木质素降解酶对纤维素酶水解糖化的抑制作用

木质纤维素化学方法预处理木质纤维素是一种重要的生物质资源，具有丰富的可再生特性和广泛的应用前景。

然而，由于其独特的结构和复杂的化学成分，木质纤维素在直接利用前需要进行预处理，以提高其可转化性和降低生产成本。

在本文中，我们将介绍常见的木质纤维素化学方法预处理技术，并讨论其优点和应用领域。

木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。

纤维素是最主要的组分，占据了40%至50%的木质纤维素总质量。

半纤维素和木质素的含量较低，但对木质纤维素的结构和特性有着重要的影响。

因此，木质纤维素的化学方法预处理通常包括对纤维素、半纤维素和木质素进行分离和降解。

最常用的木质纤维素化学方法预处理技术之一是酸处理。

酸处理可以将纤维素酸解为可溶性纤维素和不溶性纤维素，从而降低木质纤维素的结晶度和分子量，提高其可转化性。

酸处理通常使用硫酸或盐酸作为催化剂，同时加热反应系统以促进反应进行。

酸处理的优点是操作简单、成本低廉，但其缺点是产生大量废水和酸性气体，对环境造成污染。

另一种常见的木质纤维素化学方法预处理技术是氧化处理。

氧化处理可以通过氧化剂的作用将木质纤维素部分降解为低聚糖和酚类化合物，从而降低木质纤维素的结晶度和分子量。

氧化处理通常使用过氧化氢、臭氧或高锰酸钾作为氧化剂，反应条件一般较温和。

氧化处理的优点是对环境友好，但其缺点是操作复杂、成本较高。

此外，还有其他木质纤维素化学方法预处理技术，如碱处理、酶处理和有机溶剂处理等。

碱处理可以将木质纤维素中的半纤维素部分水解为低聚糖，从而降低木质纤维素的结晶度和分子量。

酶处理可以利用纤维素酶或半纤维素酶将木质纤维素部分水解为可溶性纤维素和低聚糖，从而提高其可转化性。

有机溶剂处理可以利用有机溶剂将木质纤维素溶解或脱除，从而提高其可转化性。

这些木质纤维素化学方法预处理技术具有各自的优点和适用范围，可以根据具体情况选择合适的方法。

总之，木质纤维素化学方法预处理是提高木质纤维素可转化性和降低生产成本的重要步骤。

西北林学院学报2021,36(2):142-148J o u r n a l o f N o r t h w e s t F o r e s t r y U n i v e r s i t yd o i :10.3969/j.i s s n .1001-7461.2021.02.21木质素与酶的作用机制及其在纤维素酶水解中的影响研究进展收稿日期:2020-04-01 修回日期:2020-05-29基金项目:国家自然科学基金青年基金 纤维素酶吸附及水解对木质素结构S /G 值的动力学响应 (21704045);江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目(201910298034Y )㊂ 作者简介:黄丽菁,硕士在读㊂研究方向:生物质资源化学与工程㊂E -m a i l :h l j19970314@s i n a .c o m *通信作者:吴文娟,副教授,博士㊂研究方向:生物质资源化学与工程㊂E -m a i l :w e n j u a n w u @n jf u .e d u .c n 黄丽菁,吴彩文,邹春阳,闫雪晴,吴文娟*(南京林业大学江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心,江苏南京210037)摘 要:化石燃料的持续开采与使用对环境产生了严重的负面影响,使得开发可再生清洁能源代替传统能源成为必然㊂木质纤维素是一种丰富的可再生资源,可转化为生物乙醇㊁氢气等生物质燃料,被认为是代替化石燃料的理想替代品㊂其中木质纤维原料转化为生物乙醇需经过预处理㊁酶水解以及微生物发酵这3个关键步骤,而纤维素酶水解通常会受到酶㊁水解条件㊁底物等诸多因素的影响㊂针对木质素对纤维素酶水解的影响研究进行综述,大量研究发现,木质素是纤维素酶水解过程中的主要抑制剂㊂木质素既可以吸附纤维素酶,与纤维素酶发生无效吸附;又可以作为物理屏障,阻碍酶对纤维素的生产性吸附㊂尽管通过预处理可以去除大部分的木质素,但依旧无法从根源上缓解木质素对纤维素酶水解的影响,研究木质素的结构单元对酶解效率的影响可能是当前生物乙醇转化中木质素在纤维素酶水解中的研究方向㊂关键词:木质纤维原料;木质素;S /G 比;纤维素酶水解中图分类号:T Q 35 文献标志码:A 文章编号:1001-7461(2021)02-0142-07T h e A c t i o n M e c h a n i s m o f L i g n i n -e n z y m e a n d R e s e a r c h P r o gr e s s o f I t s I n f l u e n c e o n E n z y m a t i c H y d r o l ys i s H U A N G L i -j i n g ,W U C a i -w e n ,Z O U C h u n -y a n g ,Y A N X u e -q i n g ,W U W e n -ju a n *(J i a n g s u C o -I n n o v a t i o n C e n t e r o f E f f i c i e n t P r o c e s s i n g a n d U t i l i z a t i o n o f F o r e s t R e s o u r c e s ,N a n j i n g F o r e s t r y U n i v e r s i t y ,N a n j i n g 210037,J i a n gs u ,C h i n a )A b s t r a c t :T h e c o n t i n u o u s e x p l o i t a t i o n a n d u s e o f f o s s i l f u e l s h a v e a s e r i o u s n e g a t i v e i m pa c t o n t h e e n v i r o n -m e n t ,w h i c h m a k e s i t i n e v i t ab l e t o d e v e l o p r e n e w a b l ec l e a n e n e r g y i n s t e ad o f t r a d i t i o n a le n e r g y .L i gn o c e l l u -l o s e i s a k i n d o f a b u n d a n t r e n e w a b l e r e s o u r c e s ,w h i c h c a n b e c o n v e r t e d i n t o b i o e t h a n o l ,h y d r o ge n a n d o t h e r b i o m a s sf u e l s ,a n d i s c o n s i d e r e d t o b e a n i d e a l a l t e r n a t i v e t o f o s s i l f u e l s .T h e c o n v e r s i o n o f l i gn o c e l l u l o s i c m a t e r i a l s t o b i o e t h a n o l r e q u i r e s t h r e e k e y s t e p s :p r e t r e a t m e n t ,e n z y m a t i c h y d r o l ys i s a n d m i c r o b i a l f e r m e n -t a t i o n .H o w e v e r ,e n z y m a t i c h y d r o l y s i s i s u s u a l l y a f f e c t e d b y m a n y f a c t o r s ,s u c h a s e n z y m e ,h y d r o l y s i s c o n -d i t i o n s ,s u b s t r a t e a n d s o o n .A l a r g e n u m b e r o f s t u d i e s h a v e f o u n d t h a t l i gn i n i s t h e m a i n i n h i b i t o r i n t h e p r o c e s s o f e n z y m a t i c h y d r o l y s i s .L i g n i n c a n n o t o n l y a d s o r b e n z y m e b u t a l s o a d s o r b n o n p r o d u c t i v e l y wi t h e n z y m e .I t c a n a l s o a c t a s a p h y s i c a l b a r r i e r t o p r e v e n t t h e e n z y m e f r o m a b s o r b i n g c e l l u l o s e p r o d u c t i v e l y.A l t h o u g h m o s t o f l i g n i n c o u l d b e r e m o v e d b y p r e t r e a t m e n t ,t h e e f f e c t o f l i g n i n o n e n z y m a t i c h y d r o l ys i s c o u l d n o t b e r e s o l v e d f r o m t h e r o o t .I n t h i s p a p e r ,r e s e a r c h e s o n t h e i n f l u e n c e o f l i g n i n o n e n z y m a t i c h yd r o l -y s i s we r e r e v i e w e d ,a n d t h e p o s s i b l e r e s e a r c h d i r e c t i o n s of l ig n i n i n b i o e th a n o l c o n v e r si o n w e r e p r o po s e d .K e y wo r d s :l i g n o c e l l u l o s e ;l i g n i n ;S /G r a t i o ;e n z y m a t i c h y d r o l y s i s目前,全世界的能源消耗主要来自于煤炭㊁石油㊁天然气等传统化石能源,社会经济的飞速发展使得人们对能源的需求不断增加,这将导致传统的化石燃料日益枯竭,也会带来严重的环境污染问题[1],为了解决能源供求问题,开发可再生的清洁能源已成为必然趋势,这也将是人类社会可持续发展的重大挑战㊂木质纤维原料是目前资源最为丰富㊁分布最为广泛的生物质,主要包括木材(阔叶材和针叶材)㊁能源植物(竹子㊁高粱等)㊁农业生产或林业加工废弃物(如棕榈树干㊁棉茧壳㊁橄榄壳㊁玉米秸秆等)[2],具有可再生㊁储量大㊁价格低等优势,可转化为乙醇㊁氢气㊁生物柴油等生物质燃料[3]㊂其中生物乙醇的生产是通过酶水解纤维原料中的纤维素㊁半纤维素并发酵而成的,这种生产过程取决于3个关键步骤,包括预处理㊁酶水解以及将释放的糖进行发酵[4],而预处理作为其中的关键环节对后续的酶水解有着重要的影响㊂在木质纤维原料的处理过程中,木质素的存在使得木质纤维原料对纤维素酶水解具有顽抗性,导致细胞壁的3个主要成分(木质素㊁纤维素和半纤维素)难以有效的解离,从而导致酶水解效率的降低[5]㊂因此,研究木质素的结构特点有助于降低纤维原料的顽抗性,实现更高效的酶水解,也为开发经济高效的新型预处理技术提供了方法和技术支撑[5-6]㊂目前,关于木质素对酶水解影响的研究有很多,但由于木质素结构的复杂多样性以及预处理对木质素结构的改变使得难以获得统一而确定的木质素对纤维素酶无效吸附的机理[7]㊂本文拟对纤维素酶水解的影响因素进行介绍,并综述木质素与酶之间的作用机理及其在纤维素酶水解中的影响研究进展㊂1木质纤维原料1.1组成与结构木质纤维原料主要含有纤维素㊁半纤维素㊁木质素等,木质纤维原料来源不同,组成含量也不同[8]㊂通常,木质纤维素原料中纤维素㊁半纤维素和木质素的含量分别在30%~60%㊁20%~40%和15%~ 25%[9]㊂纤维素是由葡萄糖组成的多糖聚合物,通过β-1-4糖苷键紧密连接,其聚合度在500~10000㊂由于纤维素分子间的氢键作用,纤维素分为结晶区和无定形区,结晶区氢键排列规则紧密,无定形区氢键排列松散且没有规则㊂分子间的氢键连接是具有不同取向性的,因此产生了不同程度的结晶度㊂结晶度在纤维素的生物降解过程中起着至关重要的作用,一般来说,结晶度越高,纤维素的生物降解就越困难[10]㊂半纤维素是由2种及以上的糖基组成,往往带有不同数量的支链或侧链㊂木糖㊁阿拉伯糖㊁葡萄糖㊁半乳糖和甘露糖等是组成半纤维素的主要糖基,它们根据半纤维素的来源以不同的比例排列㊂针叶材中的半纤维素以己聚糖为主,阔叶材中的半纤维素以戊聚糖为主㊂半纤维素分子量低,具有无定形区,比纤维素更易溶解,也更易受到化学攻击[11]㊂木质素广泛存在于维管植物中,是由苯丙烷单元通过化学键连接而成的芳香族聚合物,作为粘合剂存在于胞间层与微纤丝之间,从而增强了细胞壁的结构[12]㊂构成木质素的结构单元主要有对-羟苯基结构(H)㊁愈创木基结构(G)和紫丁香基结构(S) 3种,但不同来源的木质素结构差异有很大不同㊂这3种结构单元如图1所示㊂图1木质素3种结构单元[13]F i g.1 T h r e e s t r u c t u r a l u n i t s o f l i g n i n[13]一般来说,针叶木木质素含有丰富的G结构单元,阔叶木木质素同时包含G型和S型2种结构单元,而禾草类木质素则由G㊁S㊁H这3种结构单元构成[14]㊂因此根据所含结构单元的不同,木质素可进一步分为G型(针叶木木质素)㊁G-S型(阔叶木木质素)㊁G-S-H型(禾本科木质素)㊁G-H型(应压木木质素)[15]㊂表1为3种结构单元在不同种类植物中的含量[16]㊂表1不同种类植物中的木质素结构单元含量T a b l e1 C o n t e n t o f l i g n i n s t r u c t u r a l u n i t s