木质生物质的生物分解及生物转化.docx

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木质生物质的生物分解及生物转化

木质生物质的生物分解及生物转化

木质生物质指的是植物通过光合作用生成的有机资源,主要由纤

维素、半纤维素和木质素3种高分子物质构成,如树木、农作物秸秆等。

全世界每年由光合作用生成的木质生物质约2000亿t,相当于全

世界每年消费能源的10倍,其中树木固定的木质生物质占整体的90%~95%（赵广杰,2004）。

然而,我国目前却存在着对木质生物质资源的严重浪费。

如我国

木材加工工业采伐、加工剩余物每年就达到1000万t（刘家建,1995）;

农业生产中的剩余物（农作物秸秆）每年也多于5亿t（吴坤等,2000）有效利用的只占很少一部分,大部分被浪费掉。

同时在人们的日常生活中还会有大量弃置不用的木质材料,我国年产废弃木质材料360万t,如废旧家具、木制包装，建筑施工时遗弃的废木料（每年300万m3）,道路及城市园林绿化系统更新的树木等（王珊珊等,2004）。

这些废弃木质材料的处理要花费大量的资金,占用大量的土地。

因此有专家提出关于废弃木质材料回收及再生利用的建议（崔积常等,2004）。

在美国,把

废弃的木质材料称为“第四种森林”,是倒在地上的森林（王珊珊等,2004）。

这些材料如果能被再次利用,势必产生巨大的经济效益和社会效益。

随着经济和社会的发展以及人口的增长,对粮食和能源的需求也

在逐渐增长,面对着不可更新的化石资源面临枯竭,粮食和能源危机成了当前人类发展所面临的重要问题。

用微生物酶可以将木质生物质材料分解转化,得到葡萄糖和各种低聚糖作为人类的营养品和保健品,得

到菌体蛋白可以作为人类食品和动物饲料,葡萄糖继续发酵还可得到

乙醇、甲烷等清洁燃料。

因此,木质生物质作为一种可更新的有机资源,对于解决粮食和能源问题以及城市废弃木质资源有双重意义。

同时这种木质材料的生物转化过程又不会对环境造成污染,有很好的发

展前景,近些年来愈来愈受到人们的关注和重视。

1•1多糖的生物分解

木材中的多糖指的是纤维素和半纤维素。

纤维素是一切植物体的主要组成部分，由B-D-葡萄糖通过B-1,4糖苷键相结合而形成的链状高分子聚合物,聚合度在7000~10000之间,占植物体干质量的50%左

右，地球上每年由光合作用生成的纤维素约1100亿t（张全福

等,1994;Kubiceketal.,1993）是最丰富的木质生物质资源。

半纤维素是一类非均一多糖的总称,常带有短的侧链。

构成半纤维素主链的糖基主要有D-木糖、D-葡萄糖、D-甘露糖等；构成侧链的糖基主要有D-木糖、D-半乳糖、D-葡萄糖、L-阿拉伯糖、D-半乳糖醛酸、D-葡萄糖醛酸基等。

木聚糖是一类含量最多的半纤维素,在针叶树材中,甘露

聚糖也占了相当的比例（Thompson,1983）。

半纤维素在自然界中的分布仅次于纤维素,占植物体干质量的20%~30%。

1•1•1纤维素和半纤维素降解酶的种类及其作用机理纤维素酶是一组相互关联,通过协同作用降解纤维素的酶系,包括3类酶（Thomas,1985高培基等，1988）。

1）内切（3-1,4-葡聚糖酶（endo-B-1,4glucanase,EC3•2•1•4简称EG属CX酶）

EG作用于纤维素分子内部的非结晶区,随机水解B-1,4糖苷键,将长链纤维素分子截短,产生大量带有非还原性末端的小分子纤维素和可溶性纤维寡聚糖,终产物是葡萄糖和纤维二糖;EG能水解膨胀的纤维素和水溶性的纤维素衍生物,不能单独作用于结晶的纤维素。

2）外切B-1,4-葡聚糖酶（exo-B-1,4glucanase,EC3-2•1•91）又称纤维二糖水解酶（cellobiohydrolase简称CBH,属C1酶）

