第十一章-木質(zhì)纖維素的生物分解及其轉(zhuǎn)化技術(shù)

概述分解木質(zhì)纖維素的微生物木質(zhì)纖維素的酶解轉(zhuǎn)化技術(shù)微生物復(fù)合系及纖維素快速分解展望第十一章木質(zhì)纖維素的生物分解及其轉(zhuǎn)化技術(shù)第一節(jié)概述木質(zhì)纖維素是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)中最為豐富的可再生資源，被視為特別有前景的生物質(zhì)資源。一、木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1、纖維素纖維素是由D-葡萄糖殘基以β-1,4-糖苷鍵相連而成的線性聚合物。目前普遍被人們接受的纖維素超分子結(jié)構(gòu)理論是二相體系理論，即纖維素是由結(jié)晶區(qū)與非結(jié)晶區(qū)交織連接形成的二相體系，其中還存在相當(dāng)多的空隙。纖維素具有多形性，具體表現(xiàn)在纖維素的大小、形態(tài)、結(jié)晶度及在微纖絲中晶體結(jié)構(gòu)和非晶體的比例。2、半纖維素3、木質(zhì)素二、木質(zhì)纖維素資源的生物轉(zhuǎn)化目前木質(zhì)纖維素資源的生物轉(zhuǎn)化技術(shù)領(lǐng)域的探討主要集中在3個(gè)方面：具有纖維素分解實(shí)力的微生物資源的開發(fā)及利用；具有纖維素分解活性的酶的資源開發(fā)及利用探討；具有快速分解自然木質(zhì)纖維素材料活性的纖維素分解菌復(fù)合系相關(guān)特性探討及應(yīng)用。其次節(jié)分解木質(zhì)纖維素的微生物一、木質(zhì)纖維素分解菌株的特點(diǎn)木質(zhì)纖維素分解菌株是指具有木質(zhì)纖維素分解實(shí)力的菌株，其種類繁多，覆蓋細(xì)菌、真菌眾多種屬。（一）木質(zhì)纖維素分解細(xì)菌的種類到目前為止，已發(fā)覺的具有纖維素分解實(shí)力的細(xì)菌就多達(dá)5個(gè)綱，10個(gè)目。（二）木質(zhì)纖維素分解菌株的生長(zhǎng)環(huán)境（三）纖維素分解菌株的細(xì)胞形態(tài)二、純培育微生物分解纖維素的探討進(jìn)展通常，科研人員在各種纖維素分解環(huán)境中獲得纖維素分解菌培育物，然后利用好氧、厭氧等純培育技術(shù)分別具有纖維素分解活性的單菌菌株。三、純培育微生物分解纖維素的應(yīng)用及存在問題在日常的生產(chǎn)中很少干脆利用純培育的單菌進(jìn)行木質(zhì)纖維素的分解轉(zhuǎn)化，緣由如下：生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，轉(zhuǎn)化率低；轉(zhuǎn)化產(chǎn)物困難第三節(jié)木質(zhì)纖維素的酶解轉(zhuǎn)化技術(shù)一、木質(zhì)纖維素的前處理技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中，通常對(duì)木質(zhì)纖維素材料進(jìn)行處理，目的主要是破壞木質(zhì)纖維素的致密結(jié)構(gòu)，分解木質(zhì)素、纖維素、半纖維素，以便進(jìn)行下游工業(yè)生產(chǎn)。一般來(lái)講，前處理盡量滿足以下幾個(gè)條件：提高酶水解的結(jié)合率；避開碳水化合物得降解和損失；避開產(chǎn)生對(duì)水解及發(fā)酵過(guò)程起抑制作用的副產(chǎn)物；性價(jià)比高。（一）物理法依靠物理方法，通過(guò)變更材料的物理結(jié)構(gòu)，增加纖維素與酶接觸的表面積，提高酶的轉(zhuǎn)化效率。