i n d i f f e r e n tk i n d s o f p l a n t s%结构单元针叶材阔叶材禾草科G单元90~9525~5025~50S单元0~150~7525~50H单元0.5~3.4<0.0110~25 1.2木质素的来源与应用木质素的分离方式一般有2种:1)溶出木质素,木质素降解为可溶性碎片从原料中分离出来;2)保留木质素,纤维素㊁半纤维素降解溶出,木质素作为固体残渣被保留下来[17]㊂根据分离方法的不同,木341第2期黄丽菁等:木质素与酶的作用机制及其在纤维素酶水解中的影响研究进展质素可分为磨木木质素(M i l l e d W o o d L i g n i n, MW L)㊁碱木质素㊁酶解木质素㊁木质素磺酸盐等㊂磨木木质素又称B jök m a n木质素[18]㊂磨木木质素是使用中性溶剂在无酸㊁无热的条件下进行提取㊂此方法的得率较低,但其化学结构未受到严重的破坏,与原木质素具有最相似的结构,经常被用于木质素化学结构的研究㊂碱木质素是烧碱法或硫酸盐法化学制浆的副产物[19],往往含有大量的小分子糖㊁提取物和无机盐等杂质,因此常用碱溶酸析法进行提纯[20]㊂经过提纯改性后的碱木质素可用于复合材料㊁橡胶等领域㊂酶解木质素源自于生物乙醇的生产过程中的酶解残渣,通过有机溶剂或碱溶酸析法分离提取获得㊂它的结构与磨木木质素相似,但得率更高㊂由于酶解木质素未经过高温高压及酸碱的处理,保留了良好的天然结构,含有丰富的酚羟基,可作为在酚醛树脂中苯酚的替代物[21]㊂木质素磺酸盐来源于亚硫酸盐制浆工艺㊂它能够溶解于一定p H的水溶液中,却不溶于大多数溶剂[22]㊂木质素磺酸盐具有良好的分散性和表面活性,可以被用作混凝土外加剂㊁染料分散剂,以及用于工业废水中重金属吸附的乳化剂和螯合剂[23]等㊂2木质纤维原料的预处理木质纤维素结构复杂,纤维素周围被半纤维素和木质素形成的紧密的空间网状结构包裹㊂这种物理屏蔽阻碍了纤维素与外界的接触,也阻碍了纤维素的酶降解㊂为了增大原料的比表面积和提高酶对底物的可及性,改善纤维素的酶解效率,选择适当的预处理方式是必不可少的方法㊂一方面,可以破坏木质素和纤维素㊁半纤维素之间的连接,减少木质纤维素的顽抗性[24-25];另一方面,在一定程度上破坏了纤维素结晶度,增加原料的孔隙度和比表面积,改善了纤维素对酶的可及性[26]㊂目前,常用的木质纤维素预处理的方法有物理预处理,如机械粉碎法[27]㊁微波法[28]等方法;化学预处理,如酸法[29]㊁碱法[30]㊁有机溶剂法[31-32]㊁离子液体[33-34]等;物理化学预处理,如氨纤维爆破预处理[30]㊁蒸汽爆破预处理[35]等;生物预处理,如微生物预处理等[36-38]㊂每种方法都有其优缺点,可根据实际生产情况进行选择㊂3纤维素酶水解的影响因素在木质纤维素原料酶水解中,影响纤维素酶水解的因素有很多,包括纤维素酶和酶水解条件㊁酶的可及性㊁底物对纤维素的包覆等因素㊂纤维素酶是能够将纤维素降解为葡萄糖的酶的总称,分为内切型葡聚糖酶㊁外切型葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶β[39]㊂在一定的纤维素酶浓度范围内,酶解效率会随着纤维素酶浓度的增加而提高㊂T.K i n n a r i n e n等[40]在研究磨碎的废弃硬纸箱的酶解过程中发现纤维素酶的浓度在很大程度上决定着还原糖的产率,但酶的用量也不是越多越好,当浓度达到一定程度时,水解速度的增加会变得缓慢㊂当纤维素酶的浓度适宜时,其催化反应还需要在合适的温度以及p H值范围内进行㊂J o n等[41]在模拟温度㊁酶和生物量负荷对糖产量影响时发现,在较低的温度和较低的酶负荷下纤维素更易转化为葡萄糖㊂通常情况下,纤维素酶水解最适宜的温度在40ħ~60ħ㊂p H值最适宜的范围在4.5~5.5㊂但也有研究表明[42],p H值>5.5会促进木质纤维素的酶解效率㊂底物对纤维素酶水解也有着重要的影响,主要体现在纤维素的结晶度㊁纤维素可及比表面积以及木质素和半纤维素的空间阻碍等方面㊂在水解过程中纤维素酶首先水解纤维素中较易接近的无定形区,有研究表明[43],破坏纤维素的晶体结构可增加其可及度从而加速纤维素的水解㊂酶对纤维素吸附量的大小往往由可及比表面积的大小决定,当底物的孔隙足够大时,通过纤维素酶系统的协同作用,可显著提高纤维素酶水解的效率[30]㊂增加可及比表面积还可以通过去除半纤维素和木质素的方式来增加木质纤维素原料的孔径和可及比表面积,减少酶的非生产性吸附,提高木质纤维原料的酶水解效率[44]㊂3.1木质素—酶相互作用的机制许多研究表明,木质素对木质纤维原料的酶水解有着显著的抑制作用㊂尽管研究者已经对木质素和水解酶之间的相互作用做了大量的工作,但对这些相互作用背后的机制仍然不够清楚㊂目前认为酶水解中木质素的抑制作用主要来源于:1)木质素引起的非生产性吸附;2)木质素的空间结构[45]㊂3.1.1非生产性吸附纤维素酶和木质素之间的非生产性吸附主要与疏水作用[46]㊁静电作用[47]㊁氢键作用[48]有关㊂3.1.1.1疏水作用疏水作用指的是酶结构中的芳香性氨基酸的残基与木质素表面疏水基团的结合㊂纤维素酶中碳水化合物结合域和木质素之间的疏水作用被认为是纤维素酶催化木质素非生产性结合的主要原因㊂除了碳水化合物结合域以外,纤维素酶催化域上的疏水区域也被认为会导致对木质素的吸附[49]㊂K.T.H o d g s o n等[50]测量了木质素和441西北林学院学报36卷纤维素的接触角,发现木质素的接触角大于纤维素的接触角,说明木质素的疏水性高于纤维素,当木质素与纤维素同时存在时,纤维素酶会优先吸附木质素㊂3.1.1.2静电作用虽然疏水作用是主要的驱动力,但静电作用对蛋白质在固体表面的吸附行为也起着重要的作用㊂水相环境中官能团(如木质素的羧基㊁羟基㊁酶的氨基酸残基)的缔合㊁解离会使木质素和酶产生表面电荷,从而引起它们之间的静电相互作用[51-52]㊂在水溶液中,木质素的基团(羟基和羧基)会发生电离使其表面带有负电;而纤维素酶表面有许多暴露在外的氨基酸残基,这是一种两性基团,它所带的电荷性质会随着p H条件的变化而改变[45]㊂例如,当等电点一定时,β-葡萄糖苷酶在p H <5.5时带正电,几乎完全吸附带负电的木质素;而当p H值增加到6.0时,β-葡萄糖苷酶对木质素的吸附能力显著降低㊂但对于外切型葡聚糖酶和内切型葡聚糖酶来说,p H的变化对木质素-酶相互作用的影响并不明显,因为这2种酶的等电点均<5.0,并且在其应用p H值范围5.0~6.0显示出负电荷[53]㊂3.1.1.3氢键作用氢键作用是通过木质素和酶中的羟基发生的,在这些基团中,酚羟基直接负责酶的吸附,而脂肪族和羧基羟基被认为有助于木质素-酶的离子相互作用[54]㊂目前对木质素与纤维素酶之间的氢键结合的研究较少,因此需要进一步研究氢键对木质素-酶相互作用的影响㊂3.1.2空间位阻除了酶的非生产性吸附外,木质素还可以通过空间位阻来抑制纤维素水解㊂在木质纤维原料预处理的过程中,木质素可以迁移到纤维表面,导致整个生物量基质重新分布;也可以通过溶解的木质素重新凝聚形成液滴沉积在纤维素表面,阻碍酶在纤维表面的吸附,进一步抑制纤维素的水解[46]㊂J.K.K o等[55]在高温液态水预处理混合阔叶木的过程中,用电镜扫描观察了在细胞壁表面形成的球形液滴,发现这些液滴主要是疏水性的木质素,它们沉积在纤维素表面阻碍了水解,直观地解释了空间位阻对纤维素酶水解的影响㊂3.2木质素结构单元对纤维素酶水解的影响木质素结构单元的差异,直接影响木质素的分子结构,是木质素大分子结构差异的最主要的因素㊂木质素的组成因素对酶解过程中有着显著影响,被认为是酶水解的障碍,而在组成因素中,S/G比是研究最多的因素之一㊂S/G比之所以能影响酶水解,是因为它会影响木质素交联,进而影响植物细胞壁的三维结构和酶的纤维素可及性㊂许多研究者发现,S/G比与酶对木质素的吸附量呈负相关,但与纤维素水解产量呈正相关㊂例如, M.H.S t u d e r等[56]在对杨树样本研究的过程中发现,较高的S/G比意味着较高的脱木素率,由于高S/G比的木质素中不稳定的β-O-4键所占比例较高,导致它更容易进行预处理㊂因此在这种情况下,木质素更易水解㊂J.K.K o等[53]经过研究发现,G 单元含量高的木质素能吸附更多的纤维素酶,尤其是β-葡萄糖苷酶,木质素对β-葡萄糖苷酶的吸附间接抑制了阔叶木中纤维素的酶解,表明木质素的S/ G比在纤维素酶吸附木质素和生物质水解中的重要性㊂J.E.K i m等[57]研究了在相同反应条件下,草酸和硫酸催化剂对稀酸预处理生物质中木质素结构变化的影响㊂实验中发现,在草酸预处理的生物质中,由于G型木质素的含量较高,导致其对酶解效率有负面的影响㊂在比较酶在马尾松木质素膜与麦草㊁杨木木质素膜上的吸附量时,发现酶在马尾松木质素膜上的吸附量更高㊂而马尾松㊁麦草㊁杨木的S/G 比分别为0㊁0.5㊁1.47,因此这一结果可以证明G单元含量越高,吸附量越大[58]㊂然而,关于S/G比对于纤维素酶水解的影响还存着一些不同的结论㊂一些研究发现,S/G比与未经处理的木质纤维原料的酶水解呈负相关㊂在磨木木质素对纤维素酶的吸附实验中,L.P.T a n等[59]发现经过酸性亚硫酸盐预处理的磨木木质素显示出更高的S/G比以及更高的酶吸附能力㊂在研究桉树3个突变体及相应野生型在离子液体预处理前后对纤维素水解能力的影响时,G.P a p a等[60]发现,高S/G 比木质素会导致葡萄糖产率降低(r=0.97;P< 0.03;n=4),但不影响离子液体预处理后的葡萄糖产率㊂这是由于离子液体预处理的高效性掩盖了S/G比值改变的影响㊂也有一些研究表明,生物原料的水解能力不受S/G比的影响㊂为了研究S/G 比对苜蓿酶促水解的影响,B.S.D i e n等[61]创建了转基因苜蓿,这种苜蓿的S单位含量低于野生型苜蓿,经过实验未发现S/G比对经过稀酸预处理的苜蓿的酶水解有显着影响㊂N.A.T o b i m a t s u等[62]培育出了G㊁S㊁H单元含量较高的木质素,经过实验发现,G㊁S单元的含量对纤维素酶水解的影响几乎为零,而H单元的增加对纤维素酶水解有促进作用,它所产生的葡萄糖几乎是从前的2倍,因此研究者认为,与G和S单元的含量相比,木质素结构中醛基的含量才是酶水解的决定性因素㊂由于H单元在木材中的含量较少,对于H单元对纤维素酶水解的影响的研究较少㊂有数据表明,H单体可能与β-1-4-葡聚糖链而不是半纤维素541第2期黄丽菁等:木质素与酶的作用机制及其在纤维素酶水解中的影响研究进展连接,从而导致小麦和水稻中纤维素结晶度降低,因此H/G对水稻和小麦木质纤维素糖化有积极影响[63]㊂H单元之所以会产生积极作用,可能是因为木质素分子量降低㊁纤维素结晶度由于H单元与葡聚糖链的连接而降低或者是H单元的结合活性高于G㊁S单元[64]㊂F.F.G u o等[65]却在试验中发现木质素中H单元的浓度可能对吸附量没有影响㊂松木木质素和白杨木质素几乎含有相等的H单元,松木木质素的吸附量大于白杨木质素㊂秸秆木质素比松木木质素具有更多的H单元和较弱的亲和力,红麻木质素比白杨木质素和松木木质素具有更多的H单元和较弱的吸附能力,说明H单元数量的增加并没有增加吸附能力㊂秸秆木质素比红麻木质素具有更多的H单元和更大的亲和力,说明H单元数量的增加也没有降低亲和力㊂这些结果表明,H单元的数量可能与吸附能力无关㊂4展望酶水解是利用木质纤维原料生产生物乙醇的重要途径,而木质素通常被认为对木质纤维原料的酶水解有着显著的抑制作用㊂近年来,随着各种技术的综合利用以及新技术的开发,针对木质素对纤维素酶水解的影响的研究越来越多㊂在木质素对酶水解或酶吸附的研究中,由于木质素结构不同的底物,其生物构造㊁化学组分的构成㊁分子结构和超分子聚集态等也各不相同,传统的研究方法通常只能间接推测木质素对酶的吸附及对底物酶水解的影响㊂这也是目前对木质素结构如何影响酶水解存在不同观点的重要原因㊂如何消除非木质素因素的干扰,是解决这一难题的关键所在㊂未来的工作可以考虑制备具有不同单元构成的木质素样品,运用先进的技术,如耗散型石英晶体微分析天平,进行原位㊁实时研究不同结构单元的木质素,以及纤维素复合物在酶吸附和/或酶水解动态行为,在排除其他干扰因素(即除木质素结构不同,其他条件完全相同)的条件下,深刻认识木质素单一因素的影响,构建木质素结构单元与纤维素酶吸附及其对酶水解糖转化的 构-效 关系,为改进现有预处理方法及开发新的高效的预处理方法提供理论依据和技术支持,并有助于提高木质纤维素的酶解效率,实现以木质纤维素为原料进行生物乙醇高效转化的工业化生产㊂参考文献:[1]张海峰,杨军艳,吴建新,等.木质素氧化降解研究进展[J].有机化学,2016,36(6):1266-1286.Z H A N G H F,Y A N G J Y,WU J X,e t a l.R e s e a r c h p r o g r e s s o fl i g n i n o x i d a t i v e d e g r a d a t i o n[J].C h i n e s e J o u r n a l o f O r g a n i cC h e m i s t r y,2016,36(6):1266-1286.(i n C h i n e s e)[2] U F O D I K E C O,E Z E V O,A HM E D M F,e t a l.I n v e s t i g a t i o no f m o l e c u l a r a n d s u p r a m o l e c u l a r a s s e m b l i e s o f c e l l u l o s e a n d l i g n i n o f l i g n o c e l l u l o s i c m a t e r i a l s b y s p e c t r o s c o p y a n d t h e r m a la n a l y s i s[J].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f B i o l o g i c a l M a c r o m o l e-c u l e s,2020,146:916-921.[3] L I M F,G U O C Y,L U O B,e t a l.C o m p a r i n g i m p a c t s o f p h y s i-c o c h e m i c a l p r o p e r t i e s a nd h y d r o l y t i c i n h i b i t o r s o ne n z y m a t i ch y d r o l y s i s o f s u g a r c a n e b a g a s s e[J].B i o p r o c e s s&B i o s y s t e m sE n g i n e e r i n g,2020,43(1):111-122.