假木質(zhì)素及其對纖維素酶的抑制效應(yīng)研究進(jìn)展*

祝元晨，李瓊梅，楊海艷

(西南林業(yè)大學(xué)，西南山地森林資源保育與利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650224)

在化石資源缺短、能源消耗巨大、環(huán)境問題突出的時代背景下，可再生的木質(zhì)纖維生物質(zhì)是生產(chǎn)液體燃料、化學(xué)品和材料的優(yōu)良原料。生物資源成為世界各國高度重視的國家戰(zhàn)略資源，其中生物質(zhì)能的開發(fā)利用受到高度重視。生物質(zhì)能是指將生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化生成的液態(tài)、固態(tài)和氣態(tài)的能源產(chǎn)品，主要包括燃料乙醇、生物柴油、成型顆粒固體燃料、生物天然氣、生物質(zhì)氣化和生物產(chǎn)氫。其中，燃料乙醇是生產(chǎn)技術(shù)最成熟、應(yīng)用規(guī)模最大和商業(yè)化程度最高的生物燃料，它已成為替代石油、減少溫室氣體排放和促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，世界各國先后制定了燃料乙醇的發(fā)展規(guī)劃。眾所周知，一代燃料乙醇主要來自于淀粉類原料，其開發(fā)利用可能引發(fā)糧食危機(jī)。因此，來源于木質(zhì)纖維的二代燃料乙醇成為的研究的焦點(diǎn)。在我國，每年農(nóng)區(qū)秸桿和果樹修枝產(chǎn)生的木質(zhì)纖維生物質(zhì)約5億噸，林區(qū)可收集利用的枝椏材約3～5億噸，有效地將農(nóng)林剩余物轉(zhuǎn)化成為生物質(zhì)能源在維護(hù)國家能源安全方面具有重要意義[1]。

1 木質(zhì)纖維及其預(yù)處理技術(shù)

1.1 木質(zhì)纖維

木質(zhì)纖維素類原料是生產(chǎn)燃料乙醇最主要的潛在原料，木質(zhì)纖維素類原料主要包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三種成份。在植物細(xì)胞壁中，這三種物質(zhì)緊密結(jié)合在一起，為植物提供了優(yōu)良的物理性能，并抵抗著外界環(huán)境的侵襲。其中，纖維素是細(xì)胞壁中最主要的組成部分，由D-吡喃葡萄糖基以β-1,4-糖苷鍵相連而形成。在纖維素分子上每個葡萄糖單元含有3個游離羥基，這些羥基能與相鄰葡萄糖基的羥基形成氫鍵，強(qiáng)大的氫鍵網(wǎng)絡(luò)使纖維素具有不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)、剛性和溶解性。纖維素高度規(guī)則的結(jié)構(gòu)使其難以被酶或化學(xué)試劑水解，因此纖維素的利用需要經(jīng)過有效的預(yù)處理技術(shù)破壞其規(guī)則的結(jié)構(gòu)、提高其可及度。半纖維素是自然界中含量僅次于纖維素的天然高分子聚合物，大量存在于植物細(xì)胞壁中，它不是一種均一聚糖，而是一群復(fù)合聚糖的總稱。在細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)中，半纖維素嵌入纖維素的微纖絲之間，將纖維素微纖絲緊密聯(lián)接在一起為細(xì)胞壁的陣列提供機(jī)械強(qiáng)度。原子力顯微鏡(AFM)觀測小麥秸桿發(fā)現(xiàn)半纖維素垂直于纖維素微纖絲分布形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，尺寸約5～10 nm[2]。此外，半纖維素與木素之間的化學(xué)鍵結(jié)合對纖維素形成進(jìn)一步的包裹。木質(zhì)素在植物組織中具有增強(qiáng)植物體機(jī)械強(qiáng)度、輔助輸導(dǎo)組織水分運(yùn)輸和抵抗不良外界環(huán)境侵襲的作用。它是由高度取代的苯基丙烷單元隨機(jī)聚合而成的高分子，與纖維素和半纖維素一起形成植物細(xì)胞壁骨架。根據(jù)植物原料的不同，木質(zhì)素芳香核部分主要有三種結(jié)構(gòu)：愈瘡木酚基丙烷(G)、紫丁香基丙烷(S)和對-羥苯基丙烷結(jié)構(gòu)(H)[3]。在木質(zhì)纖維的后續(xù)利用過程中，木質(zhì)素將阻礙酶與纖維素的結(jié)合，且不同結(jié)構(gòu)的木質(zhì)素與纖維素酶之間的相互作用力不同。

1.2 預(yù)處理技術(shù)

