（微生物学专业论文）作物秸秆的微生物降解与转化利用.pdf

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n ，j 尿素氢氧化钠溶液 对纤维素进行溶解后蒋酶解，得糖率接近9 0 。表明木质纤维素的结构如果 在水解前被彻底破坏，其酶解的糖化率会有极大的提高。不同浓度的氨一碱 溶剂分别对纤维素起到溶解或溶胀的作用，极大的促进了处理后纤维素的酶 解，但这种促进作用并非是由于糖苷键的断裂而是由于对纤维素结晶结构的 破坏，使其无定形化所致。纤维索溶解后酶解率的提高并没有随尿素n a o i l 浓度的提高而增大，而与纤维素的溶解度呈正相关。 稀酸对天然纤维素的预处理主要是x t l - 纤维索的破坏，对酸水解后底物对酶 的敏感度的提高则贡献不大。 汽爆预处理过程破坏了半纤维素的结构，对木质素也造成定影1 1 i 自，同时使 底物变得疏松。然而汽爆玉米秸机械磨碎后的底物按颗粒大小分级酶解试验 表明，汽爆预处理还可以使纤维素的结构发生有利于酶解的变化，而不仅是 增大可及的表面积。 微生物发酵试验显示，汽爆预处理后的玉米秸为碳源发酵的酶活与对照相比 有不同程度的变化；用以培养尖镰孢菌等的蛋白则有了大幅度的提高，底物 消耗率也明显增大。粗糙脉孢菌( c j a s s a ) 和尖镰孢菌( fo v s p o l 1 1 1 1 7 ) 两 株丝状真菌直接转化木质纤维素为乙醇的发酵研究均显示，汽爆玉米秸的乙 醇产量高于未处理玉米秸。从应用角度出发，上述预处理方法中以汽爆法进 入实际应用的可能性最大。 关键词：预处理，超临界二氧化碳，微波，汽爆，木质纤维素，酶解，乙醇 山东大学顺：| = 学位论文 a b s t a c t e n e r 9 3 rc o n s u m p t i o nb a si n c r e a s e ds t e a d i l y o 、，e l t h el a s tc e l l l u r ya st i l ex v o i l d p o p u l a t i o nh a sg r o w na n dm o r ec o u n t s 。i e sh a v eb e c o m ei n d u s t r i a l i z e d t b e r e f ox e ， t b e r ei sag s e a ti n t m e s ti ne x p l o r i n ga l t e r n a t i v ee n e s g ys o u r c e s l i g n o c e l l u l o s i c m a t e r i a l sa r et h en l o s ta b u n d a n tr e n e w a b l eo r g a n i cr e s o u r c e p r e s e n t o ne a r t h a g r i c u l t u r a lr e s i d u e s a c c o u n tf o rm o r et h a n h a l fo ft h et o t a l p l a n t s a n dc o u l d c o n t r i b u t et oal a r g ee x t e n ti nt h ep r o d u c t i o no f v a l u e a d d e dp s o d u c t s i ti sas l o wc o u i s ef o rc o r ns t o v e r1 0b ed e g r a d e db ym i c r o o r g a n i s m sd i l l e c t l y b e c a u s eo ft h ec o m p l e xs t r u c t u r e s ，a n dt h ee f f i c i e n c ya n dr a t eo fd e g r a d a t i o nc a n n o t b et o l e r a t e di ni n d u s t r i a l i z e dp r o d u c t i o n p r e t r e a t m e n ti sa ni m p o r t a n tw a yf o r p r a c t i c a l c e l l t d o s ec o n v e r s i o np r o c e s s e s t h ea i mo ft h ep r e s e n tw e l l kw a st o i n v e s t i g a t ev a r i o u sp r e t r e a t m e n tm e t h o d