木质纤维素生物炼制的研究进展

木质纤维素是一种广泛存在的可再生生物质资源,主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。如何更有效地综合利用木质纤维素是当前面临的世界性难题。本文中,笔者梳理了木质纤维素生物化学法转化生产以燃料乙醇为代表的生物基产品,特别是转化过程中关键技术环节的研究现状及难点,深入探讨了木质素的生物转化利用趋势,并综述了合成生物学在这些领域的研究趋势和最新成果。本文力图描绘出木质纤维素生物炼制研究全景,为后续研究提供潜在思路。     

木质纤维素资源化主要途径及半纤维素优先资源化利用策略

木质纤维生物质是地球上最丰富的可再生资源,可转化为能源、化学品和材料,开发木质纤维生物质有利于废弃物的高值化利用和缓解目前面临的环境污染等问题。木质纤维素主要包括纤维素、半纤维素和木质素,将其主要组分进行高效分离,是实现多元化、高值化生物精炼的基础。基于此,笔者简要总结了目前主要的木质纤维素资源化途径,如基于纤维素资源化、基于半纤维素资源化、基于木质素资源化、基于碳水化合物资源化以及全组分资源化的研究策略。依据半纤维素在植物细胞壁中承担的角色,结合前期的研究基础,提出半纤维素优先原位催化转化的木质纤维素生物炼制新策略,实现半纤维素的高选择性溶出和高效转化,保留结构完整的纤维素和木质素分级转化为小分子化学品和材料,最终实现资源生物量全利用,多元化产品联产的目的。     

半纤维素生物转化研究进展

1半纤维素在自然界中的存在和组成在自然界中着遍存在的土壤纤维物质（llsnocellulosicmat。rials）,K24由纤维素（cellulose,40－60qo）．、半纤维素（20－3O轴）和本质素（lignin,15－30畅）组成,这些物质是陆生植物细胞壁的主要组分（15,’l）。半纤维素较集中于初级和次级细咆哮中,与木质素和纤维素结合在一趄,以增强细胞壁的强度（幻。半纤维素是异质多糖。即是由两种或两种以上（2－4忡,少数是5,6？P）单糖基组成的不均一果糖。构成半纤维素线性聚糖主涟的单糖主要是D一水糖、D一葡萄糖、D一甘露糖;半纤维素大多具有短的…     

不同木质纤维素基质上白腐菌降解特性的研究

通过测定木质素、纤维素、半纤维素和漆酶分泌的变化,研究白腐菌在稻草、木屑、粗纤维素、滤纸、黑液木素基质上的降解特性。结果表明,除黑液木素上白腐菌不能生长外,在前25d,各基质中纤维素、半纤维素和木质素含量呈持续下降趋势,之后,降解速率减少,其中木质素的降解速率大于纤维素和半纤维素的降解速率。漆酶分泌在生长初期呈快速上升趋势,第10d酶活达到最大,第10～20d快速下降,其后基本不变,基质中酶活大小顺序为稻草基质、木屑基质、粗纤维和滤纸基质,显示了木质素存在对漆酶分泌的诱导作用。     

六种白腐菌预处理对毛白杨木材酶水解效果的影响

通过化学分析和酶水解试验,研究了不同的白腐菌对毛白杨的预处理效果及不同组分的降解对酶水解的影响。毛白杨木片经6种白腐菌预处理30d后,各组分都发生了降解,其中半纤维素的损失最为显著,Trametes ochracea C6888引起半纤维素降解率高达47.19%,其次是纤维素和酸不溶木素的降解。在后续酶水解过程中,6种白腐菌处理后的样品显示出不同的水解模式,菌株Trametes ochracea C6888、T. pubescens C7571和T. versicolor C6915预处理效果最为显著,还原糖得率在整个酶水解过程中一直高于对照,其中T. ochracea C6888在水解96h后还原糖得率达到15.93%,比未处理样品提高了25%。分析酸不溶木素降解率及半纤维素降解率与还原糖得率的关系发现,不同菌株在作用同一种基质时,预处理效果差异显著,木质素和半纤维素的脱除都会影响木质纤维素的酶水解。     

玉米芯综合利用研究进展

玉米芯主要由纤维素、半纤维素和木质素构成,便于收集、易加工处理,已被广泛应用于生产食品、饲料和化工产品中,但目前仍存在原料利用率低、能耗大、成本高等问题。本文对农业废弃物玉米芯工业化综合利用相关的工艺进行探讨,通过论述玉米芯中半纤维素、纤维素和木质素三大组分的高值化利用方式,阐述了玉米芯综合利用的产业化途径。     

