木質(zhì)纖維原料與纖維素酶相互作用的研究進展

萬廣聰 賈轉(zhuǎn) 李明富 覃程榮 王雙飛 閔斗勇

摘要：闡述木質(zhì)纖維原料與纖維素酶系統(tǒng)間的相互作用有助于揭示底物物理及化學(xué)性能對纖維素酶的抑制機理，提高木質(zhì)纖維原料的纖維素酶解轉(zhuǎn)化率。本文主要介紹了木質(zhì)纖維模型物薄膜的制備進展，各種新興技術(shù)在實時觀測木質(zhì)纖維原料與纖維素酶相互作用方面的應(yīng)用進展以及人們對提高纖維素酶解效率所做的努力，為木質(zhì)纖維原料的高效利用提供理論支持。

關(guān)鍵詞：木質(zhì)纖維原料；纖維素酶；酶解效率

中圖分類號：TS721+1；Q55文獻標(biāo)識碼：ADOI：1011981/jissn1000684220180361

收稿日期：20170930

基金項目：中國博士后基金 （2015M570419）；華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室開放基金 （201505SKLPPE） 。

作者簡介： 萬廣聰，男，1990年生；在讀碩士研究生；主要研究方向：木質(zhì)纖維原料高值化利用。

*通信聯(lián)系人：閔斗勇，教授，博士生導(dǎo)師；主要研究方向：木質(zhì)纖維原料全組分高值化利用基礎(chǔ)研究；Email：mindouyong@gxueducn。隨著氣候和環(huán)境的惡化，人們?nèi)找嬷匾暼祟惿鐣目沙掷m(xù)發(fā)展。近年來，利用木質(zhì)纖維原料生產(chǎn)生物質(zhì)能源以替代化石能源越來越受到人們的高度關(guān)注。與化石能源相比，生物質(zhì)能源具有可再生、儲量大等優(yōu)勢。實現(xiàn)生物質(zhì)乙醇的工業(yè)化生產(chǎn)，可以減輕人類對化石能源的過度依賴[1]。木質(zhì)纖維原料的主要化學(xué)成分包括纖維素、木質(zhì)素、半纖維素等，它們相互交織形成的復(fù)雜空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是木質(zhì)纖維原料抵抗降解的天然屏障，使纖維素酶很難降解未經(jīng)預(yù)處理的木質(zhì)纖維原料。其中，木質(zhì)素常作為“黏合劑”和“填充劑”填充在胞間層和微纖絲之間，使纖維間粘結(jié)更加牢固，從而使植物纖維原料具有更高的機械強度且更難被降解。此外，木質(zhì)素對纖維素酶的無效吸附是纖維素酶活性降低的主要因素[2]。研究發(fā)現(xiàn)，酶解后纖維素酶的回收率低主要是因為纖維素酶不可逆地吸附在木質(zhì)素表面[3]。探究木質(zhì)纖維原料性能（如木質(zhì)素、半纖維素、纖維素的含量及結(jié)構(gòu)、木質(zhì)素分布等）對纖維素酶酶解的影響機理，有助于尋找更有效的預(yù)處理方法來提高木質(zhì)纖維原料的酶解轉(zhuǎn)化率。

為了提高木質(zhì)纖維原料的酶解轉(zhuǎn)化率，研究人員已開發(fā)出多種預(yù)處理方法，通過降低半纖維素或木質(zhì)素的含量、纖維素的結(jié)晶度，增加木質(zhì)纖維原料表面的孔隙率和比表面積，從而增加酶的可及性。預(yù)處理在一定程度上能有效提高木質(zhì)纖維原料的酶解轉(zhuǎn)化率[4]。由于預(yù)處理不能完全脫除木質(zhì)素，因此木質(zhì)素對纖維素酶的無效吸附仍然是影響酶解效率的主要因素[5]。在各種預(yù)處理方法（包括生物法、化學(xué)法和機械法等）日趨成熟的條件下[6]，目前仍然缺乏木質(zhì)纖維原料與纖維素酶相互作用的基礎(chǔ)理論，這將阻礙利用木質(zhì)纖維原料生產(chǎn)生物質(zhì)乙醇的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

