木质生物质的生物分解及生物转化

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1、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

2、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

3、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

4、β-D-葡萄糖通过β-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(

5、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β-1,4-葡聚糖酶(endo-β-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β-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

6、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β-1,4-葡聚糖酶(exo-β-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β-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β-1,4-葡聚糖酶(EC3·2·1·74)

7、,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)β-葡萄糖苷酶(β-1,4glucosidase,EC3·2·1·21),又称纤维二糖酶(简称CB)β-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,β-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

8、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