生物质生物预处理研究进展与展望

木质纤维素生物质分布广、产量大、可再生,用于制备生物基能源、生物基材料和生物基化学品。木质纤维素生物质组成复杂,包含纤维素、半纤维素和木质素等,木质素与半纤维素通过共价键、氢键交联形成独特的“包裹结构”,纤维素含有复杂的分子内与分子间氢键,上述因素制约着其资源化利用。生物预处理以其独特优越性成为生物质研究的重要方面。系统阐述了生物预处理过程中木质素降解和基团修饰对纤维素酶解的影响,纤维素含量及结晶区变化,半纤维素五碳糖利用,微观物理结构的改变。进一步提出了以生物预处理为核心的组合预处理、基于不同功能的多酶协同催化体系、木质纤维素组分分级利用和新型高效细菌预处理工艺是生物预处理未来发展的重要趋势。     

阿魏酸酯酶和纤维素酶在水解汽爆稻草中的协同作用

利用阿魏酸酯酶, 水解天然木质纤维素原料中半纤维素与木质素之间的阿魏酸酯键, 从破坏两者共价键连接的角度, 探索阿魏酸酯酶促进纤维素酶水解汽爆稻草中纤维素的可行性。结果显示, 当阿魏酸酯酶加入量为240 mu/g底物、水解72 h时, 汽爆稻草纤维素的酶解率、不溶性底物失重率较不加阿魏酸酯酶分别增加了32.00%、32.77%; 阿魏酸酯酶(300 mu/g底物)作用120 min后, 纤维素酶对汽爆稻草纤维素的酶解率、不溶性底物失重率分别增加了29.85%、32.48%。通过比较不同酶法处理后的汽爆稻草的可及度和红外光谱图发现, 阿魏酸酯酶能有效地水解原料中的酯键, 提高原料可及度50%以上。由此表明, 阿魏酸酯酶和纤维素酶之间存在较大的协同作用, 添加阿魏酸酯酶能够提高纤维素酶对天然木质纤维素的酶解效率。     

1株来自瘤胃液菌株RB1在降解秸秆中的作用

木质纤维素中木糖残基大量乙酰化,导致半纤维素的降解受阻。半纤维素支链水解断裂,可以解除其空间位阻效应,利于木质纤维素彻底降解。采用产乙酰酯酶活力较高的菌株RB1降解玉米秸秆和水稻秸秆。研究结果表明,菌株RB1对玉米秸秆和水稻秸秆中半纤维素降解率分别高达53.87%和51.67%。同时该菌株对秸秆中木质素降解率分别达到35.50%和35.01%。该菌株与其他降解纤维素能力较强的菌株共同发酵,会对木质纤维素类物质有更高降解率。该菌株在生物转化木质纤维素类物质方面,具有一定的潜在应用价值。     

诱导物和金属离子对竹子白腐菌降解影响的研究

研究了4种诱导物和5种金属离子对白腐菌降解竹子的影响。结果表明这4种诱导物对木质素的降解没有明显的促进作用,低浓度的吐温80抑制纤维素的降解,降解率仅为3．057％;5种离子对木质素降解均有促进作用,一定浓度的离子明显地抑制纤维素的降解,其中Ca^2＋对纤维素降解的抑制作用最强,降解率仅为0．620％;诱导物和离子对半纤维素降解率影响较小;吐温80和Ca^2＋能显著提高半纤维素和木质素的选择系数,其中添加Ca^2＋时半纤维素和木质素选择性系数分别为66．565和49．331,初步显示：部分诱导物和金属离子可以有效影响白腐菌对竹子的选择性降解。     

生物技术在控制氯化有机污染物方面的突破

木质素(一种几乎可抗拒一切东西作用的物质)是一种聚合物,它可以保护木质细胞内较易损坏的纤维素和半纤维素免遭生物和化学侵蚀。在过去的80年中,化学家们要想对木质素作一彻底了解是很难的,尽管有可能获得很大的经济和商业效益。在一些造纸厂和塑料、炸药、合成纤维以及用纤维素制成其它任何东西的制造厂中,木质素已成为棘手的问题。用于控制木质素作用的一些化合物会引起广泛性水污染问题,尤其是造纸工业。     

木质素降解酶及相关基因研究进展

生物质的高效综合利用已成为全球关注的热点问题。生物质的主要成分是木质素、纤维素和半纤维素,其利用的关键是如何去除木质素,从而提高纤维素和半纤维素的得率。其中利用真菌的生物预处理方法因条件温和、无二次污染等优点符合全球经济可持续发展需要,受到研究者的普遍关注。综述了近年国内外真菌分泌的主要木质素降解酶,包括木质素过氧化物酶(Li P)、锰过氧化物酶(Mn P)、漆酶(laccase)和多功能过氧化物酶(VP)的主要特点,总结了木质素降解相关酶的基因工程、基因组学的研究成果,并对其发展前景进行了展望。     