纖維素基乙醇的生物制備過程中，可發(fā)酵糖是生產(chǎn)乙醇的物質(zhì)基礎(chǔ)，而物料中碳水化合物至可發(fā)酵糖的酶解轉(zhuǎn)化效率受物料成份、結(jié)構(gòu)等因素的影響。木質(zhì)纖維生物質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜具有天然的抗降解屏障，能夠阻礙微生物和酶的浸入及對其有效組份的降解。因此，木質(zhì)纖維原料的生物轉(zhuǎn)化需有效的預(yù)處理技術(shù)減少原料的抗降解屏障、增加物料比表面積、提高物料可及度，進(jìn)而提高有效組份的酶解轉(zhuǎn)化效率。目前，常用的預(yù)處理技術(shù)有物理法、化學(xué)法、生物法等，其中酸性條件預(yù)處理能有效去除物料中的半纖維素組份、打破纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)、提高物料可及度促進(jìn)纖維素的生物轉(zhuǎn)化。在預(yù)處理技術(shù)中，處于酸性環(huán)境的處理技術(shù)主要包括：稀酸預(yù)處理、蒸汽爆破處理和水熱處理。

稀酸處理，常用酸濃為0.1%～2.0%，需在高溫高壓條件下才能獲得較好的處理效率，且處理效率與酸類型、酸濃度、料液比和處理溫度密切相關(guān)。目前，在木質(zhì)纖維生物質(zhì)酸處理過程中常用的酸為：硫酸(H2SO4)、硝酸(HNO3)、鹽酸(HCl)、磷酸(H3PO4)、過氧乙酸(CH3COOOH)和甲酸(HCOOH)等，其中，H2SO4催化效率較高。高溫稀酸處理有利于脫除半纖維素提高纖維素水解效率，但此條件下半纖維素易降解生成木糖、甘露糖、甲酸、半乳糖、葡萄糖等單糖或低聚糖，或進(jìn)一步降解生成糠酸、5-羥甲基糠醛(HMF)、甲酸和乙酰丙酸等物質(zhì)[4]。

蒸汽爆破是一種物理-化學(xué)處理技術(shù)并已得到廣泛應(yīng)用，典型的蒸汽爆破工藝為通入熱蒸汽將物料加熱至160～260 ℃(相應(yīng)壓力約0.69～4.83 MPa)并保持?jǐn)?shù)秒至數(shù)分鐘后將蒸汽迅速釋放降至常壓。蒸汽是有效的熱載體能迅速將物料加熱并滲入物料空隙，經(jīng)壓力的瞬間釋放可打破細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)。影響蒸汽爆破處理效率的主要因素有維壓時間、處理溫度、物料尺寸、水分含量和物料種類等。蒸汽爆破處理同樣導(dǎo)致碳水化合物和木質(zhì)素的降解。此外，為提高蒸汽爆破處理效率還添加酸性催化劑，如SO2、H2SO4和H3PO4等。

水熱處理以水為介質(zhì)，不添加化學(xué)試劑在高溫(130～240 ℃)下以密閉條件保持相應(yīng)的壓力對物料處理。高壓高溫條件下，水發(fā)生離子化并催化降解半纖維素和部分木質(zhì)素。當(dāng)溫度升高至150 ℃以上時，半纖維素開始溶出，乙?；ф溍撀湫纬梢宜崾贵w系pH值下降，進(jìn)一步催化半纖維素的降解。相比于酸性處理，水熱處理過程中生成的降解產(chǎn)物含量較少，其類型和含量取決于處理?xiàng)l件和木質(zhì)纖維生物質(zhì)類型。此外，水熱處理可打破纖維素分子間氫鍵、切斷半纖維素和木質(zhì)素部分官能團(tuán)，從而提高纖維素酶水解效率。但隨著處理溫度的升高，碳水化合物和木質(zhì)素可進(jìn)一步降解并縮合。

2 假木質(zhì)素及其對纖維素酶的影響

2.1 降解產(chǎn)物類型

在木質(zhì)纖維預(yù)處理過程中半纖維素和木質(zhì)素的降解不可避免，根據(jù)原料種類、預(yù)處理技術(shù)的差異，木質(zhì)纖維降解產(chǎn)物主要分為：碳水化合物降解產(chǎn)物、木質(zhì)素降解產(chǎn)物和抽出物。酸性條件下，碳水化合物降解產(chǎn)物主要有糖類(木糖、葡萄糖、甘露糖、低聚糖)、有機(jī)酸(甲酸、乙酸、乙酰丙酸)和呋喃類化學(xué)(糠醛和五羥甲基糠醛)等[5]；木質(zhì)素降解產(chǎn)物有：4-羥基苯甲酸、4-羥基苯甲醛、香草醛、松柏醛、紫丁香醛、紫丁香酸、對香豆酸等。水解液中還檢測到對苯二酚和鄰苯二酚，這類物質(zhì)可進(jìn)一步氧化生成苯醌[6]。