si n c l u d i n gp h y s i c a l ：c h e m i c a la n db i o l o g i c a l t y p e sa sw e l la st h e i re f f e c t so r l t h ec e l l u l a s e c a t a l y z e dr e a c t i o n s t h ef o l l o w i n g u t i l i z a t i o no f p r e t r e a l e dl i g n o c e l l u t o s i c sb y s e v e r a l m i c r o o r g a n i s m s w e r ea l s o d i s c u s s e d t h ec e l l u l o s ep o w d e rw a ss w o l l e na f t e ra b s o r b i n gt h es o i l l i x i v i u m ，w h i c h e n h a n c e dt h ee n z y l n o l y s i s 】。a t eo ft h ec e l l u l o s ep o w d e r ，w h e r e a st i l es o i l i x i v i u m h a dn oo b v i o u sc e l l u l a s ea c t i v i t y hi n d i c a t e dt h a tm a y b ei nt h es o i ll i x i v i u m t h e r ew e r es o m ef a c t o r st h a tc o u l dc o o p e r a t ew i t hc e l l u l a s e ，a n ds w e l l e dt h e c e l h d o s eb ys o r p l i o n ；o rc o u l dd i r e c t l yb r e a kt h eu l t r a s t r u c t u ! e so fc e l l u l o s e ， r e d u c e dt h ei n t e n s i t yo fh y d r o g e nb o n d s ? a n dt h e nf a c i l i t a t e dt h ee n z y m a t i c h y d r o l y s i s a l lt h ea b o v ec o u l db et h ei m p o r t a n tr e a s o n sw h yt i l ec e l l u l o s e c o u l db ed e g r a d e dw i t hah i g he f f i c i e n c yi nt i l en a t u r a ls o i l s u p e r c r i t i c a lc 0 2h a sd i s t i n c ti m p a c t so nt b eu h r a s t r u c t u r e so fc e l l u l o s ea n dt h e c e l l u l a s e c a t a l y z e dr e a c t i o n t i l ec e l h d a s ea c t i v i t yd i ds l o tc h a n g ew h e ni tw a s l r e a l e dw i t hs c c 0 2a tl0m p aa n da t5 0 f o r3 0 r a i n l q o w e v e r , w h e nt h e c e l l u l o s ew a sp - e l l e a l e dw i t hc e l l u l a s e ，l h ec a t a l y t i ca c t i v i t yo fl b ec e l l u l a s cw a s 山东火学顺一i ：学位论文 l o s ta n dd i dn o lp r o d u c el _ e d u c i n gs u g a r t i l ec e l l u l o s ep l e t l + e a t e dw i t ha n d w i t h o u tc e l l u l a s eu n d e rt h es a m es c c 0 2c o n d i t i o nw a sh y d r o l y z e dw i t he l u d e c e l l u l a s