[4] C H I A R E L L O L M.,R AMO S C E A,N E V E S P V,e t a l.P r o-d u c t i o n o f ce l l u l o s i c e t h a n o lf r o m s t e a m-e x p l o d e d E u c a l y p t u su r o g r a n d i s a n d s u g a r c a n e b a g a s s e a t h i g h t o t a l s o l i d s a n d l o we n z y m e l o a d i n g s[J].S u s t a i n a b l e C h e m i c a l P r o c e s s e s,2016,4(1):1-9.[5]文甲龙,陈天影,孙润仓.生物质木质素分离和结构研究方法进展[J].林业工程学报,2017,2(5):76-84.W E N J L,C H E N T Y,S U N R C.R e s e a r c h p r o g r e s s o n s e p a r a t i o na n d s t r u c t u r a l a n a l y s i s o f l i g n i n i n l i g n o c e l l u l o s i cb i o m a s s[J].J o u r-n a l o f F o r e s t r y E n g i n e e r i n g,2017,2(5):76-84.(i n C h i n e s e) [6]朱晨杰,张会岩,肖睿,等.木质纤维素高值化利用的研究进展[J].中国科学:化学,2015,45(5):454-478.Z HU C J,Z HA N G H Y,X I A O R,e t a l.R e s e a r c h p r o g r e s s i nc a t a l y t i c v a l o r i z a t i o n o f l i g n o c e l l u l o s e[J].S c i e n t i a S i n i c a C h i m-i c a,2015,45(5):454-478.(i n C h i n e s e)[7]崔兴凯,陈可,赵雪冰,等.甘蔗渣木质素的结构及其对纤维素酶解的影响[J].过程工程学报,2017,17(5):1002-1010.C U I X K,C H E N K,Z H A O X B,e t a l.S t r u c t u r e s o f s e v e r a ll i g n i n s i s o l a t e d f r o m s u g a r c a n e b a g a s s e a n d t h e i r e f f e c t s o n e n-z y m a t i c h y d r o l y s i s o f c e l l u l o s e[J].T h e C h i n e s e J o u r n a l o f P r o c e s s E n g i n e e r i n g,2017,17(5):1002-1010.(i n C h i n e s e)[8] N U R I K A I,E A S TWO O D D C,B U G G T D H,e t a l.B i o c h e m-i c a l c h a r a c t e r i z a t i o n o f S e r p u l a l a c r y m a n s i r o n-r e d u c t a s e e n-z y m e s i n l i g n o c e l l u l o s e b r e a k d o w n[J].J o u r n a l o f I n d u s t r i a l M i c r o b i o l o g y&B i o t e c h n o l o g y,2020,47(1):145-154. [9] N A N D A S,A Z A R G O H A R R,D A L A I A K,e t a l.A n a s s e s s-m e n t o n t h e s u s t a i n a b i l i t y o f l i g n o c e l l u l o s i c b i o m a s s f o r b i o r e-f i n i n g[J].R e n e w a b l e&S u s t a i n a b l e E n e rg y R e v i e w s,2015,50:925-941.[10] K O U P A I E H E,D A H A D H A S,L A K E H A A B,e t a l.E n z y-m a t i c p r e t r e a t m e n t o f l i g n o c e l l u l o s i c b i o m a s s f o r e n h a n c e d b i-o m e t h a n e p r o d u c t i o n a r e v i e w[J].J o u r n a l o f E n v i r o n-m e n t a l M a n a g e m e n t,2019,233:774-784.[11]S C HU T Y S E R W,R E N D E R S T,V A N D E N B O S C H S,e t a l.C h e m i c a l s f r o m l i g n i n:a n i n t e r p l a y o f l i g n o c e l l u l o s e f r a c t i o n a-t i o n,d e p o l y m e r i s a t i o n,a n d u p g r a d i n g[J].C h e m i c a l S o c i e t yR e v i e w s,2018,47(3):852-908.[12] A G A RWA L A,R A N A M,P A R K J H.A d v a n c e m e n t i n t e c h-n o l o g i e s f o r t h e d e p o l y m e r i z a t i o n o f l i g n i n[J].F u e l P r o c e s s-i n g T e c h n o l o g y,2018,181:115-131.[13]乔悦,甘洪宇,李响,等.木质素降解技术研究进展[J].化工科技,2019,27(4):84-88.Q I A O Y,G A N H Y,L I X,e t a l.R e s e a r c h o n d e g r a d a t i o n o f l i g n i n[J].S c i e n c e&T e c h n o l o g y i n C h e m i c a l I n d u s t r y,2019,641西北林学院学报36卷27(4):84-88.(i n C h i n e s e)[14] G U R A G A I N Y N,H E R R E R A A I,V A D L A N I P V,e t a l.L i g n i n s o f b i o e n e r g y c r o p s:a r e v i e w[J].N a t u r a l P r o d u c tC o mm u n i c a t i o n s,2015,10(1):201-208.[15] P O N N U S AMY V K,D I N H D N,D H A R MA R A J A J,e t a l.Ar e v i e w o n l i g n i n s t r u c t u r e,p r e t r e a t m e n t s,f e r m e n t a t i o n r e a c-t i o n s a n d b i o r e f i n e r y p o t e n t i a l[J].B i o r e s o u r c e T e c h n o l o g y, 2019,271:462-472.[16]于海霞,庄晓伟,潘炘,等.木质素单体结构分析方法及在木材研究中的应用[J].西北林学院学报,2017,32(2):265-270, 320.Y U H X,Z HU A N G X W,P A N X,e t a l.L i g n i n m o n o m e rc o m p o s i t i o n a n a l y s i s m e t h od a n d i t s a p p l i c a t i o n i n w o o d[J].J o u r n a l o f N o r t h w e s t F o r e s t r y U n i v e r s i t y,2017,32(2):265-270+320.(i n C h i n e s e)[17] A Z A D I P,I N D E RW I L D I O R,F A R N O O D R,e t a l.L i q u i df u e l s,h y d r og e n a n d ch e mi c a l s f r o m l i g n i n:a c r i t i c a l r e v i e w[J].R e n e w a b l e a n d S u s t a i n a b l e E n e r g y R e v i e w s,2013,21: 506-523.[18]秦特夫.杉木和 三北 一号杨磨木木质素化学官能团特征的研究[J].林业科学,1999,35(3):69-75.Q I N T F.T h e c h e m i c a l s t r u c t u r e s a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f t h eMW L s o f c h i n e s e f i r(c u n n i n g h a m i a l a n c e o l a t a)a n d p o p l a rS a n b e i N O.1(P o p u l u s n i g r aˑP.s i m o n i i)w o o d[J].S c i-e n t i a S i l v a e S i n i c a e,1999,35(3):69-75.(i n C h i n e s e)[19]孙蒙崖,刘娜,傅英娟.木质素在材料中的应用研究进展[J].现代化工,2019,39(2):31-35.S U N M Y,L I U N,F U Y J.R e s e a r c h p r o g r e s s i n a p p l i c a t i o no f l i g n i n i n m a t e r i a l s[J].M o d e r n C h e m i c a l I n d u s t r y,2019,39(2):31-35.(i n C h i n e s e)[20]王欢,杨东杰,钱勇,等.木质素基功能材料的制备与应用研究进展[J].化工进展,2019,38(1):434-448.WA N G H,Y A N G D J,Q I A N Y,e t a l.R e c e n t p r o g r e s s i n t h ep r e p a r a t i o n a n d a p p l i c a t i o n o f l i g n i n-b a s e d f u n c t i o n a l m a t e r i-a l s[J].C h e m i c a l I n d u s t r y a n d E n g i n e e r i n g P r o g r e s s,2019,38(1):434-448.(i n C h i n e s e)[21]王祺铭,海潇涵,徐文彪,等.响应面优化酶解木质素酚化工艺研究[J].林产工业,2019,56(10):27-32.WA N G Q M,H A I X H,X U W B,e t a l.S t u d y o n l i g n i n p h e-n o l y z a t i o n p r o c e s s o f r e s p o n s e s u r f a c e o p t i m i z a t i o n[J].C h i n aF o r e s t P r o d u c t s I n d u s t r y,2019,56(10):27-32.(i n C h i n e s e)[22]石阳,吴思燕,汪翠萍,等.以碳酸氢铵为致孔剂的木质素磺酸铵耐溶剂复合纳滤膜的构筑及性能调控研究[J].膜科学与技术,2019,39(6):87-93.[23]曹一凡,朱利清,金贞福.木质素磺酸盐碱性过氧化氢降解及结构表征[J].东北林业大学学报,2020,48(2):109-114.C A O Y F,Z HU L Q,J I N Z F.A l k a l i n e h y d r o g e n p e r o x i d ed e g r a d a t i o n a n d s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i z a t i o n o f l i g n o s u l f o n a t e s[J].J o u r n a l o f N o r t h e a s t F o r e s t r y U n i v e r s i t y,2020,48(2): 109-114.