纤维素酶在生物质转化中的应用研究进展

纤维素酶是木质纤维素转化的重要酶系,主要是由内切β-1,4-葡聚糖酶、外切β-1,4-葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶组成,水解不同位置的糖苷键从而形成葡萄糖。本文总结了纤维素酶近几年来的研究开发与应用研究进展,包含产酶菌和菌种选育、辅助蛋白,介绍了纤维素酶来源和组成、纤维素酶工业化生产的最新研究进展以及纤维素酶在生物质转化方面的应用,纤维素酶在1.5代、2代纤维素燃料乙醇及生物质制气中都有重要的应用。     

纤维素乙醇的生物炼制及研究进展

纤维素乙醇是以农业废弃生物质中的纤维素为主要原料、通过微生物发酵转化而成的生物燃料产品。作为一种绿色可再生替代能源,纤维素乙醇具有显著的能量收益和碳减排效益,对保障我国可持续发展、能源安全以及环境友好意义重大。然而,纤维素乙醇的生物炼制过程面临着难点和挑战。本文围绕纤维素原料及其预处理、纤维素酶水解和纤维素乙醇发酵工艺3个方面,介绍纤维素乙醇生物炼制的工艺流程及特征,剖析纤维素乙醇生产的主要技术瓶颈,并基于菌株抑制物胁迫耐性、碳源利用以及乙醇合成强化3个方面,总结了近年来纤维素乙醇生物炼制的研究进展,最后对纤维素乙醇未来的研究重点和发展前景进行了展望。     

黑曲霉在生物质废弃物资源化中的应用

生物质废弃物因其量大、结构和组分复杂,需要多种酶进行协同作用达到将其资源化利用的效果。黑曲霉能产生水解生物质的纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶和果胶酶等多种酶类,可以在生物质资源化中发挥重要作用。本文中,笔者综述了黑曲霉自身产酶及其作为细胞工厂的作用,介绍了黑曲霉利用生物质废弃物产酶和高附加值产品的研究进展,以期为生物质资源化提供参考。     

纤维素乙醇制备中纤维素酶相关技术专利分析

生物乙醇制备中,纤维素酶相关技术是关键技术之一。本文概述了纤维素乙醇工艺以及纤维素酶,并利用专利分析的方法对纤维素乙醇制备中纤维素酶相关技术发展态势进行了研究,揭示了这一技术领域的专利申请的时空分布、主要技术领域及研究热点、重要专利权人及其竞争领域。     

β-木糖苷酶及其在纤维素乙醇生产中的应用研究进展

将木质纤维素类生物质生物转化生产液体燃料,如纤维素乙醇和大宗化学品,对缓解当前人类社会面临的能源和资源危机以及保护环境具有重要意义.半纤维素是木质纤维素类生物质的主要组成成分之一,它的生物降解转化对实现木质纤维素生物炼制意义重大.由于半纤维素糖种类的多样性和半纤维素结构的复杂性,需要一个复杂的半纤维素酶系才能完成对半纤...     

产业新动力——纤维素酶的研究与应用

纤维素酶（Cellulase）是把纤维素降解成葡萄糖、由多个酶协同作用的多酶体系,广泛存在于细菌、真菌和动植物细胞中,部分微生物体内有复杂的纤维素水解系统,可以有效地水解纤维素。目前微生物纤维素酶的研究较为集中,并已广泛应用于生物乙醇生产、食品加工提纯、酿造工业发酵、纺织后整理和饲料加工等多个领域。     

磁性纳米材料载体固定纤维素酶技术研究进展

生物质原料转化为还原性糖,从而为生物质燃料乙醇的生产提供基础原料。针对现在游离酶生产工艺中的不足,研究者提出了纤维素酶固定化技术,其中以磁性纳米材料作为纤维素酶的固定化载体,不仅可提高纤维素酶的催化性能,增强酶的稳定性,而且以外加磁场代替传统的机械搅拌方式可充分发挥载体材料的磁响应性,从而使制备的固定化酶从反应体系中易于分离,高效且具有重复性。研究者们提出了很多优秀的纤维素酶固定化方案,综述了近年来磁性纳米材料固定纤维素酶的不同方法,并对其做了较为详细的阐述,在此基础上进一步对其优缺点和发展前景进行了讨论。     

青霉生产木质纤维素降解酶系的研究进展

木质纤维素降解酶系的高效生产是实现植物生物质大规模生物炼制的重要支撑。就地生产木质纤维素降解酶,有助于降低其使用成本,提高技术经济效益。青霉是自然界常见的木质纤维素降解真菌,可以合成分泌种类多样、组分齐全的木质纤维素降解酶系,已被应用于纤维素酶制剂的工业生产。文中从就地生产降解酶,为木质纤维素生物炼制构建“糖平台”的角度,综述了青霉木质纤维素降解酶系的性质、菌株遗传改造及发酵工艺的研究进展。     