e t h ef i u a ly i e l do fr e d u c i n gs n g a l lf r o n 3l a y d r o l y s i so ft h ec e l h l l o s e s c c 0 2p r e t l e a l e dw i l hc e l l u l a s ew a sh i g h e rt h a nt h a io f t h ec e l l u l o s ep r e u e a r e d w i t h o u tc e l h d o s e i tw a sa l s of o u n dt h a tl h ei l n p r o v e m e n lo ft h ee n z ) ，m o l y s i s r a t eh a dad i r e c tr e l e v a n c ew i t ht h ea m o u n to fc e l h f l a s ed u r i n gs c c 0 2 p r e t r e a t n l e n t t i l em o i s t u l e c o n t e n to fc e l l u l o s eb e f m es c - c 0 2p r e t r e a t l n e n t h a da no b v i o u si n f l u e n c eo nt h el a l e re n z y m o l y s i sr a t e t h ef t - i rs p e c t r as h o w e dt h a tt i l es t r u c t u r eo ft h ec e l h l l o s ep r e t r e a t e dw i t h c e l l u l a s ec h a n g e dc o m p a r e dw i t ht h a to ft i l ec e l l u l o s ep l e t l e a t e dw i t h o u tc e l l u l a s e ， i n c l u d i n gt h er e d n c i n go ft i l eh y d r o g e nb o n da n dt i l ec o n t e n to fipp h a s e ，w h i c hi s s t r e s s - r e d u c e dc r y s t a l l i n ef o r mo f c e l l u l o s e i ti st i l ec h a n g ei nt i l ec e l m o s es t r u c t u r e t h a tl e a d st ot i l eh i g h e re n z y l n o l y s i sr a t ei nt h ef u r t h e re n z y m a t i ch y d r o l y s i s t i l es i m i l a rr e s u l t so fe n z y m a t i ch y d r o l y s i sw e r ef o u n dw h e nc e l l u l o s ew a s p r e t r e a t e db ym i c r o w a v e t h ec r u d ec e l m a s ec o n t a i n e dn l o s lo fi t sc a t a l y t i c a c t i v i t yw h e l 3e x p a u d e du n d e rt h er a d i a t i o no f15 0 w l n i c r o w a v ef o r2 1 3 ，w h i l et h e s u g a ry i e l dw a si m p r o v e dw h e nt h eh y d r o y s i cr e a c t i o nw a sp r o c e s s e du n d e r c e r t a i np o w e ro fl n i c r o w a v e 1 1m a ys u g g e s tt h a tn l i c r o w a v ec a l ld e s t r o y , t h e s t r u c t u r eo fc e 】l u l o s ea n dt h el n i c r o e n v i r o n m e n to fc e l l u l a s ew a sm e l i o r a l e dw i t h t i l ee