(i n C h i n e s e)[24] G E S B,WU Y J,P E N G W X,e t a l.H i g h-p r e s s u r e C O2h y-d r o t he r m a l p r e t r e a t m e n t of p e a n u t s h e l l s f o r e n z y m a t i c h y-d r o l y s i s c o n ve r s i o n i n t o g l u c o s e[J].C h e m i c a l E n g i n e e r i n gJ o u r n a l,2020,385.d o i:10.1016/j.c e j.2019.123949. [25] HU A N G C,F A N G G G,Y U L X,e t a l.M a x i m i z i n g e n z y m a t-i c h y d r o l y s i s e f f i c i e n c y o f b a m b o o w i t h a m i l d e t h a n o l-a s s i s-t a n t a l k a l i n e p e r o x i d e p r e t r e a t m e n t[J].B i o r e s o u r c e T e c h n o l-o g y,2020,299.d o i:10.1016/j.b i o r t e c h.2019.122568. [26]姜波,曹婷月,谷峰,等.碳酸钠预处理对麦草酶水解及木质素结构的影响[J].南京林业大学学报:自然科学版,2016,40(6):135-140.J I A N G B,C A O Y T,G U F,e t a l.E f f e c t s o f s o d i u m c a r b o n a t ep r e t r e a t m e n t o n e n z y m a t i c h y d r o l y s i s a n d l i g n i n s t r u c t u r e o fw h e a t s t r a w[J].J o u r n a l o f N a n j i n g F o r e s t r y U n i v e r s i t y:N a t-u r a l S c i e n c e s E d i t i o n,2016,40(6):135-140.(i n C h i n e s e) [27]J I G Y,G A O C F,X I A O W H,e t a l.M e c h a n i c a l f r a g m e n t a-t i o n o f c o r n c o b a t d i f f e r e n t p l a n t s c a l e s:i m p a c t a n d m e c h a-n i s m o n m i c r o s t r u c t u r e f e a t u r e s a n d e n z y m a t i c h y d r o l y s i s[J].B i o r e s o u r c e T e c h n o l o g y,2016,205:159-165.[28] K A R O L I N A K,P I O T R R,I WO N A H,e t a l.P r e t r e a t m e n t o fl i g n o c e l l u l o s i c m a t e r i a l s a s s u b s t r a t e s f o r f e r m e n t a t i o np r o c e s s e s[J].M o l e c u l e s(B a s e l,S w i t z e r l a n d),2018,23(11): 2937.[29]MA U R Y A D P,S I N G L A A,N E G I S.A n o v e r v i e w o f k e yp r e t r e a t m e n t p r o c e s s e s f o r b i o l o g i c a l c o n v e r s i o n o f l i g n o c e l l u-l o s i c b i o m a s s t o b i o e t h a n o l[J].3B i o t e c h,2015,5(5):597-609.[30] S U N S N,S U N S L,C A O X F,e t a l.T h e r o l e o f p r e t r e a t-m e n t i n i m p r o v i n g t h e e n z y m a t i c h y d r o l y s i s o f l i g n o c e l l u l o s i cm a t e r i a l s[J].B i o r e s o u r c e T e c h n o l o g y,2016,199:49-58. [31]黎雪,周莎,王晓娇,等.有机溶剂预处理对麦秆厌氧发酵产气的影响[J].农机化研究,2016,38(2):228-234.[32] MA J UM D A R S,G O S WAM I B,C H A K R A B O R T Y A,e t a l.E f f e c t o f p r e t r e a t m e n t w i t h o r g a n i c s o l v e n t o n e n z y m a t i c d i-g e s t i b i l i t y o f c a u l i f l o w e r w a s t e s[J].P r e p a r a t i v e b i o c h e m i s t r y&b i o t e c h n o l o g y,2019,49(10):935-948.[33]K A N D H O L A G,D J I O L E U A,C A R R I E R D J,e t a l.P r e-t r e a t m e n t s f o r e n h a n c e d e n z y m a t i c h y d r o l y s i s o f p i n e w o o d:a r e v i e w[J].B i o e n e r g y R e s e a r c h,2017,10(4):1138-1154.[34]S O U D HAM V P,R A U T D G,A N U GWOM I,e t a l.C o u p l e de n z y m a t i c h y d r o l y s i s a n d e t h a n o lf e r m e n t a t i o n:i o n i c l i q u i dp r e t r e a t m e n t f o r e n h a n c e d y i e l d s[J].B i o t e c h n o l o g y f o r B i o f u-e l s,2015,8:135.[35]王风芹,谢慧,仝银杏,等.蒸汽爆破预处理对玉米芯酶水解的影响[J].太阳能学报,2018,39(6):1675-1680.WA N G F Q,X I E H,T O N G Y X,e t a l.E f f e c t o f s t e a m e x p l o-s i o n p r e t e r a t m e n t o n c o r n c o b e n z y m e t i c h y d r o l y s i s[J].A c t aE n e r g i a e S o l a r i s S i n i c a,2018,39(6):1675-1680.(i n C h i n e s e)[36] S I N D HU R,B I N O D P,P A N D E Y A.B i o l o g i c a l p r e t r e a t m e n to f l i g n o c e l l u l o s i c b i o m a s s a n o v e r v i e w[J].B i o r e s o u r c eT e c h n o l o g y,2016,199:76-82.[37]梁鸿霞,李涛,高道江.小麦秸秆生产生物乙醇的预处理技术研究进展[J].四川师范大学学报:自然科学版,2015,38(6): 918-924.L I A N G H X,L I T,G A O D J.R e s e a r c h p r o g r e s s o f p r e t r e a t-m e n t t e c h n o l o g y f o r b i o e t h a n o l p r o d u c t i o n f r o m w h e a t s t r a w[J].J o u r n a l o f S i c h u a n N o r m a l U n i v e r s i t y:N a t u r a l S c i e n c e, 2015,38(6):918-924.(i n C h i n e s e)[38] F E I X H,J I A W B,WA N G J Q,e t a l.S t u d y o n e n z y m a t i c h y-d r o l y s i sef f i c i e n c y a n d p h y s i c o c h e m i c a l p r o p e r t i e s o f c e l l u l o s e741第2期黄丽菁等:木质素与酶的作用机制及其在纤维素酶水解中的影响研究进展a n d l i g n o c e l l u l o s e a f t e r p r e t r e a t m e n t w i t h e l e c t r o nb e a m i r r a-d i a t i o n[J].I n te r n a t i o n a l J o u r n a l of B i o l og i c a l M a c r o m o l e-c u l e s,2019,145:733-739.[39] Z HU A N G X S,WA N G W,Y U Q,e t a l.L i q u i d h o t w a t e rp r e t r e a t m e n t o f l i g n o c e l l u l o s i c b i o m a s s f o r b i o e t h a n o l p r o d u c-t i o n a c c o m p a n y i n g w i t h h i g h v a l u a b l e p r o d u c t s[J].B i o r e-s o u r c e T e c h n o l o g y,2016,199:68-75.[40] K I N N A R I N E N T,HÄK K I N E N A.I n f l u e n c e o f e n z y m e l o a d-i n g o n e n z y m a t i c h y d r o l y s i s o f c a r d b o a r d w a s t e a n d s i z e d i s-t r i b u t i o n o f t h e r e s u l t i n g f i b e r r e s i d u e[J].B i o r e s o u r c e T e c h-n o l o g y,2014,159:136-142.[41] W E L L S J M,D R I E L A K E,S U R E N D R A K C,e t a l.H o t w a-t e r p r e t r e a t m e n t o f l i g n o c e l l u l o s i c b i o m a s s:M o d e l i n g t h ee f f e c t s o f t e m p e r a t u r e,e n z y m e a n d b i o m a s s l o a d i n g s o n s u g a ry i e l d[J].B i o r e s o u r c e T e c h n o l o g y,2020,300:112-539. [42] L A N T Q,L O U H M,Z HU J Y.E n z y m a t i c s a c c h a r i f i c a t i o no f l i g n o c e l l u l a s e s h o u l d b e c o n d u c t e d a t e l e v a t e d p H5.2-6.2[J].B i o e n e r g y R e s e a r c h,2013,6(2):476-485. [43]陈秋艳,苗庆显,马晓娟,等.纤维素酶提高竹溶解浆反应性能的研究[J].西北林学院学报,2017,32(5):208-212.C H E N Q Y,M I A O Q X,MA X J,e t a l.E n h a n c e m e n t o fb a m b o o k r a f t-b a s e d d i s s o l v i n g p u l p r e ac t i v i t y b y c e l l u l a s et r e a t m e n t[J].J o u r n a l o f N o r t h w e s t F o r e s t r y U n i v e r s i t y, 2017,32(5):208-212.(i n C h i n e s e)[44] MU S S A T T O S I,F E R N A N D E S M,M I L A G R E S A M F,e ta l.E f f e c t o f h e m i c e l l u l o s e a n d l i g n i n o n e n z y m a t i c h y d r o l y s i so f c e l l u l o s e f r o m b r e w e r's s p e n t g r a i n[J].E n z y m e a n d M i c r o-b i a l T ec h n o l o g y,2008,43(2):124-129.