1、機(jī)械粉碎主要利用球磨、振動(dòng)磨、輥筒等對(duì)纖維素原料進(jìn)行粉碎處理。2、高能輻射利用γ射線、電子輻射等高能射線，破壞木質(zhì)纖維素物質(zhì)的聚合度以及纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。3、微波處理利用超聲波破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)。4、高溫分解纖維素原料在300℃高溫下，纖維素會(huì)快速分解，產(chǎn)生氣體產(chǎn)物和焦?fàn)顨堅(jiān)?，而在較低的溫度下，纖維素分解較慢且產(chǎn)生揮發(fā)性較弱的物質(zhì)。（二）化學(xué)法化學(xué)法是運(yùn)用酸、堿、有機(jī)溶劑等化學(xué)藥品處理木質(zhì)纖維素的一種方法。1、酸處理硫酸和鹽酸等濃酸均可用于處理木質(zhì)素原料，但由于其存在腐蝕性，要求反應(yīng)器具有抗腐蝕實(shí)力，同時(shí)，為使生產(chǎn)過(guò)程具有經(jīng)濟(jì)可行性，處理后的濃酸必需進(jìn)行回收。2、堿處理堿處理的機(jī)制是通過(guò)堿的作用來(lái)減弱纖維素和半纖維素之間的氫鍵及皂化半纖維素和木質(zhì)素之間的酯鍵。堿處理后的木質(zhì)纖維素具有更多的孔性，因此，件處理后基質(zhì)更適合生物轉(zhuǎn)化。3、氨處理氨處理是將木質(zhì)纖維素材料在質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%左右的氨溶液中浸泡24-48h，以脫除原料中大部分木質(zhì)素的方法。4、其他化學(xué)方法有機(jī)溶劑法：有機(jī)溶劑或者有機(jī)溶劑與無(wú)機(jī)酸催化劑的混合溶液可破壞木質(zhì)纖維素原料內(nèi)部的木質(zhì)素和半纖維素之間的連接鍵。臭氧分解：臭氧可分解木質(zhì)素和半纖維素。（三）物理-化學(xué)法1、蒸汽爆破法將原料和水或水蒸氣等在高溫、高壓下處理確定時(shí)間后，馬上降至常溫、常壓，通過(guò)壓力的瞬間變更，深化木質(zhì)纖維素中的水以氣流的方式從封閉的孔隙中釋放出來(lái)，使纖維發(fā)生確定機(jī)械斷裂。同時(shí)，高溫、高壓加速纖維素內(nèi)部氫鍵的破壞，纖維素內(nèi)的有序結(jié)構(gòu)發(fā)生變更，增加了纖維素的吸水實(shí)力。2、氨爆破處理氨爆破處理可在較低的溫度和壓力下對(duì)木質(zhì)纖維素材料進(jìn)行爆破。在爆破過(guò)程中，氨能與纖維素上的部分羥基形成細(xì)胞-OHNH3形式的絡(luò)合物，從而使纖維素發(fā)生膨脹、裂開。3、濕氧化法濕氧化法是在加溫、加壓條件下水和氧氣共同參與的反應(yīng)。濕氧化法通常加入確定比例的NaCO3，可引起纖維素膨脹，形成了堿化纖維素，但能保持原來(lái)的骨架。同時(shí)NaCO3的加入可緩和纖維素的膨脹效應(yīng)，防止纖維素破壞，使木質(zhì)素和半纖維素溶解于堿液中。（四）生物法生物法是利用能夠分解半纖維素或木質(zhì)素的微生物除去木質(zhì)纖維素的部分成分，破壞木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)。二、纖維素酶解探討進(jìn)展纖維素酶是一組可以水解纖維素的酶的總稱，屬于糖苷水解酶家族。通常所說(shuō)的纖維素酶主要含有3種成分：（1）內(nèi)切葡聚糖酶（2）外切葡聚糖酶（3）β-葡萄糖苷酶（二）真菌纖維素酶的特性Wood等在1972年分別鑒定了C1酶，認(rèn)為C1酶是一種水解酶，它不易作用于羧甲基纖維素，而能作用于結(jié)晶纖維素、磷酸膨脹纖維素等，主要產(chǎn)物是纖維二糖，并證明C1酶是一種β-葡聚糖-纖維二糖水解酶。