毕业论文课题相关文献综述
文 献 综 述
前言
1 木质纤维素的相关知识
木质纤维材料是地球上最丰富的可再生资源，广泛存在于农副业及林业的木质废弃物，以及以农产品、林产品为原料的工业废弃物中。木质纤维素主要由纤维素（35%-50%）、半纤维素（20%-35%）及木质素（10%-25%）三部分组成[1]。其中，木质素属于非糖类多酚化合物，是由苯基丙烷结构单元通过醚键、碳-碳键连接而成的芳香族高分子化合物。纤维素是由 D-葡萄糖基通过β-1，4-糖苷键联结而成的线状高分子化合物，其基本组成单位是纤维二糖，如果彻底水解，产物为葡萄糖；如果水解不彻底，产物中可包括葡萄糖、纤维二糖及葡萄糖低聚物。半纤维素是由多种单糖形成的非结晶异质多聚体，以木糖，阿拉伯糖等戊糖为主，含有少量的甘露糖，葡萄糖，半乳糖等己糖及其糖醛酸衍生物。半纤维素一般作为分子黏合剂结合在纤维素和木质素之间，它与纤维素微细纤维之间以氢键和范德华力结合，与木质素之间以化学键构成木素-碳水化合物复合体（lignincarbohydrate complex，LCC）[2][3]。水解产物一般包括：D-木糖、L-阿拉伯糖、D-甘露糖、D-葡萄糖、D-半乳糖、4-O-甲基-葡萄糖醛酸、D-半乳糖醛酸和 D-葡萄糖醛酸基等[4]。
不同来源的木质纤维素中半纤维素的组成和结构差异较大，例如，阔叶木中的半纤维素主要是聚-O-乙酰基-4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖，含少量的聚葡萄糖甘露糖等一些其他高聚糖。针叶木中主要的半纤维素是聚-O-乙酰基葡萄糖甘露糖，含部分聚阿拉伯糖-4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖和少量的聚阿拉伯糖半乳糖。禾本科植物主要的半纤维素是聚阿拉伯糖-4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖，其典型结构式为：D-木糖基以 β-1,4-糖苷键连接形成主链，在主链的 C2 或 C3 位置上，分别连接了 L-呋喃型阿拉伯糖基和 D-吡喃型葡萄糖醛酸基作为支链[15][16][17]。
木质纤维素组分复杂，大多数组分以大分子的多糖形式存在，并形成特定的晶体结构。只有将木质纤维素进行适当的处理，才能够加以工业利用。对木质纤维素进行初步加工的物理、化学方法，称为木质纤维素的预处理，其主要加工目的和技术环节包括：①木质纤维素粉碎为粉末或小颗粒；②破坏木质纤维素的天然晶体结构或物理结构；③将大分子的纤维素和半纤维素降解为混合单糖；④木质纤维素降解物的分离纯化。
木质纤维素在地球上蕴藏量巨大，属于可再生资源，目前在工业上的利用量远远低于储量，需要为剩余的木质纤维素开辟其它的使用途径。此外，目前的工业发酵原料仍然以粮食为主，随着生物技术的发展，工业发酵规模日益扩大，对粮食的需求量也在急剧增加，已经初现发酵工业与人争粮的端倪。使用丰富的木质纤维素降解物代替粮食作为发酵原料，是解决这一问题的最佳途径，这已经成为学术界和社会的共识。
以木质纤维素的预处理产物作为发酵原料，需要综合考虑技术问题和经济问题。从目前技术水平看，在木质纤维素中将半纤维素降解，分离出以木糖为主的戊糖混合液用作发酵原料，这种木质纤维素预处理方法技术难度小，产物成本低，最为可行。从技术发展趋势看，纤维素酶的性能将会进一步提高，而市场价格将趋向低廉，这使得纤维素降解成本将大幅度降低。综合考虑以上因素，目前或不远的将来，在技术上和经济上可行的木质纤维素的预处理方法，就是降解半纤维素，获得戊糖混合液；或者，同时降解木质纤维素中的纤维素和半纤维素，除去木质素，获得己糖和戊糖的混合液。只有这种糖混合液的制备成本低于玉米淀粉水解糖的成本时，才能够代替粮食作为工业发酵原料，这种技术才有持久的生命力和巨大的经济价值。在木质纤维素预处理工艺中加入分离手段，可以获得较为纯净和单一的产物，但是成本也随之提高。当其价格高于粮食时，其在发酵工业中的应用将不会广泛。
木质纤维素降解产物作为发酵原料除了木质纤维素预处理的问题以外，还存在另一个技术难题，即需要一种工业发酵菌株，能充分利用木质纤维素降解产物中的各种糖类，并具有良好的工业生产性能。原本利用葡萄糖的工业发酵菌株，能否改用木糖等其他戊糖，是一个生物学问题。不幸的是，可以利用木糖作为发酵原料的工业发酵菌株数量极少[6]。为解决以上问题，人们利用基因工程手段来改造现有的微生物，以获得既能利用木质纤维素水解液中的多种组分又能稳定高效的生产工业产品的基因工程菌。
利用木质纤维素降解产物作为原料发酵菌体生产工业产品的过程，可实现秸秆、蔗渣等农林业废弃物的循环利用，变废为宝，具有可再生、可循环、可降解、对环境友好等优势，是一种可持续发展的科学发展观。降解产物能够进一步生产燃料乙醇、木糖醇、2，3-丁二醇、有机酸、单细胞蛋白以及糠醛等工业产品。随着能源紧缺问题的日益严重，出现了燃料乙醇的大规模生产和应用。用燃料乙醇取代部分汽油，对于减轻环境污染、节省石油资源、促进农业产业化进程等，发挥了积极的作用。但是，大规模的生产燃料乙醇伴随而来的是粮食消耗的急剧增加。作为木质纤维素中的第二大组分，半纤维素来源广泛、价格低廉，是可再生性的非粮作物，因此，使用半纤维素的水解产物发酵生产燃料乙醇具有重大的意义[3]。半纤维素水解产物木糖通过木糖异构酶的作用形成木酮糖，随后木酮糖经木酮糖激酶的作用，磷酸化形成 5-磷酸木酮糖，并由此进入磷酸戊糖途径（PPP）。PPP 途径的中间产物 6-磷酸葡萄糖及 3-磷酸甘油醛通过糖酵解途径形成丙酮酸。丙酮酸再经丙酮酸脱羧酶、乙醇脱氢酶的作用，最终被还原为乙醇。
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