[45] J I T E N D R A K S,A N I L K P,MU K U N D A,e t a l.C e l l u l a s ea d s o r p t i o n o n l i g n i n:a r o a db l oc k f o r e c o n o m i c h yd r o l y s i s o fb i o m a s s[J].R e n e w a b l e E n e r g y,2016,98:29-42.[46] L I X,Z H E N G Y.L i g n i n-e n z y m e i n t e r a c t i o n:M e c h a n i s m,m i t-i g a t i o n a p p r o a c h,m o d e l i n g,a n d r e s e a r c h p r o s p e c t s[J].B i o-t e c h n o l o g y A d v a n c e s,2017,35(4):466-489.[47] D O S S A N T O S A C,X I M E N E S E,K I M Y,e t a l.L i g n i n-e n-z y m e i n t e r a c t i o n s i n t h e h y d r o l y s i s o f l i g n o c e l l u l o s i c b i o m a s s[J].T r e n d s i n B i o t e c h n o l o g y,2019,37(5):518-531.[48] L I U H,S U N J L,L E U S Y,e t a l.T o w a r d a f u n d a m e n t a l u n-d e r s t a n d i n g o f c e l l u l a s e-l i g n i n i n t e r a c t i o n s i n t h e w h o l e s l u r r ye n z y m a t i c s a c c h a r if i c a t i o n p r o c e s s[J].B i o f u e l s B i o p r o d u c t s&B i o r e f i n i n g-B i o f p r,2016,10(5):648-663.[49]WA N G Z,JÖN S S O N L J.C o m p a r i s o n o f c a t a l y t i c a l l y n o n-p r o d u c t i v e a d s o r p t i o n o f f u n g a l p r o t e i n s t o l i g n i n s a n d p s e u d o-l i g n i n u s i n g i s o b a r i c m a s s t a g g i n g[J].B i o r e s o u r c e T e c h n o l o-g y,2018,268:393-401.[50] H O D G S O N K T,B E R G J C.T h e e f f e c t o f s u r f a c t a n t s o n w i c k i n gf l o w i n f i b e r n e t w o r k s[J].J o u r n a l o f C o l l o i d a n d I n t e r f a c e S c i-e n c e,1988,121(1):22-31.[51] N A K A G AM E S,C H A N D R A R P,K A D L A J F,e t a l.E n h a n-c i n g t h e e n z y m a t i c h yd r o l y s i s o f l i g n o ce l l u l o s i c b i o m a s s b y i n-c r e a s i n g t h e c a r b o x y l i c a c id c o n te n t of t h e a s s o c i a t e d l ig n i n[J].B i o t e c h n o l B i o e n g,2010,108(3):538-548. [52] N A K A G AM E S,C H A N D R A R P,S A D D L E R J N.T h e e f f e c to f i s o l a t e d l i g n i n s,o b t a i n e d f r o m a r a n g e o f p r e t r e a t e d l i g n o-c e l l u l o s i c s u b s t r a t e s,o n e n z y m a t i c h yd r o l y s i s[J].B i o te c h n o lB i o e n g,2010.105(5):871-879.[53] K O J K,X I M E N E S E,K I M Y,L A D I S C H M R.A d s o r p t i o no f e n z y m e o n t o l i g n i n s o f l i q u i d h o t w a t e r p r e t r e a t e d h a r d-w o o d s[J].B i o t e c h n o l o g y&B i o e n g i n e e r i n g,2015,112(3): 447-456.[54] F R I T Z C,F E R R E R A,S A L A S C,e t a l.I n t e r a c t i o n s b e t w e e nc e l l u l o l y t i c e n z y m e s w i t h n a t i v e,a u t o h yd r o l y s i s,a n d te c h n i c a ll i g n i n s a n d t h e e f f e c t o f a p o l y s o r b a t e a m p h i p h i l e i n r e d u c i n gn o n p r o d u c t i v e b i n d i n g[J].B i o m a c r o m o l e c u l e s,2015,16(12): 3878-3888[55] K O J K,K I M Y,X I M E N E S E,L A D I S C H M R.E f f e c t o f l i q-u i d h o t w a t e r p r e t r e a t m e n t s e v e r i t y o n p r o p e r t i e s o f h a r d-w o o d l i g n i n a n d e n z y m a t i c h y d r o l y s i s o f c e l l u l o s e[J].B i o t e c h-n o l o g y&B i o e n g i n e e r i n g,2015,112(2):252-262.[56]S T U D E R M H,D E MA R T I N I J D,D A V I S M F,e t a l.L i g n i nc o n t e n t i n n a t u r a l p o p u l u s v a r i a n t s a f f e c t s s u g a r r e l e a s e[J].P r o c e e d i n g s o f t h e N a t i o n a l A c a d e m y o f S c i e n c e s o f t h e U n i t-e d S t a t e s of A m e r i c a,2011,108(15):6300-6305.[57] K I M J E,L E E J W.E n z y m e a d s o r p t i o n p r o p e r t i e s o n d i l u t ea c i d p r e t r e a t e db i o m a s s b y l o w v ac u u m-s c a n n i n g e l e c t r o n m i-c r o s c o p y a nd s t r u c t u r a l a n a l y s i s o f l i g n i n[J].B i o re s o u r c eT e c h n o l o g y,2018,262:107-113.[58]曹婷月.利用Q C M研究木质素结构对纤维素酶吸附和酶水解的影响[D].南京:南京林业大学,2018:54[59] T A N L P,S U N W,L I X Z,e t a l.B i s u l f i t e p r e t r e a t m e n t c h a n-g e s t h e s t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e s o f o i l p a l m e m p t y f r u i t b u n c ht o i m p r o v e e n z y m a t i c h y d r o l y s i s a n d b i o e t h a n o l p r o d u c t i o n[J].B i o t e c h n o l o g y J o u r n a l,2015,10(6):915-925. [60] P A P A G,V A R A N A S I P,S U N L,e t a l.E x p l o r i n g t h e e f f e c to f d i f f e r e n t p l a n t l i g n i n c o n t e n t a n d c o m p o s i t i o n o n i o n i c l i q-u i d p r e t r e a t m e n t e f f i c i e n c y a n d e n z y m a t i c s a c c h a r i f i c a t i o n o fE u c a l y p t u s g l o b u l u s L.m u t a n t s[J].B i o r e s o u r c e T e c h n o l o-g y,2012,117:352-359.[61] D I E N B S,M I L L E R D J,H E C T O R R E,e t a l.E n h a n c i n g a l-f a l f a c o n v e r s i o n e f f i c i e n c i e s f o r s ug a r r e c o v e r y a n d e th a n o lp r o d u c t i o n b y a l t e r i n g l i g n i n c o m p o s i t i o n[J].B i o r e s o u r c eT e c h n o l o g y,2011,102(11):6479-6486.[62] A N D E R S O N N A,T O B I MA T S U Y K,C I E S I E L S K I P N,e ta l.M a n i p u l a t i o n o f g u a i a c y l a n d s y r i n g y l m o n o m eb i o s y n t h e-s i s i n a n a r a b i d o p s i s c i n n a m y l a l c o h o l d e h y d r o g e n a s e m u t a n t r e s u l t s i n a t y p i c a l l i g n i n b i o s y n t h e s i s a n d m o d i f i e d c e l l w a l l s t r u c t u r e[J].P l a n t C e l l,2015,27(8):2195-2209.[63] WU Z L,Z H A N G M L,WA N G L Q,e t a l.B i o m a s s d i g e s t i-b i l i t y i s p r e d o m i n a n t l y a f f ec t ed b y t h re ef a c t o r s o f w a l l p o l y-m e r f e a t u r e s d i s t i n c t i v e i n w h e a t a c c e s s i o n s a n d r i c e m u t a n t s[J].B i o t e c h n o l o g y f o r B i o f u e l s,2013(6):183-196. [64] L I M,P U Y Q,R A G A U S K A S A J.C u r r e n t u n d e r s t a n d i n g o ft h e c o r r e l a t i o n o f l i g n i n s t r u c t u r e w i t h b i o m a s s r e c a l c i t r a n c e[J].F r o n t i e r s i n C h e m i s t r y,2016(4):45.[65] G U O F F,S H I W J,S U N W,e t a l.D i f f e r e n c e s i n t h e a d s o r p-t i o n o f e n z y m e s o n t o l i g n i n s f r o m d i v e r s e t y p e s o f l i g n o c e l l u-l o s i c b i o m a s s a n d t h e u n d e r l y i n g m e c h a n i s m[J].B i o t e c h n o l o-g y f o r B i o f u e l s,2014(7):38.841西北林学院学报36卷。