Tilbeurgh在1986年用木瓜蛋白酶有限酶切CBHI酶，得到具有兩個(gè)獨(dú)立活性的片段：一個(gè)是只能水解可溶性纖維素、微弱吸附但不能夠水解不溶性纖維素的催化域（CD）；另一個(gè)是纖維素結(jié)合（吸附）區(qū)。1990年Sinnott發(fā)覺纖維素酶具有與溶菌酶形似的作用機(jī)制。纖維素酶的組分中存在多種同工酶。（三）纖維素的酶降解原理1、纖維素酶的協(xié)同作用機(jī)制自然纖維素水解成葡萄糖的過(guò)程中，必需依靠3中纖維素酶的協(xié)同作用才能完成。協(xié)同作用是指微生物降解纖維是內(nèi)切酶、外切酶和葡萄糖苷酶之間和內(nèi)部的親密協(xié)作，進(jìn)行纖維素的分解。在內(nèi)切酶與外切酶作用于纖維素的次序方面始終存在爭(zhēng)議：一種觀點(diǎn)認(rèn)為EG先從纖維素分子內(nèi)部隨機(jī)分解纖維素分子的β-1,4-糖苷鍵，產(chǎn)生非還原性末端后，CBH結(jié)合上去，從非還原性端水解產(chǎn)生纖維二糖，纖維二糖再被CB降解成葡萄糖。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為首先是由外切型葡聚糖酶水解水溶性纖維素，生成可溶性的纖維糊精和纖維二糖，然后由內(nèi)切型葡聚糖作用于纖維糊精，生產(chǎn)纖維二糖，再由CB組分將纖維二糖分解成2個(gè)葡萄糖。Moloney還認(rèn)為纖維素酶的協(xié)同作用一般與酶解低溫的結(jié)晶度成正比，并且不同菌源的內(nèi)切酶和外切酶之間也具有協(xié)同性。纖維素酶降解纖維素的最初階段有纖維素脫纖化和分散化的現(xiàn)象，這種作用是沿著纖維素的經(jīng)度軸方向分層形成更薄細(xì)的亞纖維引起的。2、纖維素酶水解的產(chǎn)物抑制纖維分解菌類只有生長(zhǎng)在纖維性基質(zhì)上時(shí)才能大量合成纖維素酶?；碧恰埬懚?、山梨糖等二糖，是纖維素酶合成的誘導(dǎo)物。纖維二糖在較低濃度可誘導(dǎo)外切纖維素酶的合成，在較高的濃度下對(duì)纖維素酶的合成產(chǎn)生阻遏作用。葡萄糖對(duì)纖維素酶的合成具阻遏作用。3、纖維素酶的氧化降解纖維素酶解的限速步驟是結(jié)晶纖維素分子難以進(jìn)入纖維素酶的活性位點(diǎn)，纖維素結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)的破壞是自然纖維素降解的關(guān)鍵。降解基質(zhì)是在探討褐腐菌降解木材時(shí)發(fā)覺的。4、纖維二糖脫氫酶途徑Eriksson發(fā)覺纖維素的生物降解有氧化酶的參與，隨后纖維二糖脫氫酶在白腐菌、褐腐菌、軟腐菌中都有發(fā)覺。CDH可以氧化纖維二糖形成纖維二糖內(nèi)酯，解除纖維二糖對(duì)纖維素酶的反饋抑制。5、真菌的纖維素降解模式纖維素的酶解是纖維素聚合物分子鏈的解聚過(guò)程以及糖苷鍵的水解過(guò)程。前者為纖維素酶分子對(duì)纖維素表面的吸附，致使分子鏈間氫鍵斷裂和基原纖維的分別，纖維素的結(jié)構(gòu)變更。后一過(guò)程水解基原纖維的糖苷鍵，使其斷裂，形成可溶性糖類，對(duì)解鏈也有協(xié)同促進(jìn)作用。（四）細(xì)菌纖維素酶的特性細(xì)菌纖維素酶不同于真菌纖維素酶。多數(shù)的具有纖維素分解實(shí)力的細(xì)菌胞外都會(huì)形成一個(gè)多酶復(fù)合體系。多酶復(fù)合體系利用多個(gè)不同類型的整合蛋白將內(nèi)切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、β-葡萄糖苷酶、甚至木聚糖酶等半纖維素水解酶類整合到一起，鏈接在細(xì)胞表面。