海藻酸转化生物乙醇研究进展

作为第三代生物燃料,大型褐藻类生物质转化燃料乙醇的研究受到广泛的关注。但是,现有的乙醇工业菌株并不能利用褐藻中的主要成分海藻酸,这个问题是海藻生物乙醇实现工业化生产的主要技术难关。近几年随着对海藻酸裂解酶和海藻酸降解菌代谢途径的深入研究,科研人员构建了不同的海藻酸发酵菌株,为高效转化大型海藻生产生物乙醇提供了可行的技术基础。这篇文章对海藻酸资源概况和海藻酸转化生物乙醇存在的科学问题及其研究进展进行了综述。     

酿酒酵母纤维素乙醇统合加工(CBP)的策略及研究进展

木质纤维素乙醇的统合生物加工过程(Consolidated bioprocessing,CBP)是将纤维素酶和半纤维素酶生产、纤维素水解和乙醇发酵过程组合或部分组合,通过一种微生物完成。统合生物加工过程有利于降低生物转化过程的成本,越来越受到研究者的普遍关注。酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae是传统的乙醇发酵菌株。介绍了影响外源基因在酿酒酵母中表达水平的因素,纤维素酶和半纤维素酶在酿酒酵母中表达研究进展及利用酿酒酵母统合加工纤维素乙醇的策略。     

纤维素酶高产菌种选育及酶活测定

一般从自然界筛选分离的野生型菌株产酶能力比较低．为了提高纤维素酶的活力,筛选和培育高产的菌种是关键。纤维素酶是多组分的复合酶．各个组分的底物专一性不同．并且不同来源的纤维素酶各组分的比例有差别。另一方面．纤维素酶作用的底物比较复杂,常常影响酶活力的表现,加上反应产物的不同．致使纤维素酶活力的测定方法多而繁杂。上期已对纤维素乙醇生产技术中的纤维质原料预处理技术进行了全面的综述．这期将围绕纤维素酶高产菌种选育及酶活测定进行介绍。     

纤维素乙醇高温发酵的研究进展与展望

利用高温细菌发酵,纤维素乙醇生产有望实现“生物质降解-乙醇发酵-乙醇蒸馏”过程的同步化,从而最大限度地降低纤维素乙醇的生产成本;这是一个目标更高、道路更远、科学性更强的可再生能源发展策略.纤维素乙醇高温发酵研究已经取得了重要进展,目前面临的主要挑战包括发酵乙醇的高温细菌的遗传转化系统不够稳定、缺少内源的高活性和耐热性纤维素酶,以及乙醇代谢调控机理有待进一步解析.这些科技难题将会在DNA生物合成和进化技术、细胞生物学技术,以及合成生物学技术的发展中得到解决.     

纤维素酶-乙醇协同提取黄芩总黄酮

以黄芩总黄酮的得率为指标,比较了乙醇回流提取、酶-缓冲水溶液提取、纤维素酶-乙醇提取等方法对黄芩总黄酮提取的影响,发现纤维素酶对细胞壁的水解和乙醇溶液对黄酮类物质的浸出产生了协同效应。采用单因素实验法,优化了纤维素酶-乙醇协同提取黄芩总黄酮的工艺条件。结果表明,乙醇体积分数50%,提取温度50℃,提取时间6 h,加酶量50U/g(干原料),液固比15时,纤维素酶-乙醇回流法提取黄芩总黄酮的得率达19.85%,较单一的乙醇回流法提取提高了1.38%。纤维素酶-乙醇回流法可用于黄芩总黄酮的提取。     

嗜热性木质纤维素酶在纤维素乙醇生产中的研究进展

聚焦于嗜热性木质纤维素酶在纤维素乙醇生产中的应用,归纳了限制纤维素乙醇商业化的技术瓶颈,简单介绍了嗜热性木质纤维素酶的特点,重点介绍了嗜热性木质纤维素酶在筛选、修饰、固定化、异源表达、代谢调控以及协同作用中的研究进展,讨论了嗜热性木质纤维素酶在纤维素乙醇生产中发挥的作用。最后,提出了嗜热性木质纤维素酶在纤维素乙醇生产中面临的问题并展望了其应用前景。     