x i s t e n c eo fn l i c r o w a v e i ti sa l s of o u n dt h a t1 l i c r o w a v eh a das y n e r g e t i c e f f e c to nc e l l u l a s e ，a n dt h ec o o p e r a t i o no fd i m e t h y ls u l p h o x i d e ( d m s o ) a n d m i c r o w a v ec o u l db o o s lt h ee n z y m o l y s i sr a t eo fl n i c l ：o c r y s l a lc e l h l l o s ew i t ha b o n t 2 0 c e l h d o s es o l v e n ti san e w s l y ep r e l r e a l m e n ln a e t h o do fc e l l u l o s e s i m p l en r e a a n ds o d i u mh y d r o x i d et h a td i s s o l v e dc e l l u l o s er e s n l t e di n9 0 c o n 7 e r s i o no f c e l l u l o s et og l u c o s e i ts h o w e de n z ) ，m o l y s i sc o u l db eg r e a t l yi m p r o v e dw h e nt h e l i g n o c e l l u l o s i c ss i r u c i h i ew g _ l sd i s r u p t e db e f o r eh y d r o l y s i s b o t ht i l ed i s s o l u t i o n a n ds w e l l i n go t u i e e g n a o f lw i t hd i f f e r e n tc o n c e n l r a t i o nt oc e l l u l o s ep r o m o t e d t i l ee n z y m o l y s i sr a t ei l lal a r g ee x t e n tw h i l et h i sp l o m o t i o nx v a s1 3 0 ld u et ot i l e r u p t u r eo fg l y c o s i d i cb o n d s ，b u td u et o l h cd c s t o ya n dt h ea l h o l p h i s l no f 1 山东大学l i i - i ：学位论文 c e l l u l o s es t r u c t u l e t h ee n z y m o l 3 ，s i sr a t eh a dad iz e c tr e l e v a n c ew i t ht h e s o l u b i l i t yo f c e l l u l o s e ，w h i l en o tw i t ht i l ec o n c e n t r a t i o no f u r e a n a o h t i l em a i ne f f e c to fd i l u t ea c i dt o l i g n o c e l m o s i c s i st i l e h y d r o l y s i s o f h e m i c e l l u l o s e ，w h e r e a st h es e n s i t i v i t yo fp r e t l e a r e dm a t e r i a l st oe n z ) ，m ed i dn o l b ei m p r o v e do b v i o u s l y t h en a j o rd 】a n g e st o1 j g n o c e u 】o s j c sb ys t e a me x p l o s i o na r ea t t r i b u t e d1 0t h e r e m o v a lo fh e m i c e l l u l o s e ，m e a n w h i l ei tc o u l dc h a n g et i l es t a t eo fl i g n i na n d r e d u c et i l e p a r t i c l e s i z e t h ee n z y