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纤维素的结构及其生物降解的研究赵超王春明周帮腾随着生产力的发展，人们对资源和能源的需求越来越大。显而易见，煤炭、石油等一次性能源决不可能长久的满足生产力发展的需求，于是人们把目光投向了生物能、太阳能等可再生能源。纤维素是当今世界上最丰富的可再生高聚物。据估计，通过光合作用每年合成的纤维素的到1011～1012吨。纤维素的来源及结构分析酶法水解的影响因素纤维素酶的作用机理纤维素的酶解工艺z天然纤维素主要来源于森林木质纤维素类材料，木材是最主要的来源。其它含有纤维素的物质包括农业残余物、水生植物、草和其它一些植物类物质。z合成纤维素功能性纤维素的化学合成已经在实验室中实现。主要还是通过多步的化学保护－脱保护反应。另一种高效的方法是利用纤维素酶来控制立体特异性和区域选择性。纤维素的结构OHOHOHOH2COHOHOHOH2COHOOHOH2COHOHOOHHOH2COHHOOOHn-23'1'1234562'6'4'5'非还原性末端还原性末端葡萄糖酐单元(n=DP值)图1纤维素的分子结构分子间的氢键结合O123451'2'3'4'5'6'6OOO123451'2'3'4'5'6'6OO图2纤维素的氢键系统c=0.79nmb=1.03nma=0.835nm图3根据Meyer-Misch模型的纤维素I单元纤维素Ⅰ型的晶胞单元纤维素结构对酶解的影响纤维素通过氢键缔合形成密度大的结晶区和密度小的无定型区，又被木质素和半纤维素包围着，形成完整结构，高度不溶于水。比表面积是影响纤维素酶解的主要因素，其次是木质素含量，最后才是结晶度。酶和酶用量对酶解的影响纤维素酶是一种复合酶，不同微生物合成的纤维素酶在组成上有显著的差异，对纤维素的降解能力也不大相同。随着酶量的增加，纤维素酶解率增大；另一方面从经济角度考虑，酶用量也要尽可能的少。温度和pH对酶解的影响大部分纤维素酶的活性受其环境的温度和pH值的影响。在最适pH值下，酶解反应具有最大速度，高于或低于此值，反应速度下降。纤维素酶的最适pH值一般在4.5～5.5范围内。抑制剂和活化剂对酶解的影响纤维素酶可由酶促反应的产物和类似底物的某些物质引起竞争性抑制特别是酶解过程中,产生的纤维二糖和葡萄糖,对整个反应形成明显反馈抑制，使得酶解效率不高，为了消除这种反馈抑制，必须加入一些酶激活剂。常见抑制剂：植物体内的某些酚、单宁和花色素卤化物、重金属、去垢剂和染料常见激活剂：Mg2+、CoCl2、Ca2+、Ca3(PO4)2和中性盐类但条件改变，抑制剂也可能成为激活剂！纤维素酶的作用机理第一步是内切型纤维素酶作用于纤维素分子内部的无定形区，随即水解β-1,4-糖苷键将纤维素分子截短，随后外切型纤维素酶，作用于纤维素线状分子末端,水解β-1,4-糖苷键,每次切下一个纤维二糖分子，最后，葡萄糖苷酶将纤维二糖水解成葡萄糖分子。 纤维素酶组分的协同作用协同作用一般被认为是内切型纤维素酶、外切型纤维素酶和葡萄糖苷酶三者之间的协作。一般地说，协同作用与底物的结晶度成正比，当酶的组分的混合比例与霉菌发酵滤液中各组分的比例相近时，协同作用最大，而且不同菌源的内切与外切酶之间也具有协同作用.协同降解模型纤维素降解过程中其它酶的作用与仅用纤维素酶相比，包括CDH、葡萄糖苷酶和纤维素酶在内的多酶系统对于具有不同晶体结构的纤维素表现出了更有效的降解能力.天然纤维素要在一种非水解性质的解链因子或解氢键酶作用下，使纤维素链间和链内氢键打开，形成无序的非结晶纤维素，然后在3种酶的协同作用下水解为纤维糊精和葡萄糖。原料预处理物理法:常用的方法有超微粉碎、蒸汽爆破、高能辐射、微波和超声波处理等化学方法:常采用氢氧化钠、液氨及其它化学试剂处理物理－化学法:常用的有氨冷冻爆破法酶解工艺酶解糖化工艺同步酵解发酵工艺同步产酶与酶解工艺固定化酶糖化发酵工艺酶解糖化工艺早期主要采用一次加料酶解法,后来人们改进工艺采用分批添料酶解,提高了酶解得率。缺点：这种工艺不能消除葡萄糖对反应的抑制,酶解效率只能在一定程度上得到提高。同步酵解发酵工艺纤维素的酶解糖化与酒精发酵在同一反应器中连续进行。该工艺消除了葡萄糖因浓度高对纤维素酶的反馈抑制，但存在的主要问题是酶水解与酵母发酵的最适温度不一致。同步产酶与酶解工艺该工艺是将纤维素酶的合成与纤维素的酶解糖化耦合在同一个反应器中进行。这种工艺成本低廉，易于自动化连续操作，在纤维素资源的转化利用方面是一种新的探索，继续深入对这种耦合反应动力学的研究以及生物反应器的开发具有很大的应用前景．固定化酶糖化发酵工艺固定化酶比游离酶有较好的稳定性，可以重复使用和回收，又便于连续操作，因此可以大大降低成本。利用固定化纤维素酶技术，对促进纤维素糖化发酵实现工业化生产有十分重要的意义。主要参考资料:[1]S.De贝特斯，E.J.旺达姆，A.斯泰因比歇尔（陈代杰等译）《生物高分子》第6卷，第10节P248～282[2]张建安,张小勇,韩润林,等.木素对纤维素酶解的影响及纤维素酶解[J].化学工程,2000,28(1):38～43.[3]刘翔,何国庆.利用木素纤维素生产燃料乙醇的微生物代谢工程[J].粮油加工与食品机械,2003,(8):67-69.[4]AmanoYoshihiko,KandaTakahisa.NewInsightsintoCelluloseDegradationbyCellulasesandRelatedenzymes.TrendsinGlycoscienceandGlycotechnology,2002,14:27-34.[5]PhilippB.Lignocellulosics-science,technologydevelopmentanduse,eds[M].KennedyJFPhillippsGO,WilliamsPA.EllisHorwoodLimrited,1992.467～477.1998,19(3):20～27.