玉米秸秆中不同木质素脱除方法对纤维素酶吸附及酶解效果的比较田顺风;程力;顾正彪;洪雁;李兆丰;李才明【摘要】利用不同预处理方法获得的玉米秸秆底物研究木质素脱除对纤维素酶吸附量及酶解效率的影响.相比于其他处理方法,2%(质量分数)NaOH处理的底物具有最高的木质素脱除率(85%),最高的底物可及性[4.7 mg·(g葡聚糖)?1]及酶解效率(18.9%).通过对不同处理获得的底物进行Langmuir吸附等温曲线模拟,获得了最大吸附量(Wmax)与吸附平衡常数(K),且木质纤维素酶水解效率与纤维素酶吸附量具有很好的线性关系(R2>0.8),表明脱除木质素能很好地提高底物可及性与酶解效率.然而,提高NaOH浓度(3%,4%)进一步脱除木质素时,底物可及性与碳水化合物转化为单糖的效率反而明显下降.因此,适当脱除木质素而提高底物对纤维素酶的可及性将有助于获得更有效的酶水解效果.%Experiments were conducted for various pretreated substrates to investigate the impact of lignin content on cellulase adsorption and substrate digestibility. Compared with other treatments, 2% (mass) NaOH pretreated solids with the highest level of lignin removal (85%) exhibited the highest accessibility to cellulase [4.7 mg protein·(gglucan)?1] and enzymatic digestibility (18.9%). The obtained maximum adsorption capacity (Wmax) and equilibrium constant (K) derived from fitting the Langmuir adsorption isotherm for different delignified substrates indicated that the removal of lignin benefited cellulase adsorption. The relationship between cellulase adsorption capacities and enzymatic digestibility for raw and pretreated solids correlated well (R2>0.8), supporting the hypothesis that carbohydrateconversion was primarily dominated by enhancing substrate accessibility owing to lignin removal. Nevertheless, further delignification by NaOH with concentrations of 3% (mass) and 4% (mass) was unfavorable to improving substrate accessibility to cellulase and enhancing carbohydrates conversion to monosaccharide. It appeared that the appropriate delignification to some degree was a significant pretreatment factor to be taken into consideration to achieve more effectively enzymatic digestibility.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2016(005)005【总页数】9页(P2084-2092)【关键词】玉米秸秆;生物质;生物能源;纤维素酶吸附;预处理;木质素脱除;酶水解效率【作者】田顺风;程力;顾正彪;洪雁;李兆丰;李才明【作者单位】江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江苏无锡 214122;江南大学食品学院,江苏无锡 214122;江南大学食品营养与安全协同创新中心,江苏无锡214122;江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江苏无锡 214122;江南大学食品学院,江苏无锡 214122;江南大学食品营养与安全协同创新中心,江苏无锡214122;江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江苏无锡 214122;江南大学食品学院,江苏无锡 214122;江南大学食品营养与安全协同创新中心,江苏无锡214122;江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江苏无锡 214122;江南大学食品学院,江苏无锡 214122;江南大学食品营养与安全协同创新中心,江苏无锡214122;江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江苏无锡 214122;江南大学食品学院,江苏无锡 214122;江南大学食品营养与安全协同创新中心,江苏无锡214122;江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江苏无锡 214122;江南大学食品学院,江苏无锡 214122;江南大学食品营养与安全协同创新中心,江苏无锡214122【正文语种】中文【中图分类】TS721.1DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151570木质纤维素是地球上最丰富的可再生生物能源［1］，主要由3种聚合物组成：纤维素、半纤维素和木质素。