m a t i ch y d r o l y s i so fd i f f e r e n ts i z e so f s t e a m e x p l o d e dc o r ns t a l ki n d i c a t e dt h a ts t e a me x p l o s i o nc o u l dn o to n l yi m p r o v e t i l e a c c e s s i b i l i t yo ft h ee n z y m e st ol h ec e l h d o s ef i b r i l s ，b u ta l s oc h a n g et h e s l r u c l m eo f c e l l u l o s ew h i c hw o u l df a c i l i t a t et h ef u r t h e re n z y m a t i ch y d r o l y s i s t h ef e r m e n l a l i o no fd i f f e r e n tt y p e so fc a r b o nr e s o u r c e ss h o x 、r e dt h a tt h ec e l i u l a s e a c t i v i t i e so fs t e a me x p l o d e dc o r ns l o v e r c h a n g e dc o m p a r e d w i t ht h o s eo f u n p r e t r e a t e ds t o v e r ，w h i l et h ep r o t e i nc a p a c i t yw a si n c r e a s e di nal a r g ee x t e n t w i t hah i g h e rc o n s u m p t i o nr a t e t i l ed i r e c tc o n v e r s i o n o f 】i g n o c e l 】u l o s i d s1 0 e t h a n o lb yn c f ( i s s aa n df o x y s p o t 1 1 1 j lr e v e a l e dt h a tt i l ee t h a n o ly i e l do fs t e a m e x p l o d e d c o r ns t o v e rw e r eh i g h e rt h a nt h a to ft h o s e u n p r e a t r e a t e do n e s a n y w a y , f r o mt h ea p p l i e dv i e wo f p o i n l ，t h ei d o s ip r o m i s i n gp r e t r e a t m e n tm e t h o d i n a y b e t h es t e m n e x p l o s i o nt e c h n i q u ew i t h i n a l lt h ea b o v ep r e t r e a t m e n t t e c h n o l o g i e s k e yw o r d s ：p r e l r e a l m e n t ，s u p r a c r i t i c a lc 0 2 ，m i c r o w a v e ，s t e a me x p l o s i o n ， l i g n o c e l l u l o s i c s ，e n z y m a t i ch y d r o l y s i s ：e t h a n o t h 东大学硕= 1 = 学位论文 e g c b h f p a n a c m c p n p c d n s d m s o c b d 论文中的缩写词表 e n d o g l u c a n a s e 1 4 一b d g l u c a n c e l l u b i o h 3 ，d r o l a s e s f i l t e rp a p e ra c t i v i t y s o d i u mc a r b o x y m e t h y l c e l l u l o s e p - n i t r o p h e n y l 口一d c e l l u b i o s i d e 3 , 5 一d i n i t r o s a l i c y l i ca c i d d i m m h y ls u l f o x i d e c e ) l u l o s eb i n d i n gd o m a i n 内切纤维素酶 外切纤维素酶 滤纸酶活 羧甲基纤维素钠 对硝基一j 3 一d 纤维二糖苷 3 ，5 - 二硝基水杨酸 二甲基亚砜 纤维素i 吸附结构域 山尔，i 学砸：l 学位论文 第一章前言 1 1 作物秸l t e l 9 高值转化的意义 能源危机与环境问题成为威胁人类社会发展的亟待解决的主要问题。