木质纤维素预处理抑制物产生及脱除方法的研究进展

利用纤维素酶将木质纤维素降解成可发酵性糖,然后发酵生产氢气、乙醇、丁醇等生物燃料及高附加值产品,是当今全球研究的热点。预处理是生物质转化过程中至关重要的步骤,而预处理过程中产生的抑制物对木质纤维素后续的酶解和发酵微生物有负面影响。因此了解预处理方法及其过程中产生的抑制物及脱除方法是能否高效转化生物质的基础。文中首先介绍了木质纤维素常用的两类预处理方法即化学法和物理化学法。随后阐述了不同抑制物的产生及其抑制机制,并重点介绍了多种脱毒方法。最后展望了脱除木质纤维素预处理抑制物的研究趋势:应用交联聚乙烯亚胺和金属有机骨架化合物等新型材料脱除抑制物或通过基因工程、代谢工程技术等构建抑制物耐受性菌株等。     

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。     

白蚁消化系统转化和降解木质纤维素酶研究进展

木质纤维素是地球上最丰富的有机聚合物,白蚁是古老但进化最成功的高效木质纤维素降解者之一。了解白蚁降解高度抗性植物聚合物的机制对工业上生物质能源转化和生物仿生设计有重要的借鉴和指导价值。白蚁和其共生微生物产生的木质纤维素酶在其转化利用木质纤维素上发挥着重要作用。本文从来源作用方面对白蚁自身及其肠道原虫、细菌和真菌产生的纤维素酶、木聚糖酶和漆酶等酶研究概况进行了总结,对其存在的问题和前景进行了展望。本综述有助于全面了解白蚁消化系统木质纤维素酶的基因种类、来源、分布、表达以及酶活性和功能。     

草酸青霉的植物多糖降解酶基因表达调控的研究进展

植物生物质是地球上最丰富的可再生资源,对其生物炼制可生产高附加值的生物基产品。生物炼制需要使用植物多糖降解酶(plant-polysaccharide-degrading enzymes,PPDEs),如纤维素酶、木聚糖酶和生淀粉酶。丝状真菌草酸青霉(Penicillium oxalicum)能分泌完整的具有高活力的植物多糖降解酶,但其产量低限制了大规模生产及应用。草酸青霉中植物多糖降解酶的生物合成受到多种调控因子包括转录因子的严格调控。本文主要介绍在以植物生物质甘蔗渣和木薯生淀粉为原料的生物炼制中,涉及的一些关键微生物方面的问题,如从高产植物多糖降解酶的真菌菌株的筛选、育种,到草酸青霉植物多糖降解酶合成及其基因表达的调控基因的鉴定,以及酶产量提高的工程菌株的构建等,为丝状真菌资源的开发与利用提供理论指导。     

木质纤维素的自然生物转化系统及其过程特征与仿生利用

规模化和产业化开发利用木质纤维素类生物质面临着许多科学和技术上的挑战,这些挑战的核心是如何实现木质纤维素生物质的高效分离与有效转化。然而,在自然界中,不同生物系统分别进化出了其独特的木质纤维素降解与转化的生物过程机制,通过采用不同的策略与途径来克服生物质的抗降解屏障。综述了不同自然生物转化系统在降解生物质过程中的策略与过程特征,并着重分析了食木白蚁肠道消化系统在生物质降解过程中高效转化与利用的独特系统特点。向白蚁生物系统学习,利用自然生物系统的启迪及其相关基因与酶资源,结合生物仿生技术可望建立新型的生物质降解工艺,逐渐实现生物质的低能耗、低污染、高效率、全值化利用。     

秸秆真菌降解转化与可再生化工

秸秆生物质是储量巨大的碳资源,我国每年可用的生物质资源接近10亿t,如果可以转化为燃料乙醇等生物基化学品,有望减少至少2亿t的原油进口量,因此发展秸秆生物转化生产燃料乙醇和大宗化学品是生物制造的核心组成。中国科学院天津工业生物技术研究所(以下简称“天津工业生物所”)自建所之初,便提出了“两个替代一个提升”,其中包括以可再生碳资源替代不可再生石化资源生产大宗化学品。发展秸秆生物转化是研究所的长期战略,建所10年来,在这一领域进行了持续系统地研究,取得了显著进展。本文重点综述真菌系统的生物质降解与转化,包括丝状真菌纤维素降解机理,生物质炼制整合路线研发等,实现了生物质一步转化燃料乙醇、苹果酸等多种大宗能源材料化学品。在可再生化工研究方面,重点介绍了丁二酸、乳酸等一批大宗有机酸,以可再生碳资源为原料进行生产的工业化进展,展示了生物制造替代石化路线生产大宗化学品的潜力。天津工业生物所在秸秆生物转化和可再生化工方面的研究,为我国建设发展低碳经济社会提供了有效参考路径,有望为我国实现双碳战略目标作出自己的独特贡献。