木质素对纤维素酶酶解抑制研究进展
安艳霞;刘欣;李占超;赵阳;张剑;李梦琴
【期刊名称】《河南农业大学学报》
【年(卷),期】2024(58)1
【摘要】在木质素对纤维素酶酶解形成的空间位阻、非生产性吸附等的基础上,重点综述了预处理、木质素的分布、相对分子质量、官能团及化学键、改性木质素,以及木质素酚类衍生物等对纤维素酶酶解抑制的影响,探讨了不同类型木质素对降低纤维素酶酶解抑制的作用。

借助现代技术分析手段,采取有效措施以期实现对木质素结构的定向调控,降低木质素对纤维素酶酶解抑制,减少纤维素酶酶解的成本。

最后针对预处理成本、预处理对环境影响等问题及绿色、高效的纤维素酶酶解技术面临的机遇和挑战进行了展望。

【总页数】12页(P23-34)
【作者】安艳霞;刘欣;李占超;赵阳;张剑;李梦琴
【作者单位】河南农业大学食品科学技术学院/农业农村部大宗粮食加工重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TQ353.6
【相关文献】
1.木质素对纤维素酶水解抑制作用的研究进展与展望
2.玉米秸秆中不同木质素脱除方法对纤维素酶吸附及酶解效果的比较
3.假木质素沉积及对纤维素酶解的影响研
究进展4.假木质素及其对纤维素酶的抑制效应研究进展5.木质素与纤维素酶间相互作用及其抑制纤维素酶水解的研究进展
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

木质素降解酶的产生和酶解机制研究木质素是植物细胞壁中的一种复杂有机化合物，其主要功能是提供植物机械支撑并保护植物免受外界环境的伤害。

然而，由于木质素的结构复杂且难以降解，使得其对于很多工业过程的效率与效果产生了负面影响。

因此，研究木质素降解酶的产生和酶解机制，成为解决这一问题的重要途径。

木质素降解酶的产生主要来源于微生物和真菌。

通过对这些生物的研究发现，它们能够分泌多种具有木质素降解能力的酶类。

这些酶类包括纤维素酶、木聚糖酶、木质素过氧化物酶等。

其中，纤维素酶和木质素过氧化物酶是木质素降解过程中最关键的酶类。

纤维素酶能够降解纤维素，使其转化为可溶性的木糖和葡萄糖。

而木质素过氧化物酶则能够氧化木质素结构中的苯环羟基，产生自由基反应，从而引发木质素的酶解。

这两类酶的协同作用，能够有效地将木质素分解为较小的分子，进一步促进降解过程。

然而，木质素的结构复杂性使得其降解过程十分困难。

除了上述的降解酶外，还需要一系列辅助酶的参与，包括木质素酶A、木质素酶B等。

这些辅助酶能够进一步打开木质素分子中的环状结构，增强其他酶类的作用效果。

此外，高温和酸碱度等环境条件也会对木质素降解酶的酶解效果产生一定影响。

近年来，随着基因工程和蛋白质工程的不断发展，研究人员通过改良和优化酶基因，成功构建了更高效的木质素降解酶。

这些改良酶不仅能够提高木质素的酶解效率，还能够在极端环境条件下保持稳定性。

这为工业上的木质素降解应用提供了重要的技术支撑。

木质素降解酶的产生和酶解机制研究为解决木质素降解过程中的难题提供了重要的思路和方法。

通过了解木质素降解酶的产生来源和酶解机制，我们可以利用这些信息来设计更高效的降解酶，提高木质素的利用率，减少资源浪费。

此外，对于生物质能的开发利用也具有重要意义。

最后，正是由于对木质素降解酶产生和酶解机制研究的深入探索，木质素作为一种重要的生物质能资源，目前已经得到了广泛的应用。

研究人员不断探索和改良降解酶的同事，也不断深入到具体应用领域中，以更好地适应工业生产的需求。

木质纤维素类生物质高效制糖及综合利用关键技术概述及解释说明1. 引言1.1 概述本文旨在概述和解释木质纤维素类生物质高效制糖及综合利用关键技术。

随着全球能源需求的日益增长和环境污染问题的加剧，寻找新型可再生能源和可持续发展路径已成为当前国际社会的共同关注点。

作为最为广泛分布且主要来源的生物质资源之一，木质纤维素类生物质以其丰富的碳水化合物组分倍受研究者们的关注。

近年来，众多科学家和工程师致力于利用先进的技术手段将木质纤维素类生物质转化为有价值的糖类产物，并开发出相关综合利用方法，以实现生物质资源高效利用，从而满足能源、化工品和材料等多领域的需求。