随着全 球人1 3 的增j 7 1 1 5 1 1 各困工业化的提高，能量消耗逐步- 噌j j h 。原油为目前满足日益提 高的能量需求的主要资源。而从当前已知和尚未开发的原油储存量i ；1 9 预计，全球 原n 0 产量将于2 0 1 0 年开始减少”1 。而生物质作为唯一可转化为液体燃料的可再 生能源，正日益受到重视。寻找开发新的能源、节省粮食、减少环境污染的有效 途径越来越重要，引起世界许多国家的重视。 随着二氧化碳的温室效应对环境影响的f i 益加重，人 i f j 1 - 始致力于削减二氧 化碳排放的研究。目前，矿物燃料的燃烧是造成二氧化碳排放的主要因素，从化 学角度上看，生物质的组成是碳氢化合物，它与常规的矿物燃料，如石“l l 、煤等 是同类，被i 喻为即时即用f t 9 - 色煤炭。正因为这样，生物质的特性和利用方式与 矿物燃料有很大的相似性，可以充分利用已经发展起来的常规能源技术开发利用 生物质能，利用技术的开发和推广难度低，与现代的工业化技术和现代化生活有 着最大的兼容性，对常规能源有很大的替代能力。最重要的是，与矿物燃料相比， 生物质的挥发组分高，炭活性高，含硫量和灰分都比煤低，因此，生物质利用过 程中s 0 2 、n o x 的排放大为减少，造成的空气污染和酸雨现象会明显降低。 生物质通过转化几乎可以应用于目前人类工业生产和社会生活的各个方面。 生物质转化生成的乙醇除了可以替代石油做汽车燃料，也是一种重要的化工产 品，主要应用于化妆品、药品、食物添加剂等的制造以及作为工业溶剂、萃取剂 和防冻剂等“。另外，乙醇还是一种重要的有机化合物合成中间体”1 ，乙醇脱水 可转化成有机化合物母体乙烯，乙烯通过各种化学反应可转化成各种石化产品。 因此，利用丰富的植物纤维资源制取酒精，可以缓解未来石油资源短缺所带来的 一系列石化原剃短缺的问题。 因此，为了满足人类社会可持续发展的需求，各国都在致力于寻找新型廉价 的可再生的替代性能量来源。太阳能照射到地球后，一部分转化为热能，一部分 被植物吸l 比转化为生物质能。转化为热能的太阳能能量密度很低，不容易收集， 只有少量被人类所利用，其他大部分存于大气和其他物质r l k 生物质通过神奇的 i l 山东大学砚二j 。学位论文 光合作用，把太阳能富集起来，储存在有机物t ：1 二i 这些能量是人类发展所需能源 的源泉和基础。植物的光合作用是燃烧反应的逆过程，而燃烧反应是人类获取和 使用能源的主要方式。从整个生物圈的物质循环来看，如果这两个过程能够相互 i 匹b - g ，形成完整循环，生物质能源即取之不尽，用之不竭，且没有多余污染物的 产生。基于这一独特的形成过程，生物质能既不同于常规的矿物能源，又有别于 其他新能源，兼有两者的特点和优势，是人类最主要的可再生能源之一。而生物 质能中，最重要也是来源最广而利用率很低的就是作物秸秆类废弃物。 我国是一个农业大国，作物秸秆( 如稻草、麦秆等) 的年产量非常巨大( 年 产可达7 亿吨左右，相当于5 亿吨标煤) ，但是由于这一可再生资源组分多，结 构复杂，长期以来一直没有得到经济合理的开发利用。目前我国主要的利用方式 有：1 ) 秸秆还田。包括机械化粉碎直接还阳，高温堆肥，过腹还田等。但由于 秸秆难降解，腐烂慢，影响耕种，或是容易引起病虫害，导致应用阻力较大，应 用面积小”。大量秸秆仍被露天燃烧，污染环境。2 ) 秸秆做生产原料。应用于 造纸、编织、建筑材料以及- - a ：e 原料的生产。此法不仅消耗的秸秆量少，利 用率有待进一步提高。3 ) 用作动物饲料。通过一定的预处理来改善秸秆的营养 价值和可消化性，主要包括青贮、氮化、微贮等方法。此类研究起源于德国，前 苏联处于领先地位，我国开展的较早，但发展缓慢，生产能力较低。4 ) 用于农 村能源建设。主要是热解气化和发酵制沼气。这种新的能源方式的建立既缓解了 农村地区能源供应短缺的情况，提高了农民生活质量，又适应了现代化新农村的 发展需求。但热解气化炉( i j 技术还不过关，另一方面，秸秆制沼气在很大程度上 是出于环境考虑，而不是经济行为，在商业上没有竞争力，无法形成产业化。 因此，更高效的利用秸秆，对缓解人类的粮食和能源危机，加速我国天然资 源再生利用的发展和缓解三农问题具有重大意义，同时在环境污染的防治和良性 生态系统的建立上也会发挥重要作用，其社会效益非常显著。农作物废弃物的的 全利用无疑将是新的千年中对人类最为重要的生物技术之一。