一组纤维素分解菌复合系NSC-7的酶活表达特性

为了揭示一组具有降解纤维素和林丹双重功能的细菌复合系NSC-7的降解活性, 本文对该菌系的分解能力、纤维素酶活性和半纤维素酶活性进行测定。结果表明, NSC-7在14 d内, 可降解稻秆干重的 73.6％, 其中降解纤维素82.1％, 半纤维素58.2％, 木质素5.4％。用广泛采用的酶活测定方法测定了4种纤维素酶和半纤维素酶活性, 在培养的第8天, 内切酶、总纤维素酶、外切酶和b-糖苷酶活性都达到最大值, 分别为4.48 U/mL、7.51 U/mL、15.83 U/mL和25.78 U/mL。在培养的第5天, 半纤维素酶活性达到最高值为280.9 U/mL, 其平均值比纤维素酶活性高43.71倍。     

一组纤维素分解菌复合系NSC-7的酶活表达特性

为了揭示一组具有降解纤维素和林丹双重功能的细菌复合系NSC-7的降解活性, 本文对该菌系的分解能力、纤维素酶活性和半纤维素酶活性进行测定.结果表明,NSC-7在14d内,可降解稻秆干重的73.6%,其中降解纤维素82.1%,半纤维素58.2%,木质素5.4%.用广泛采用的酶活测定方法测定了4种纤维素酶和半纤维素酶活性,在培养的第8天,内切酶、总纤维素酶、外切酶和B.糖苷酶活性都达到最大值,分别为4.48U/mL、7.51U/mL、15.83U/mL和25.78U/mL.在培养的第5天,半纤维素酶活性达到最高值为280.9U/mL,其平均值比纤维素酶活性高43.71倍.     

氨基磺酸应用于甘蔗渣预处理的研究

本研究尝试将氨基磺酸应用于甘蔗渣预处理,探究其作为酸预处理试剂对甘蔗渣成分和酶解的影响。氨基磺酸预处理最优条件为浓度3%,温度121℃,预处理1 h。在该条件下,甘蔗渣的固体回收率为64.45%,半纤维素和木质素去除率分别为70.81%和25.10%,纤维素损失率仅7.56%。与硫酸、盐酸预处理相比,氨基磺酸的半纤维素和木质素去除率不如硫酸、盐酸预处理,但固体回收率更高,纤维素损失率低,能保留更多纤维素有效成分。进一步酶解显示,氨基磺酸预处理的纤维素转化率高于硫酸、盐酸预处理。氨基磺酸作为一种新的酸预处理试剂,在木质纤维素降解上有良好应用前景。     

鸡腿菇对棉籽壳的降解与转化

栽培在棉籽壳培养基中的鸡腿菇具有较强的木质纤维素降解能力和较高的绝对生物学效率;木质纤维素是子实体生长阶段的主要碳源;CMC酶、FP酶和HC酶的活性变化与纤维素、半纤维素的降解速率正相关,漆酶的活性变化与木质素的降解速率正相关,而过氧化物酶的活性变化与木质素的降解速率没有相关性;淀粉酶在菌丝生长阶段活性较高,蛋白酶的活性高峰出现在子实体生长发育期。     

芒草化学成分及热解性能研究北大核心CSCD

以芒草的10个新品系为研究对象,对其纤维素、半纤维素、木质素的含量进行了分析。结果表明,纤维素、半纤维素和木质素含量在不同品系间的差异均达到了极显著水平。采用TGA研究了芒草的热解过程、通过反应动力学计算比较了各样品表观活化能,结果显示,不同品系芒草的热解活化能具有明显的差异,奇岗、南荻、W819、南荻四倍体具有较高的活化能。从这些品系的能源用途品质性状表现看,它们可能分别适用于不同的转化途径和利用方式。     

芒草化学成分及热解性能研究

以芒草的10个新品系为研究对象,对其纤维素、半纤维素、木质素的含量进行了分析。结果表明,纤维素、半纤维素和木质素含量在不同品系间的差异均达到了极显著水平。采用TGA研究了芒草的热解过程、通过反应动力学计算比较了各样品表观活化能,结果显示,不同品系芒草的热解活化能具有明显的差异,奇岗、南荻、W819、南荻四倍体具有较高的活化能。从这些品系的能源用途品质性状表现看,它们可能分别适用于不同的转化途径和利用方式。     

纤维素生物技术——理论与实践

<正>化学工业出版社出版内容上体现了近年来在纤维素生物技术发展中的新思路、新方法和新进展,从植物纤维的主要组成(如纤维素、半纤维素和木质素)及其结构入手,提出了天然纤维素原料"原料初级炼制"、"组分分离"、"分层多级利用"、"选择性结构拆     

木材成分的生物分解与生物工程

近年来,生物技术的发展极为迅速,其应用范围正在不断扩大,在林产资源化学成分的加工利用中,纤维素、半纤维素和木质素等木材主要成分的转化的各种过程,都有可能使用微生物或酶。而用以改良微生物性能的重组DNA、细胞融合等遗传工程手段,在这些方面将发挥越来越大的作用。本文主要介绍最近有关微生物或酶分解木质素的报道,和该研究领域中生物工程应用的现状以及今后有待开发的课题。