1.2 文章结构本文将按照以下结构来进行叙述：首先，在第2部分中，我们将重点介绍木质纤维素类生物质高效制糖关键技术。

这包括分离和预处理、酶法降解和水解以及纤维素糖化工艺优化等方面的内容。

然后，在第3部分中，我们将探讨木质纤维素类生物质综合利用关键技术，包括生物质能源转化、生物质制备化学品与材料以及生物质废弃物资源化利用等领域的技术进展。

最后，在第4部分，我们将总结本文中介绍的主要观点和发现，并对未来的研究方向提出建议。

1.3 目的通过本文的详细介绍与说明,我们旨在提供一个全面而清晰的概述木质纤维素类生物质高效制糖及综合利用关键技术。

希望这些信息能够为科学家、工程师和相关领域的研究人员提供有价值的参考，并推动木质纤维素类生物质转化成果在实际应用中更好地推广和落地。

只有通过不断创新和完善相关技术，才能实现可持续发展并促进全球环境保护与经济建设的协调发展。

2. 木质纤维素类生物质高效制糖关键技术2.1 分离和预处理木质纤维素类生物质是一种复杂的多聚糖结构，其中包含纤维素、半纤维素和木质素等组分。

在高效制糖过程中，首先需要对原料进行分离和预处理。

分离主要是将木质纤维素类生物质与其他杂质分离开来，以提高后续酶解过程的效率。

预处理则是通过物理、化学或生物方法对木质纤维素类生物质进行改性，以增加其可降解性和易于转化为糖类的特性。

木质纤维素生物质预处理技术研究现状摘要：为了研究经济高效的预处理技术，综述了近10年国内外在木质纤维素预处理技术方面的研究，对物理法、物理-化学法、化学法、生物法等预处理技术进行了重点分析，发现稀酸处理法、蒸汽爆破法和生物法等技术极具潜力，但目前的研究仍存在不足，今后还需研究成本低、产率高、污染小的预处理技术。

最后对预处理技术的发展提出了建议。

引言木质纤维素原料来源广泛，是储量丰富的可再生资源。

近年来，利用木质纤维素制备燃料乙醇新能源备受国内外专家学者的关注。

发展木质纤维素生产燃料乙醇的能源技术，对于降低成本和保护环境是一个“双赢”的模式，与当今世界的低碳环保主题一致，有利于人类社会的可持续发展。

目前，用植物纤维原料生产乙醇的成本仍然较高，还无法与粮食乙醇形成竞争。

因此，致力于寻找经济高效的预处理方法是当今燃料乙醇制备过程中的研究热点之一。

常规的预处理技术主要包括：酸法、碱法、有机溶剂法、蒸汽爆破法或几种方法的结合，虽然处理效果相对较好，但是对设备的要求高，造成严重的环境污染；生物法能耗低、无污染，但是成本高、作用周期长、木质素分解酶类的酶活力低。

为此，开发低廉高效的木质纤维素预处理技术成为当前生物乙醇研究的关键。

基于此，笔者对木质纤维素生物质预处理技术进行综述及分析，并对预处理技术的发展前景提出建议，以期为纤维素乙醇的研究提供有益的参考。

1木质纤维素生物质预处理的意义木质纤维素构成了植物的细胞壁，对细胞起着保护作用。

木质纤维素是指纤维素、半纤维素及木质素三者的总称，也有少量的果胶、树胶、藻胶和琼脂等成分，结构非常复杂。

纤维素和半纤维素被木质素层层包裹，纤维素是由1000~10000个β-D-吡喃型葡萄糖单体形式以β-1,4-糖苷键连接形成的直链多糖，多个分子层平行排列构成丝状不溶性微纤维结构，基本组成单位为纤维二糖，是地球上含量最丰富的聚合物。

半纤维素主要是由木糖、少量阿拉伯糖、半乳糖或甘露糖组成。

木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源，据测算年总产量高达1500亿吨，蕴储着巨大的生物质能（6.9×1015千卡）。

我国是一个农业大国，作物秸秆(如稻草、麦秆等)的年产量非常巨大(年产可达7亿吨左右，相当于5亿吨标煤)，据统计，目前的秸秆利用率33%，但经过一定技术处理后利用的仅占2.6%，其余大部分只是作为燃料等直接利用，开发前景非常广阔。

1、木质纤维素的降解技术木质纤维素降解可以采用酸水解和酶水解两条不同的技术路线来实现。

1.1酸水解技术在酸水解工艺中，可以使用盐酸或硫酸，按照使用酸的浓度不同可以进一步分为浓酸水解和稀酸水解。

法国早在1856 年即开始进行了浓硫酸水解法进行乙醇生产，浓酸水解过程为单相水解反应,纤维素在浓酸作用下首先溶解,然后在溶液中进行水解反应。

浓酸能够迅速溶解纤维素,但并不是发生了水解反应。

浓酸处理后成为纤维素糊精,变得易于水解(纤维素经浓酸溶液生成单糖,由于水分不足,浓酸吸收水分,单糖又生成为多糖,但这时的多糖不同于纤维素,它比纤维素易于解) ,但水解在浓酸中进行得很慢,一般是在浓酸处理之后再与酸分离,使用稀酸进行水解。

稀酸水解木质纤维素的技术可谓历史悠久，1898年德国人就尝试以林业生产的废弃物为原料生产乙醇，并建立了工业化规模的装置，每吨生物量可以生产 50 加仑的乙醇。

与浓酸水解的工艺路线相比，稀酸水解需要在比较高的温度下进行，才能使半纤维素和纤维素完全水解。

稀酸水解木质纤维素通常采用二级水解的工艺方案：第一级水解反应器的温度相对第二级来说略低一些，比较容易水解的半纤维素可以降解；第二级反应器主要降解难降解的纤维素，水解后剩余的残渣主要是木质素，水解液中和后送入发酵罐进行发酵。

1.2 酶水解技术同植物纤维酸法水解工艺相比,酶法水解具有反应条件温和、不生成有毒降解产物、糖得率高和设备投资低等优点。

而妨碍木质纤维素资源酶法生物转化技术实用化的主要障碍之一,是纤维素酶的生产效率低、成本较高。

细胞中的纤维素和木质素的生物降解机制纤维素和木质素是植物细胞壁中的主要组成部分，其对植物的结构和功能至关重要。

但是，由于其高度的复杂性和纤维素结晶的强度，造成它们的降解相当困难，需要各种酶类蛋白的协同作用。

在大多数情况下，纤维素和木质素的生物降解主要是由微生物完成的。

其中最重要的为真菌、细菌、古菌等在环境中存在的微生物。

而微生物中则包括了各种能够分解木质素和纤维素的菌种，这些菌种具有高度的特异性，根据不同的微生物分类、生长条件，木质素和纤维素的生物降解机制也会发生变化。

纤维素的生物降解纤维素是由许多β-葡聚糖链相互交织而成的复杂生物高分子物质，是植物细胞壁中最丰富的组分之一，其结晶区晶胞面阵列堆叠排布，大量的交联构造使其热稳定性和机械强度都非常高，极其难以被降解。

微生物中，具有降解纤维素能力的菌只有极小的一部分。

通常，能够降解纤维素的微生物可以产生细胞外酶来降解周围环境中的纤维素。

纤维素酶主要分为三种，即聚糖酶、催化酶和酯酶，其中聚糖酶和催化酶主要针对纤维素分子中的β-葡聚糖链进行效果显著，而酯酶则主要作用于纤维素和木质素中的脂肪酰基。

在细菌和古菌中，分解纤维素的主要酶包括细菌纤维素酶（Cellulases）、纤维素乙酰化酶（Acetylesteretse）、纤维素结合蛋白（Cellulose-binding protein）等。

真菌能够分泌Cellulases、Acetylesteretse、β-glucosidases、xylanases、hemicellulases等降解酶类。

由此可见，虽然纤维素作为植物细胞壁的主要成分，但是被真菌、细菌等微生物降解时，需要多种复杂酶从分子链中逐渐降解出单糖分子才能真正被分解，其过程相当复杂。

木质素的生物降解与纤维素相比，木质素是含氧的天然高分子化合物，具有独特的结构和环节，是植物细胞壁中不可分割的一部分。

不同于纤维素，由于木质素有一定的芳香环结构和立体构型，其降解极其复杂。