据统计，我国目前 的秸秆利用率为3 3 ，但经过一定技术处理后利用的仅占2 6 ，其余大部分只 是作为燃料等直接利用，开发前景非常广阔。经技术处理后利用普遍存在成本过 高，利用率低等问题，究其原n ；e - - - 由于秸秆的结构非常复杂，在应用之前必须进 行一定的预处理。 山东，i 学础二卜学位论文 1 2 作物秸秆的结构与预处理 1 _ 7 1 作物秸秆的结构 作物秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素( 统称木质纤维素) 组成，还含 有少量的淀粉和狄分。木质纤维素是一种碳水化合物的多聚体和木素的异质性的 混合物，而木素则是由芳香环化合物单元组成的种复杂的多聚物“3 。木质纤维 素通常含有5 5 7 5 的碳水化合物，见表1 1 。 表l - j 术质纤维素的组成 纤维索象淀粉样是葡萄糖的多聚体，是通过d ，】，4 葡萄糖苷键连接而成的 直链聚合体，链的一端是还原端，另一端是非还原端。纤维素分子式可表示为 ( c 6 1 t 1 0 0 5 ) 。，n 为聚台度，表示纤维素中葡萄糖单元的数目。然而与淀粉不同的 是，纤维素大分子间通过大量的氢键连接在一起形成晶体结构的纤维束。正是这 种特殊结构使得葡萄糖链有序、紧密堆积，形成了高度结晶的结构，从而也造成 了纤维素不溶于水，难以被降解。只有在催化剂存在下，纤维索的水解反应列。显 著进行。常用的催化剂是无机酸和纤维素酶。 图i 一1 纤维桑的结构 ， 木质纤维素c m q 另一种碳水化合物组分是半纤维素，它是由两种或两种咀一1 2 l i u 东大学硕= r 学位论文 单糖丛组成的不均一多聚糖，大多带有支链。构成主链的单糖主要是葡萄糖、木 糖和甘露糖，支链则主要被阿拉伯糖、木糖、半乳糖、果糖、葡萄糖或葡萄糖醛 酸所取代。各种糖所占比例随原料而变化，般木糖占一半以上。半纤维素和纤 维素的微纤丝通过氢键缔合在一起，从而形成了种网络，提供了支撑植物细胞 壁的结构骨架。 h l c 0 0 h 图1 2 半纤维索的结构 在一些细胞壁中木质素的存在提供了更多的支撑，同时还可以抵御病虫害。 木质素是由苯基丙烷结构单元通过碳一碳键和醚键连接而成的三维空间高分子芳 香类化合物，组成木质素的单体有三种：对香豆醇、松柏醇和芥子醇，如图1 3 。 木质素的结构非常复杂，在不同植物之间甚至同一细胞的不同壁层之间木质素的 结构都有很大差异。木质素的包被阻碍着纤维素的降解，是自然界碳素循环的限 速步骤。 - c _ c 愈包基结构繁丁香基结构 h 心弋弋 对羟苯基结构 图1 3 木质素的三种基本结构单元 综上所述，纤维素和半纤维素都是潜在的可发酵糖的来源，然而细胞壁中木 质素的存在则阻碍了这些碳水化合物的酶解。由于木质纤维素的这利1 1 寺殊结构， 符嘶 广也”r“： 山东，i 学颂= l 学位论文 决定了天然生物质的降解效率是很低的。 】2 2 木质纤维素的降解 对木质纤维索的利用主要有酸水解和酶水解两种工艺。酸水解又分为浓酸水 解和稀酸水解。浓酸水解的酸必须回收，且对设备腐蚀严重。稀酸水解常用的酸 浓度不超过3 ，但它的反应器构造复杂，糖的产率较低，且会生成剥发酵有害 的副产品。 相对而言，酶水解有不少优点。它在常温下进行，微生物的培养与维持仅需 较少的原料，过程能耗低。且纤维素酶有很高的选择性，可生成单一产物，故糖 产量高。由于酶水解中基本上不加化学药品，且仅生成很少的副产物，所以提纯 过程相对简单，也避免了污染。 纤维素的酶解首先为纤维索分子链的解聚、断裂，在此过程中，分子内、问 氢键网络的存在起关键作用“1 。纤维素的酶水解法已进行了不少颇有成效的研究 ，但将纤维素以工业规模转换成葡萄糖的无污染新工艺尚未实现，这主要是由 于以下原因： 第一，纤维素酶的分子转换效率低。在酶水街犁过程中，纤维素酶对水解产物存 在非常敏感的反馈抑制作用。纤维素酶活力主要被纤维二糖其次是葡萄糖 所抑制，而使用大量酶、添加b 一葡萄糖苷酶和移走水解产生的糖有利于 消除此抑制。纤维素酶是一个多组分酶系，纤维素酶各组分的比例以及 相互| ! c j 】惘作用对纤维素酶解影响很大。纤维素酶水解是固液多相反应， 纤维索对纤维素酶的可及性是决定水解速度的关键因素。纤维素具高度 不溶性和难降解性。纤维素本身是由结晶区和无定形区组成的，如何打破 结晶区是影响水解的另一个因素。 第二，纤维素与大量的木质素和半纤维素共存，它们包围在纤维素外面，或填充 在纤维素的毛细管空腔和无定形区域，堵塞了酶的通路。 纤维素的多相水解反应必须经历由表及里的逐层反应过程，尤其是纤维索结 晶区的反应更是如此。因此，对纤维素进行适当的预处理是充分利用纤维素资源 的重要一步。 1 2 - 3 对天然木质纤维素的预处翌i ! 在纤维素酶对纤维索的降解过程中，纤维素酶的作用是把纤维素层层剥 山东大学硕：l 学位论文 离，其问酶的构象发生变化，所放出的能量破坏纤维素的结构，降低活化能，而 酶大量失活。