三、纖維素的酶解、糖化技術(shù)現(xiàn)狀目前，用于生產(chǎn)纖維素酶的微生物大多屬于真菌。四、酶的混合增效及混合酶的應(yīng)用自然界中不僅微生物之間存在協(xié)同效應(yīng)，當(dāng)多酶進(jìn)行混合時(shí)同樣存在協(xié)同效應(yīng)，并且已證明很多多酶混合系統(tǒng)顯著提高了整體的分解功能，已在商品纖維素酶中應(yīng)用。第四節(jié)微生物復(fù)合系及纖維素快速分解目前，人們已開發(fā)出多種針對(duì)木質(zhì)纖維素物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化的技術(shù)，其主要途徑是對(duì)木質(zhì)纖維素物質(zhì)進(jìn)行糖化，然后利用生物方法將糖化產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為能源物質(zhì)或化工原料。在秸稈的生物分解領(lǐng)域，目前已發(fā)覺利用菌群可獲得相對(duì)較好的快速分解效果。一、纖維素分解微生物復(fù)合系及纖維素快速分解（一）多菌協(xié)作促進(jìn)秸稈快速分解的原理纖維素分解菌復(fù)合系通常由多種不同種屬的微生物構(gòu)成，其內(nèi)既有纖維素分解菌株也有非纖維素分解菌株。纖維素分解菌株分解木質(zhì)纖維素的實(shí)力和菌種間的協(xié)同作用確定復(fù)合系對(duì)秸稈纖維素的分解實(shí)力。非纖維素分解菌株的存在，不僅能夠向一些纖維素分解菌株供應(yīng)良好的生長(zhǎng)環(huán)境，而且在菌株代謝的作用下，能夠消退一些纖維素分解菌株的生長(zhǎng)抑制物質(zhì)，或者產(chǎn)生促進(jìn)纖維素分解菌株分解纖維素實(shí)力或生物量的物質(zhì)。此外，纖維素分解菌復(fù)合系內(nèi)構(gòu)成菌株的多樣性，使復(fù)合系能夠保持良好的菌群結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。（二）MC1的構(gòu)建及纖維素快速分解MC1是秸稈纖維素分解菌復(fù)合系的典型代表。MC1的構(gòu)建過(guò)程為：以處于高溫發(fā)酵期的堆肥樣品為菌源，用PCS培育基，在50℃下長(zhǎng)期定向馴化培育，馴化過(guò)程中始終以高溫為限制培育條件，以纖維素分解作為篩選指標(biāo)，保留高分解力培育體系，淘汰弱分解力培育物，經(jīng)過(guò)多世代的培育而獲得菌系結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、纖維素分解實(shí)力強(qiáng)的培育物。MC1是多菌共生的菌群，水稻秸稈中的木質(zhì)纖維素在經(jīng)由菌群中的纖維素分解菌分解后，其產(chǎn)物再經(jīng)其他菌株的代謝轉(zhuǎn)化，最終產(chǎn)物多以有機(jī)酸為主，因此，MC1分解水稻秸稈后可檢測(cè)到甲醇、乙醇、乙酸、丁酸、乳酸、乙酸乙酯等產(chǎn)物。二、纖維素分解菌復(fù)合系的應(yīng)用及存在的問題不同的菌群在分解實(shí)力及對(duì)秸稈中纖維素和半纖維素的分解實(shí)力等方面存在差別，但全部菌群都表現(xiàn)出相對(duì)于單一菌的快速分解木質(zhì)纖維素材料的現(xiàn)象。（一）秸稈分解、糖化（二）快速堆肥化堆肥化過(guò)程實(shí)質(zhì)是生物質(zhì)資源（或有機(jī)廢棄物）在適當(dāng)?shù)臈l件下（碳氮比、含水量）經(jīng)過(guò)微生物的分解轉(zhuǎn)化，形成穩(wěn)定物