天然表面活性剂茶皂素对纤维素酶水解的影响研究文献综述

 2022-07-11 10:36:56

文献综述

2.1 木质纤维原料

木质纤维素形成植物的细胞壁通过次方式来保护细胞，它的关键组成包括纤维素（35-50 %）、半纤维素（20-35 %）和木质素（15-20 %）[1-3]。纤维素结构是由D-吡喃葡萄糖通过beta;-1，4-糖苷键连接而成的链状聚合物。每个纤维素分子由500-10000个葡萄糖单位组成。半纤维素在结构和组成上有很大的变化，通常由短的高度分枝的杂多糖链组成。半纤维素的主要结构单元为木糖、阿拉伯糖、葡萄糖、甘露糖和半乳糖，其中木糖一般占50 %以上。半纤维素聚合度低，易降解为单糖。木质素是一种以苯丙烷单元为基础的芳香族聚合物。木质素不易分解，不能形成可发酵糖。木质素包围着其它两种物质形成隔离层，纤维素以及半纤维素的水解效果就大打折扣。如果不对木质纤维素材料进行预处理，酶解的转化率通常小于20 %。

2.2 预处理

2.2.1木质纤维原料预处理

木质纤维素生物质由于自身的物理结构和细胞壁化学组分所导致的生物顽抗性，难以被纤维素酶酶解糖化或者被微生物直接利用生产目标产品，所以预处理是将木质纤维素原料转化成可发酵单糖的至关重要的步骤[4]。

图1 木质纤维素生物质的预处理示意图

Fig.1 Schematic of the role of pretreatment on the lignocellulosic biomass

天然植物纤维的主要组成原料是纤维素、木质素和半纤维素，其结构极其复杂。由于木质素和半纤维素的保护以及纤维素本身的晶体结构，木质纤维素形成了致密不透的高级结构，使酶制剂难以与纤维素接触，直接影响后续的水解发酵过程。预处理是为了破坏木质纤维素的结构，使它在生物酶的参与的情况下能够实现高效地水解，由此获得的阿拉伯糖、葡萄糖、木糖等可发酵单糖。预处理可以通过（1）降解半纤维素；（2）破坏木质素的结构；(3)脱除乙酰基团；（4）降低颗粒尺寸，提高比表面积[5,6]的方法达到目的。

2.2.2预处理方法

成功的预处理技术应该能够实现下面这些条件，包括对环境友好，操作简单且周期比较短，设备成本和过程能耗低，原料地可选择范围相对宽泛，有高效地并且消耗较低地将抑制物成功脱除的途径。在此时的情况下，一些可以被高效利用的副产品随着预处理的过程而逐渐产生，更值得重视的是，伴随着预处理工序所诞生的废气以及废水该如何有效的治理以及如何实现高效地重复利用预处理催化剂足够成为人类首要研究的难题。木质纤维素的预处理方法通常情况下可以大致分为四种，第一种是物理法，第二种是化学法，第三种是物理和化学相结合而成的方法，而最后一种则是生物法[7,8]。

2.3 纤维素酶解

纤维素酶是将纤维素水解成纤维二糖和葡萄糖的一组复杂酶，也称为纤维素酶系[9,10]。纤维素酶是由一个约56kD球状的催化(水解)活力的核心蛋白催化区(CD或CP)、一个连接区(linker)和一个没有催化作用但是具有纤维素吸附能力的纤维素结合区(CBD)三个部分组成,即为一个催化活性的头部(CD)和楔形的尾部(CBD)组成的蝌蚪状分子。研究发现，生物质的酶解效率不单单取决于酶的高效性和可及性，而且与生物质的结构特征密切相关[11]。生物质的结构特征大体分为两大类即化学的与物理的。化学特性指的是与半纤维素相结合的纤维素、半纤维素、木质素和乙酰基。物理特性指的就是是表面面积、结晶度、可及性、生物基质中木质素的分布、聚合度、孔容积与粒径。一种结构特征变化会导致其它结构特性也会与之共同发生变化。此外，生物量的异质性和酶的多样性使得人们很难完全理解酶与底物之间的相互作用。因此，在生物量预处理后限速反应的影响因素相当难以确定的。限速反应的关键影响因素可能是几种生物质结构特征的综合因素。

2.3.1纤维素酶的作用机制

木质纤维素的水解大体上可以分成反应初、中、末期三个主要阶段。在反应初期阶段，酶能够与有着充足的未曾定形的纤维素相接触，这使其能够相当迅速地被EG酶剪切进而形成相对来说较短的糖链(DPle;6),在这一时期内，它能够快速水解主要还是得归功于EG酶。在反应中期阶段，容易降解的未曾定形的表面逐渐减少，使其无法不需要直面由纤维素和半纤维素以及组成的相互缠绕的木质素的聚合体，为了充分接触然后逐渐降解存在于这种聚合体内的纤维素，它首先需要做的是将表面的半纤维素成分进行分解消化。由于此时结晶纤维素成为了纤维素主要表现形式，纤维素酶地水解效率也就随着EG酶的作用地减小而逐渐减缓[12]。在反应快结束时，能够被降解那部分木质纤维素的量也就越来越少，与此同时木质素在固体残渣内所占的比重也越来越。酶就会因为无效吸附而失活，在这种情况下反应也就结束了。

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