2.2 假木質(zhì)素

糖類在高溫酸性條件下的反應(yīng)產(chǎn)物分析發(fā)現(xiàn)，五碳糖和六碳糖降解后分別生成糠醛和五羥甲基糠醛[7]。在持續(xù)的高溫酸性條件下，木糖的部分降解產(chǎn)物可進(jìn)一步反應(yīng)，生成具有芳環(huán)結(jié)構(gòu)的3,8-二羥基-2-甲基色酮(3,8-dihydroxy-2-methylchromone，DMC)。六碳糖降解形成的五羥甲基糠醛呋喃環(huán)可開環(huán)再閉合可形成更為穩(wěn)定的苯環(huán)結(jié)構(gòu)1,2,4-苯三醇(1,2,4-benzenetriol，BTO)?，F(xiàn)已查明，DMC和BTO是木質(zhì)纖維預(yù)處理過程中形成假木質(zhì)素最重要的中間產(chǎn)物。DMC具有羥基、酮基及苯環(huán)活性官能團(tuán)可與體系中降解物質(zhì)進(jìn)一步反應(yīng)形成大分子。BTO在H+催化作用下其芳環(huán)可迅速發(fā)生親核取代反應(yīng)，繼而形成具有三維立體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)；當(dāng)體系中含有氧氣時，BTO還可氧化聚合形成類似于聚苯結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。當(dāng)體系中存在二甲亞砜時可影響五羥甲基糠醛與水之間的相互作用，避免糊化生成聚苯結(jié)構(gòu)的物質(zhì)[8-9]。在高溫酸性條件下碳水化合物降解再聚合形成的這類物質(zhì)具有三維立體結(jié)構(gòu)，官能團(tuán)類型與木質(zhì)素相似，通常稱為假木質(zhì)素。

高溫/酸性條件的預(yù)處理技術(shù)的降解產(chǎn)物產(chǎn)量隨著處理強(qiáng)度的加劇而增加。這類化合物在酸性高溫條件下可進(jìn)一步縮合生成酸不溶的化合物附著于物料表面。楊木經(jīng)1% H2SO4于160 ℃處理30 min后物料表面木糖含量降低，物料中酸不溶木質(zhì)素含量增加[10]。即使采用不含木質(zhì)素的綜纖維素為原料，稀酸處理后物料中的克拉森木質(zhì)素含量依然增加[11-12]。這一現(xiàn)象說明，增加的克拉森木質(zhì)素主要來源于碳水化合物。假木質(zhì)素的形成也與預(yù)處理?xiàng)l件相關(guān)，楊木水熱170 ℃處理1 h后在高溫條件下進(jìn)行固液分離時固體物料中幾乎不含假木質(zhì)素；而在降溫后再進(jìn)行固液分離時假木質(zhì)素得率為1.96%[12]。X-射線電子能譜顯示，綠竹綜纖維素經(jīng)水熱處理后生成的假木質(zhì)素比綠竹酶木質(zhì)素具有更多的環(huán)狀結(jié)構(gòu)和羥基結(jié)構(gòu)[13]。

2.3 假木質(zhì)素對纖維酶的抑制作用

纖維素生物轉(zhuǎn)化過程中纖維素酶的催化效率受物組成、料表面形態(tài)、纖維素結(jié)晶度、木質(zhì)素含量和抑制物含量等諸多因素的影響。在抑制物中假木質(zhì)素對纖維素酶具有抑制作用，含有假木質(zhì)素的綜纖維素酶水解效率低于綜纖維素本身的酶水解效率，當(dāng)假木質(zhì)素含量達(dá)到40%時，纖維素酶水解效率下降了37.8%[14]。與木質(zhì)素的抑制作用相比，假木質(zhì)素的存在將使纖維素的最終轉(zhuǎn)化效率降低[15]。對比研究假木質(zhì)素和稀酸處理后的殘余結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，假木質(zhì)素具有較低的表面電荷、疏水性、結(jié)合能，因此假木質(zhì)素對纖維素酶的抑制作用小于稀酸處理后殘余木質(zhì)素[16]。玉米桿經(jīng)水熱處理后，在物料表面形成尺寸約1 μm至100 nm圓球形固體顆粒附著于物料表面，這些圓形顆粒將阻礙酶與纖維素的結(jié)合[17]。因此，假木質(zhì)素對纖維素酶的抑制作用是多種作用的結(jié)合。

3 結(jié) 語

假木質(zhì)素是預(yù)處理過程中降解產(chǎn)物縮合而成的產(chǎn)物，對后續(xù)酶水解具有抑制性效應(yīng)。假木質(zhì)素的形成與預(yù)處理?xiàng)l件相關(guān)，假木質(zhì)素結(jié)構(gòu)將影響其對纖維素酶的抑制效應(yīng)。因此，優(yōu)化預(yù)處理?xiàng)l件減少假木質(zhì)素的形成或調(diào)控假木質(zhì)素結(jié)構(gòu)緩解其纖維素酶抑制效應(yīng)將有效提高木質(zhì)纖維生物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率，有助力于纖維素乙醇工業(yè)的發(fā)展。