸附性和纤维素的反应活性，随着纤维 素颗粒体积的降低而不断升高。一些处理方法在降 低纤维素结晶度的同时也增加了其表面积，提高纤 维素的水解速率。
在决定水解速率的因素中，纤维素的可及性比结晶 度更为重要。
除了以上三种因素，半纤维素、木素对 纤维素的包被作用，纤维素表面的平整 度、纤维素的结晶形态等多种因素对纤 维素的酶解效率都有显著的影响。
纤维素的结晶度(CrI )
通常认为结晶度是表明底物反应活性的指标。 真菌纤维素酶对非晶形纤维素的水解速率比结晶纤
维素的水解速率高1-2个数量级。 根据假说，在纤维素水解过程中，无定形纤维素先
被水解，因此在水解后，剩余纤维素的结晶度将升 高。 然而，部分研究发现在酶水解过程中结晶度没有增 加。很难认定CrI是酶水解速率的关键决定因素。
第一章 微生物对木质纤维素类 物质的降解转化
木质纤维素是地球上最丰富、最廉价的可 再生资源，全世界每年产生1000亿吨。
我国每年可利用的木质纤维原料总量可达 20亿吨以上，包括农作物秸秆（7亿多 吨）、林业纤维废料和工业纤维废渣等。
木质纤维素原料来源于木材、农业废物、 林业产品、城市垃圾等。
每一个结晶区称为微晶体。
纤维素的细纤维结构
纤维素在结构上可以分3级: (1)单分子级，即葡萄糖的高分子聚合物; (2)超分子级，自组装的结晶的纤维素晶
体; (3)原纤结构级，纤维素晶体和无定形纤
维素分子组成的，进一步自组装的各种 更大的纤维结构。
若干纤维素分子聚合成结晶宽度为3-5nm的基元 原纤(elemenatary fibril )。
木质素结构单元的苯环和侧链上连有各种不同 的基团：甲氧基、酚羟基、醇羟基、羰基等， 也可以是氢、碳、烷基或芳基。
木质素大分子醚键和碳碳键的连接部位，可发 生在苯环酚羟基之间，或发生在结构单元三个 碳原子之间，或发生在苯环侧链之间。
木质素是一个大的分子网络，通常以木 质素中若干结构单元、各结构单元的比 例及相互之间的联接方式加以说明，要 严格确定它的结构式十分困难。
纤维素的结晶度及可及度
纤维素的结晶度是指结晶区占纤维素整体的百 分率，它反映纤维素聚集时形成结晶的程度。
结晶度a
结晶区样品含量 结晶区样品含量＋非结晶区样品含量
100％
纤维素物料的结晶度大小，随纤维素样品而异。 据测定，种毛纤维和韧皮纤维纤维素的结晶度
为70％～80％，木浆为60％～70％，再生纤 维约为45％。
木聚糖分四大类：a.线状同聚木聚糖(( linear homoxylan); b.阿拉伯木聚糖(arabinoxylan); c.葡萄糖醛酸木聚糖(glucuronoxylan ) ; d.葡 萄糖醛酸阿拉伯木聚糖 (glucuronoarabinoxylan)。
双子叶植物(阔叶木和草本植物) ，主要为聚木 糖型半纤维素。在一些单子叶植物中(如禾木 科和谷类植物)，聚木糖的含量可达50%以上。
木质素模式图
在植物细胞壁中，木质素与半纤维素以共价键的形式 结合，形成木质素与碳水化合物复合体LCC (lignincarbohydrate complex)，将纤维素分子包埋在其 中，形成一种天然的屏障。
在植物细胞壁中纤维素和半纤维素之间无共价键 连接，半纤维素与纤维素微纤丝之间存在氢键和 范德华力，从而形成二者之间的紧密结合。
稀酸处理
稀酸处理一般指用10%以内的硫酸、盐酸、磷 酸等酸为催化剂将纤维素、半纤维素水解成单 糖的方法，反应条件温度为100~240℃，压力 一般高于10个大气压，反应几秒钟至几分钟。
反应进程快， 适合连续生产，酸液无需回收； 缺点是所需温度和压力较高，生成的降解产物
对发酵有抑制作用，反应器材质要求耐酸蚀材 料。
香豆醇
松柏醇
芥子醇
聚合 交联
按照植物种类不同，木质素可分为针叶材、阔叶 材和草木植物木质素三大类。
针叶材木质素主要由愈创木基丙烷单元所构成， 阔叶材木质素主要由愈创木基丙烷单元和紫丁香
基丙烷的结构所构成， 草木植物木质素主要由愈创木基丙烷单元和紫丁
香基丙烷单元及对羟基苯丙烷单元所构成。
Wheat straw
Rice straw
Wood chip
Corn stover
Bagasse
Sawdust
大量的木质纤维素得不到有效的利用。 燃料或在田间直接焚烧 污染了环境，能量利用率低，造成资源
严重浪费. 如能很好的利用这些资源，不仅能避免
资源浪费，解决能源危机，而且能大大 改善我们的生态环境。
2.2 化学预处理方法
酸、碱、臭氧和有机溶剂处理等方法。 其机理主要是使纤维素、半纤维素和木
质素吸胀并破坏其晶体结构，从而增加 其可降解性。
浓酸水解
是指用浓度在30%以上的硫酸、盐酸和磷酸 将生物质水解成单糖的方法。
优点：糖转化率高，纤维素和半纤维素的转化 率都高达80%以上。
缺点：反应速度慢，工艺流程复杂，形成的产 物不是葡萄糖而是寡糖等，浓酸必须回收且工 艺流程的管路和反应器采用耐腐蚀材料。
1. 木质纤维素组成及基本结构
木质纤维素主要由木质素、纤维素和半纤 维素相互嵌合而成。
Components of Lignocellulosic biomassCellulose(6 carbon sugars)
Lignin (phenols)
Hemicellulose (both 5 and 6 carbon sugars)
形纤维素(amorphous cellulose ) 。
纤维素的结晶部分没有游离的羟基存在， 具有牢固的结晶构造，酶分子及水分子难 以侵入到内部。因此，纤维素的结晶部分 比非结晶部分难分解得多。
纤维素的聚集态，即所谓纤维素的超分子结构， 由结晶区和无定形区交错结合的体系，从结晶 区到无定形区是逐步过渡的，无明显界限，一 个纤维素分子链可以经过若干结晶区和无定形 区。
Lignin 木质素
木质素 空腔 纤维素
是结构复杂多样、稳定的生物大分子物质。
由苯丙烷单元(愈创木基丙烷、紫丁香基丙烷和对 羟基苯丙烷)通过醚键和碳-碳键相连接组成的复杂 的不溶性芳香族高聚物。
分子大(相对分子质量>1.0X 105)、溶解性差，微 生物与酶不易与之结合，是目前公认的难降解的芳 香族化合物之一。
Extractives Ash
1.1 纤维素
纤维素由葡萄糖单元通过β-1、4键组成的长链大分 子。通常一条链中有10000多个葡萄糖分子。纤维 二糖可以看作它的二糖单位。
纤维素链中，每个残基 相对于前一个残基翻转 180度，使链采取完全 伸展的构象。相邻、平 行的伸展链在残基环面 的水平向通过链内和链 间的氢键形成片层结构， 环面的垂直向靠其余氢 键和环的疏水内核之间 的范德化力维持。