CBH作用于纤维素分子链非还原性末端，水解B-1,4糖苷键，每次切下一个纤维二糖分子,故又称纤维二糖水解酶。

它对无定形纤维素和微晶纤维素有较强作用,单独作用于结晶纤维素时酶活力较低,效果较弱，但该酶能同EG协同作用，彻底水解结晶纤维素。

有些真菌还能产生另外一类外切B-1,4-葡聚糖酶（EC3-2-1-74）,可从纤维糊精的非还原端依次释放葡萄糖,同EG没有协同作用,不能水解结晶纤维素,而只能水解EG作用产生的纤维寡聚糖。

因而也属CX酶。

3）B-葡萄糖苷酶（B-1,4glucosidase,EC3-2•1•21）,又称纤维二糖酶（简称CB）

B-葡萄糖苷酶水解纤维二糖和水溶性的纤维寡聚糖生成葡萄糖（姚荣等,1996）。

虽然它对纤维素大分子无作用,但它可以消除上述2种酶催化反应终产物的抑制作用,从而大大促进反应进程。

因此,B-

葡萄糖苷酶在纤维素酶系中具有非常重要的作用,纤维素酶系统具有“协同作用”是它的一个显著特点。

总之,纤维素酶解时,无定形区纤维素仅EG即可水解,但结晶纤维素要求EG和CBH协同作用才可水解。

因此,在纤维素酶解糖化过程

中,EG与CBH的比值会显著影响纤维素的溶解速度。

这3类酶分解

纤维素的机理如图1所示

H1纤锥耒酶采对纤摊去的柞用方式

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半纤维素由于其结构的复杂性，它的完全降解需要多种酶的共同作用。

半纤维素酶是一组复合酶系的总称，主要包括内切酶、外切酶和分枝酶3类（刘同军等，1998）:

内切酶可随机切断主链内的糖苷键而生成寡糖，如B-木聚糖酶作用于木聚糖主链的木糖苷键而水解木聚糖B-甘露聚糖酶作用于甘露聚糖主链的甘露糖苷键而水解甘露聚糖；外切酶主要是一些糖苷酶，如B-葡萄糖苷酶、B-木糖苷酶、B-甘露糖苷酶等，它们以外切机制作用于寡糖，生成各种单糖；由于半纤维素常带有一定的支链取代基，所以还需要分枝酶参与，如阿拉伯糖苷酶、半乳糖苷酶等。

这3类酶协同作用才能最大限度地水解半纤维素。

1•1•2降解纤维素和半纤维素的微生物在自然界中，细菌、放线菌、真菌、原生动物等都能产生纤维素酶和半纤维素酶。

但细菌、放线菌和原生动物产生的纤维素酶和半纤维素酶量很少，而且多数不能分泌到细胞外，属胞内酶。

Pierre等（1992）和Anatole等（1990）的研究表明直接从细菌培养液中提取纤维素酶是不可行的。

霉菌、担子菌等真菌能产生大量的胞外纤维素酶和半纤维素酶,尤以木霉属（Trichoderma）和曲霉属（Aspergillus）的产量居上。

所以在产纤维素酶的真菌中，研究最多的是木霉和曲霉，如绿色木霉（Trichodermaviride）、里氏木霉（T.reeaei）康氏木霉（T.koningli）、黑曲霉（Aspergillusniger）、米曲霉（A.terreus）等（Thomas,1992余世袁，2000）。

1•2木质素的生物降解

木质素是由3种苯丙烷单元（愈创木基丙烷、紫丁香基丙烷、对羟苯基丙烷）通过醚键和碳-碳键相连接的复杂的无定形网状高聚物,在木本植物中的含量占到了植物体干质量的27%~32%,草本植物中占14%~25%,与纤维素和半纤维素共同被称为植物体内的“三素”（陶用

珍等,2003）。

在植物体内,木质素与半纤维素经共价键结合,将纤维素分子包埋在中间,增加了细胞壁的强度,保护了细胞壁上的多糖成分,使之不易被微生物降解（付伟等,2004）。

同时木质素本身的降解过程也与一般生物多聚物酶催化的水解反应明显不同,而是一系列酶催化和非酶催化的非特异性氧化还原过程。

由于结构的复杂性,其降解酶类的合成需

由水解碳水化合物提供能量,木质素的包被作用又阻碍着纤维素多糖的降解,所以木质素降解构成了自然界碳循环的限速步骤（卢雪梅等,1996）。

1•2•1木质素降解酶的种类及其作用机理目前，关于木质素

降解酶的研究工作主要集中在白腐菌所产生的酶系,研究得最多的有

3种:

木质素过氧化物酶（LigninPeroxidase,LiP）、锰过氧化物酶（ManganesePeroxidase,MnP）和漆酶（Laccase）它们分别代表一系列的同功酶。

通常白腐菌降解木质生物质原料分为2个阶段:

首先菌丝分泌纤维素酶和半纤维素酶降解聚糖类以提供真菌生长所需的营养物,然后才降解木质素。

木质素的微生物降解在很大程度上是一种氧化过程（管莜武等,1998）。

1）木质素过氧化物酶（LiP）和锰过氧化物酶（MnP）

LiP和MnP都是带有糖基的胞外血红素蛋白,又称血红素过氧化物酶（HemePeroxidase。

两者都需要H2O2催化,MnP还要有Mn2+的参与（陈立祥等，2003）。

菌丝在生长过程中分泌出LiP和MnP,由于酶

的催化作用,木质素结构中的苯环发生单电子氧化反应形成苯氧自由基，随后发生一系列非酶催化的自由基反应而降解，包括甲氧基的脱除

侧链上Ca-CB,CB-C丫及烷基芳基醚键的断裂，直至苯环的裂解等。

木质素的降解产物再被菌丝体吸收，进一步氧化成CO2和H2O（管筱武等,1998;Michaeletal.,1993）。

由于MnP的氧化还原电位较低，只能氧化酚型结构的木素。

而Lip有非常高的氧化还原电势，是迄今为止发现的唯一一种可以单独氧化降解非酚型木素结构的过氧化物酶。

2）漆酶（Laccase）

大部分真菌除产生LiP和MnP外，还能产生漆酶。

漆酶是含铜的氧化酶，分漆树漆酶和真菌漆酶2类（季立才等，1997）。

由于漆酶的含量较高，难以得到它的X射线衍射图，所以它的三维空间构象还不十分清楚（吴坤等，2000;陈立祥等，2003）。

但作为一种多酚氧化酶，它在分子氧存在时能使羟基脱去质子形成酚氧阴离子，引起木质素酚型结构单元侧链断裂，包括C—C键、脱甲氧基、脱羟基等，铜在其中起决定作

用（季立才等,1997;王佳玲等,1998）。

漆酶降解木质素不需要H2O2参与,因此有一定的优越性。

但漆酶由于其氧化还原电位较低,不能氧化

占木素含量90%的非酚型木素,只能氧化木素的酚型结构单元。

但在低分子物质作为介质时,漆酶也可以氧化非酚型结构的木素。

3）其他酶类

木质素降解酶系是非常复杂的一个体系,除了上述3种重要的酶外,还有其他一些酶,如过氧化氢酶、葡萄糖氧化酶、芳醇氧化酶、乙二醛氧化酶等也参与了对木素的降解,但到目前为止,每一种酶在木质

素降解中的具体作用还不十分清楚（Elisaetal.,1999）。

确定每一种酶在木质素降解过程中的作用和功能比较困难,因为

目前还没有发现哪一种单一的酶能将木质素彻底、完全降解。

这些降解木质素的酶是相互作用、共同影响的,它们存在于一个协同作用的

体系中。

如当Laccase和MnP分别单独存在时，都不能有效地降解木质素,而2种酶同时存在则木质素可得到有效降解。

另外,在反应中加入其他酶如葡萄糖氧化酶,可显著提高木质素的降解程度。

可见,这些酶在催化木质素降解反应中具有协同作用。

1•2•2降解木质素的微生物种类能降解木质素的微生物种

类很多,其中真菌是主要的木质素降解菌。

降解木质素的真菌———木腐菌（wood-rotfungi）可分为白腐菌、褐腐菌和软腐菌3类。

白腐菌

（white-rotfungi）是最主要的木质素降解真菌，它是一种丝状真菌，首先降解木质生物质中的木质素,且不产生色素（陈立祥等,2003）,引起木材

白色腐朽。

白腐菌及其分泌的酶目前主要用于生物制浆预处理和纸浆的生物漂白。

研究得最多的白腐菌多属于担子菌,有:

黄孢原毛平革菌

（Phanerochetechrysosporium）（Singhaletal.,2001;Gelpkeetal.,1999）、Ceriporriopsissubvermispora（Marioetal.,2000;Ferrazetal.,2000;2001、）彩绒革盖菌（云芝,Coriolus

versicolor）（冀玲芳等,2002）、糙皮侧耳（Pleurotusostreatus）0&suhikoetal.,1995、变色栓菌（Trametesversicolor）

（Ongetal.,1997）等。

褐腐菌首先降解纤维素和半纤维素，然后才缓慢降解木质素,并在降解过程中产生褐色醌式发色团导致木材褐变。

软腐菌（soft-rotfungi）多为子囊菌和半知菌，可以降解软木中的所有主要成分,包括木质素（陈叶福等,2001）。

但褐腐菌和软腐菌降解木质素的能力都弱于其降解纤维素的能力,因此白腐菌被认为是主要的木质素降解真菌。

除真菌外,一些细菌和放线菌等原核生物对于土壤中木质素的转化和降解也具有重要作用。

土壤中木质素的降解是土壤微生物区系中多种微生物共同作用的结果（冀玲芳等,2002;Rayneretal.,1988）白腐菌首先参与土壤中木质素高分子的降解,然后再由细菌和放线菌进一步

对残余木质素进行分解,即细菌和放线菌在土壤木质素降解中起二次分解作用,因而它们在木质素降解菌的研究中处于相对次要的地位。

最近也有关于酵母降解木质素的报道。

Vilas-Boas等（2002）研究了产朊假丝酵母固体发酵苹果渣过程中各种酶活性的变化,其中几丁质酶和锰过氧化物酶活性较高，分别为239和19•1U•mL-1,证明产

Geotrichumklebaahnii也能有效降解木质素。

2木质生物质生物转化研究现状

2•1木质生物质转化为乙醇

利用废弃的木质生物质原料,如农林废弃物、锯末、废纸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有效而又合理的途径之一。

这样不仅可缓解石油资源的枯竭,还解决了废弃木质生物质资源

的再利用问题,是很有发展前景的。

在美国,乙醇已经被广泛作为特殊的石油替代品加入到汽油中以降低汽

油的消耗（许凤等,2004）。

木质生物质生物转化乙醇技术一般包括预处理、水解、发酵等过程,以下分别进行讨论。

2•1•1木质生物质原料的预处理方法木质生物质原料预处

理的目的是破坏纤维素-半纤维素-木质素

之间的连接,降低纤维素的结晶度,增加纤维素的比表面积,以便于纤维素酶的作用（许凤等,2004;王丹等,2002）。

预处理的方法很多,包括物理法、化学法、物理化学法和生物法等,其中蒸汽爆破预处理法研究较多,对阔叶材来说是最经济有效的预处理方法（Duffetal.,1996;Wright,1998）。

因为在蒸汽爆破过程中，木片通过高压饱和蒸汽处理,然后压力骤减,使原料经爆破性减压而碎裂,物理和化学的作用引起半纤维素水解成单糖和寡糖,部分木质素溶解,使得纤维素溶解性

增大,适合于纤维素酶的作用。

传统的机械方法若达到相同尺寸的木材颗粒,消耗的能量要比蒸汽爆破法高70%（Holtzappleetal.,1989）。

Grethlein等（1991）的研究表明稀酸水解也能有效地去除半纤维素和部分木素,增加木材孔隙的表面积,促进酶的水解率,与蒸汽爆破法相比,如果得到的表面积相同,酶水解率也就相同。

用蒸汽爆破方法预处理木片时添加S02,或在爆破前对木片注入SO2或硫酸,可以促进酶的水解过程,而且对针叶材也有效。

Clark等（1987）通过试验模型描述了辐射松（Pinusradiata木片蒸汽爆破预处理时，时间、温度和SO2浓度对还原糖得率的影响，得到了优化的预处理条件:

3min,215C,2•55%SO2,在这些条件下，爆破纤维的酶解率为82%,总糖得率57%。

Mackie等（1985）进一步探讨了SO2的作用机制，发现注入的SO2有50%与木材成分，主要是与木素相结合，这样虽然使爆破处理过的木片中水溶性木素的含量降低,但碱木素的含量升高,有利于下一步碱处理时木素的大量溶出。

2•1•2木质生物质转化为乙醇的研究木质纤维原料生物转

化为乙醇的方法有2类:

一是原料先经纤维素酶和半纤维素酶水解,产生葡萄糖和木糖等可发酵性糖,然后再由另一类微生物（如细菌、酵母菌）发酵产生乙醇，即两步发酵法（Tsaoetal.,1982＞另一类是一步发酵将木质纤维原料转化为乙醇,其中又可分为2种微生物参与的同时发酵（张德强等,2000;Zhaoetal.,1993）和仅用一种微生物的直接发酵法（王丹等,2002;

2•2木质生物质转化为单细胞蛋白（SCP）

单细胞蛋白（singlecellprotein,SCP）是通过发酵培养单细胞微生物而制成的蛋白质（周亚樵,2000）。

微生物细胞蛋白质含量高,主要替代鱼粉等蛋白饲料，还可供人食用。

生产SCP的微生物有细菌、酵母、单细胞藻类和真菌等,其中酵母菌由于菌体细胞较大,容易回收,核酸含量低,赖氨酸含量高,能在酸性条件下生长,可利用的碳源较广,能以农林副产品、食品及发酵工业下脚料为原料，所以酵母菌成为SCP研

究和生产的主要菌种。

2•3木质生物质转化为木糖醇

木糖醇是一种五碳糖醇,有甜味,但在人体内的代谢不需要消耗胰岛素,不会引起血糖水平的波动,还有特殊的防龋功能,可以作为糖尿病人的营养剂、治疗剂及功能性甜味剂用于防龋性糖果。

木糖醇还具有类似甘油和多元醇的特性,因此广泛用于医药、保健品和化工等行业（孙昆山等,2001;董丽辉等,2004）。

传统的木糖醇生产方法是先水解木聚糖含量高的半纤维素物质,从水解液中提取木糖,然后再加氢还原成木糖醇。

这种生产方法费用高、程序复杂,而且木糖醇的得率低,只有50%~60%（孙昆山等,2001）。

现在,采用微生物转化半纤维素水解液生产木糖醇引起了科研人员的极大关注。

在自然界中产木糖醇的微生物主要是酵母,丝状真菌和少数细菌也可生成木糖醇,但效率不高。

现已发现产木糖醇性能优异的酵母菌株主要集中于假丝酵母属（Candida）如C.guilliermondii（Felipet

al.,1996;Preziosietal.,2000、）C.tropicalis

2•4木质生物质转化为其他产品的研究

2•4•1转化为乳酸乳酸和乳酸盐在食品、医药和高聚物工

业中有重要应用,可以通过化学和生物技术过程生产。

由于消费者更多地追求“天然”产品,所以发酵乳酸在市场上占的份额越来越大,尤其是食品行业。

松树和桉树木材易于碱抽提或脱木素润胀处理,Parajo等（1996b）研究用预处理后的固体剩余物—多糖部分作为酶水解的底物,产生的

单糖用LactobacillusdelbrueckiiNRRLB-445发酵乳酸，经10-9h的发酵,乳酸的

最高体积生产率为5-2g-L-1h-1,与Hanson等（1972）报道的用同一菌种发酵乳酸的最高生产率6-5g-L-1h-1接近,并建立了乳酸发酵的动力学模型。

2-4-2转化为丁二酸丁二酸作为生产合成树脂和生物高聚物的绿色原料受到很大重视,研究表明,它主要通过厌氧细菌发酵葡萄糖得到（Leeetal.,2000;2003）Lee等（2003）报道了用橡木水解液通过分批培养Anaerbiospirillumsucciniciproducens生产丁二酸。

―――张晓燕1,2赵广杰1刘志军1,2（1.北京林业大学材料科学与技术学院），木质生物质的生物分解及生物转化研究进展，第42

卷第3期，2006年3月，林业科学