所以酶解所需时问长，酶的用量很大。纤维素酶的重要生产菌株木 霉所产酶系中，外切葡聚糖酶c b i i 占4 0 左右，整个酶系统的最佳降解比例是 c b h ：e 6 ：c b = 7 ：2 ：】。如此大比例f l , oc b h 的作用是去扣破纤维素的晶体结构，在纤 维索的降解过程中，对其结构的破坏的重要性由此可见一斑。 各种预处理方法都是为了达到同样的目的以比酶更廉价的方式打破木 质纤维素的结构，提高纤维素的酶解效率，从而提高原料的利用率。 由上述可知，纤维索的结晶度、可及表面积、异质性的结构、木质素对纤维 素的保护以及半纤维素的封闭都使得木质纤维素难以被水解。曾有研究认为纤维 素的结晶度是其难以被利用的主要原因“1 ，然而更新的实验证明，如果使用足够 过量的酶液，仅结晶度一项障碍并不足以造成纤维素水解如此严重的被抑制”。 例如，当微晶纤维素a v i c e 被g e n e n c o rc y t o l a s e ( c l ) 纤维素酶以7 2u n i t s g 的酶量水解6 天，微品纤维素的水解率达到了8 0 “。结构和组分之问的关系 反映了木质纤维素材料的复杂性。而这种特质的不同决定了不同来源的木质纤维 素的可降解性不同。从根本上说，一种有效的预处理能打破这些阻碍纤维素被降 解的障碍，从而纤维素酶能够渗入进去并引起的水解，同时也能减少糖的降解， 如图卜4 所示。 o gkd e g a d a l o n k 2 ，k 3 ， k l 圈卜4 预处理模式 天然秸秆结构的复杂性决定了其被利用的难度。纤维素酶独特的吸附过程使 底物对酶的可及度问题更加突出。预处理是纤维素转化应用的重要工具。预处删 能改变木质纤维素材料的结构，从而提高纤维素对酶的可及度，后者可将纤维素 转化为可发酵的糊i ，血n 图卜5 所示。 弋彳 c口 “寰蓉：。 c r 、j s l m l i n er r 。g ；o e f f e c ! o fp r o lr o a r m e n t c c ij u l f l c 蚓卜5 预处理对术质纤维紊娄原料的效果示意图“。 关于对纤维素酶解前进行预处理的研究由来已久。氢氧化钠溶液的涧胀处理 是发现最早、昂有效的预处理手段之一。自从1 8 4 4 年m e r c e r 发现碱对纤维素的 丝光化作用以来，人们已经对纤维素在碱溶液中的润胀机理科l 结构变化进行了长 期细致的研究工作“。在二十世纪八十年代到九十年代的二十年问，各种化学预 处理方法得到了极大的发展，除了起初的氢氧化钠溶液”“，还有液氨“1 、酸溶 液“及有机溶剂等“”“。而早在】9 4 6 年人们就用球磨方法制得了完全无定形结 构的纤维素，虽然得到的无定形结构极不稳定很快就形成了晶态结构”“。到二十 世纪八十年代，这种机械顸处理得到了极大的改进”! ”3 。高压蒸汽爆破技术是近 年来发展较快、比较有效、低成本、无污染的新技术”4 1 “。蒸汽爆破最初是用于 植物纤维的高效分离，即用于制浆过程，由m a s o n 于1 9 2 7 年首先提出来，并取 得专利”。蒸汽爆破技术应用于木质纤维素的预处理以提高化学和酶试剂的可及 度方砸则是最近十几年的事情”3 ”。这种方法由于处理时间短、化学药品用量少 而迅速引起了许多研究者的注意，并得到广泛应用”。 纤维素溶剂是一种新兴的纤维素预处理方法。这种溶剂能溶解蔗渣、玉米秸、 杂草等中的纤维素，使纤维素转化为葡萄糖的转化率大幅度提高。碱性 - 2 0 2 ， 臭氧，有机溶剂，甘油，二氧杂环乙烷，苯酚等都是已知的能破坏纤维素结构、 提高酶解率的溶剂”。浓的矿物酸( h 2 s o 。，h c i ) 、疏质子溶剂( d m s o ) 、金属 化合物等在一定条件下都能降低纤维索的结品度和扣破木质素和纤维素的结合， 同时溶剂半纤维素。这些方法虽然有效，但当与得到的葡萄糖的价值相比较时都 过于昂贵而无法实际应用。 更新的预处理方法则包括高能电子辐射( 如电子射线、y 射线) 、超临界流 体、微波、超声波等3 。这些方法无污染、能耗低，但研究不多，尚待深入。 山东大学硕二l 学位论文 从分类上讲，对木质纤维素的预处理方法主要包括物理法( 包括机械粉碎、 热水解、高能辐射等) 、化学法( 采用酸、碱、次氯酸钠、臭氧等试剂进行预处 理，其中以n a o h 和稀酸预处理研究较多) 和生物法( 白腐菌产生的木质素分解 酶类和氢键酶) ，或者是两者的组合。但至今还无一种公认的理想方法。在实际 应用中需要对预处理的成本、原料利用率、酶解效率、列后续发酵的影响及环境 保护多方面等进行综合考虑。而一利经济有效的预处理技术，正是提高纤维素酶 解效率的关键所在o 。“。 处理过程利用预处理的附加物和能量生成了比天然未处理的材料反应性更 强的固体( 纤维素、半纤维素等) 和或可溶性的寡糖与单