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第一章 文献综述
由于人类对石油和煤炭资源的过度依赖，导致其日益枯竭，在利用化石能源的同时也会排放大量的有害气体，产生温室效应、形成酸雨等环境问题，寻找新的清洁的可持续的可再生能源变得尤为重要。因此，生物燃料吸引了全球众多科学家的关注。第一代生物能源是从淀粉、糖等人类可食用的食物原料中提取的，但由于还存在粮食问题，加上这种技术不能满足未来的能源需求，已经被慢慢取代。于是，研究人员已经将目光放在以木质纤维素为原料生产生物能源这一课题上。
纤维素是自然界中含量最丰富、且具有绿色和生物相容性、可再生的天然有机高分子，纤维素的来源十分广泛，植物、微生物以及海洋生物都含有丰富的纤维素。[1]特别是农业残留物中的木质纤维素，科学家运用从这种木质纤维素来生产二代生物燃料的想法开始萌发出来。特别是各种酶的发现使这种想法变成可能。据估计，目前美国40%的不可再生能源可以被木质纤维素衍生的生物燃料所替代。[2]木质纤维素的降解方法目前只有两种，分别是化学水解法和酶水解法。与化学法相比，酶水解法具有反应条件温和、环境友好、产物专一、能耗低、转化率高、副产物少等优点，因而受到广泛关注。[3]
但目前有个困难就是木质纤维素是植物细胞中的主要组成部分，它们用氢键形成十分牢固的结晶结构，并且木质素、纤维素、半纤维素还会共同形成复杂的高聚合物。[4]这些因素导致纤维素很难被简单的酶系统水解。目前的主流思路是：运用化学手段或者复杂的酶体系来对木质纤维素进行预处理，其主要目的是破坏木质素结构，降低纤维素的聚合度，提高纤维素的增量率和结构松散度，增加微生物及其酶活反应对纤维素的可及性，进而提高之后操作中纤维素的降解率。糖得率高，纤维素共聚物易被酶降解等特点。[5]再用降解下来的单糖、寡糖进行其他的生物转化，使其成为其他生物质能源。糖苷水解酶 (GH) 是用于生物转化的酶的基础。GH可以将纤维素和半纤维素分解成可发酵的糖，主要是涉及alpha;/beta;-1，4-糖苷键的断裂，但之前提到的两个因素导致此类酶的转化率非常低，不能进行有效的降解。
溶解性多糖单加氧酶（lytic polysaccharide monooxygenases，LPMOs）是最近发现的一类铜离子依赖酶。与GH水解多聚糖链的方式不同，LPMOs可以通过氧化作用断裂糖苷键产生寡糖链，进而暴露出更多GH结合的位点，从而加快反应进程，两者的协同反应可以提高寡糖或单糖的生成量。[3]LPMO的出现进一步发展了生物质能源的降解模式，为木质纤维素的生物质能源发展打开了新的篇章。
上面只是实验室的木质纤维素处理遇到的一部分困难，将其推广到整个工业产业中还是有很多苦难的。目前木质纤维素的生物产业化的过程十分困难，有很多的难点[26]：1.原材料受到季节、产地、储存运输等因素的影响；2.原料的组成成分、结构十分复杂，转化之前需要预处理；3.降解酶的体系复杂，降解效率不高；4.酶水解产生的糖有些不适合发酵转化；5.面对多样复杂的原料组分，需要综合化工、生物等多个方面的技术的整合；6.多种过程和工程的整合难度大。[25]
1.1纤维素
木质纤维素是地球上最为丰富的可再生的生物质资源，其主要由纤维素、木质素和半纤维素组成。植物细胞壁是木质纤维素生物质碳水化合物的主要来源。[27]主要包括木材、农业生产废弃物、林产加工废弃物和各类能源植物。[6]其中，生产糖的来源主要是纤维素和半纤维素，工业上也是运用这两种原料，使用纤维素酶进行发酵，最终得到生物乙醇。
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