由于木質(zhì)纖維原料與纖維素酶相互作用的復(fù)雜性，目前酶解過程中葡萄糖產(chǎn)量仍然是衡量木質(zhì)纖維原料酶解效率的重要指標(biāo)。但這種衡量方法具有較大的局限性，只能研究纖維素酶水解底物的效率，不能研究纖維素酶與底物的相互作用，因而不能系統(tǒng)闡述木質(zhì)纖維原料結(jié)構(gòu)對纖維素酶的抑制機理。為克服這些局限，研究人員通過制作木質(zhì)纖維薄膜，利用石英晶體微量天平（QCM）、紫外可見分光光度計、橢圓偏振光譜儀（簡稱橢圓儀）、原子力顯微鏡（AFM）等技術(shù)探究纖維素酶與木質(zhì)纖維原料的相互作用，以及纖維素酶對木質(zhì)纖維原料的水解過程，以揭示木質(zhì)纖維原料對纖維素酶酶解的各種限制因素，闡述木質(zhì)纖維原料與纖維素酶的相互作用機理。

1木質(zhì)纖維薄膜的制備

木質(zhì)素被認為是抑制木質(zhì)纖維原料酶解的最主要組分。為了探究木質(zhì)素對纖維素酶的抑制作用，研究人員開始使用QCM、AFM和橢圓儀等儀器對木質(zhì)纖維原料與纖維素酶相互作用機理進行研究，而未經(jīng)處理的木質(zhì)纖維原料很難在以上儀器進行研究，因此有學(xué)者制備了再生單組分或雙組分的木質(zhì)纖維薄膜并用作模型物，以研究木質(zhì)纖維原料與纖維素酶之間的相互作用。Gunnars等[7]用50% N甲基嗎啉N氧化物（NMMO）作為溶劑溶解纖維素，配制成纖維素溶液，利用旋涂法將纖維素附著在SiO2晶片上，成功制備了可吸附在SiO2晶片上且純度較高的纖維素薄膜，方便利用QCM研究纖維素性能。Falt等[89]對Gunnars在SiO2上旋涂制備纖維素薄膜的方法進行了優(yōu)化，通過纖維素濃度控制膜厚度，通過溶液的溫度控制膜表面粗糙度，成功制得具有較高潤脹性能且可利用QCM進行溶脹測量的纖維素薄膜。

纖維素單組分薄膜的成功開發(fā)為利用QCM監(jiān)測纖維素的酶水解過程提供了一個優(yōu)良的模型物。為了能夠更好地了解木質(zhì)纖維原料酶水解的動態(tài)過程和木質(zhì)素對纖維素酶的抑制機理，需要開發(fā)出一種化學(xué)結(jié)構(gòu)與原生木質(zhì)纖維原料相似的模型物。目前，已有研究人員開發(fā)出成分更加接近天然木質(zhì)纖維原料的纖維素木質(zhì)素雙組分薄膜。Hoeger等[10]將三甲基硅烷基纖維素（TMSC）和木質(zhì)素乙酸酯混合溶解在常規(guī)溶劑中，然后旋涂在SiO2晶片上，制得混溶性較好、疏水性較強的纖維素木質(zhì)素雙組分薄膜。MartinSampedro 等[11]利用三乙酸纖維素（CTA）代替TMSC，簡化了纖維素木質(zhì)素雙組分薄膜的制備過程，不僅顯著降低了實驗難度，而且得到了各項性能更加優(yōu)異的纖維素木質(zhì)素雙組分薄膜。纖維素木質(zhì)素雙組分薄膜的開發(fā)加速了對纖維素酶水解的動態(tài)研究，但仍然缺乏木質(zhì)素對纖維素酶抑制機理的研究。為了研究木質(zhì)素單個變量對纖維素酶解的影響，有學(xué)者對木質(zhì)素單組分薄膜開展了大量研究。Wang等[12]合成了比天然木質(zhì)素摩爾質(zhì)量更低、醚鍵和端基比例更高的木質(zhì)素薄膜。Pereira等[13]制作了一種可沉積在SiO2晶片上的木質(zhì)素薄膜；研究發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素的來源和S/G比例等都會顯著影響木質(zhì)素與纖維素酶的相互作用。

模型物薄膜的開發(fā)實現(xiàn)了使用先進設(shè)備研究木質(zhì)纖維原料與纖維素酶的相互作用，但模型物薄膜在空間結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分上都與天然木質(zhì)纖維原料有一定差別，因此開發(fā)制備空間結(jié)構(gòu)與化學(xué)成分更加接近天然木質(zhì)纖維原料的底物模型物薄膜將是今后研究的主要方向。

2新興技術(shù)在研究木質(zhì)纖維原料酶解過程中的應(yīng)用

隨著底物模型（單組分/雙組分木質(zhì)纖維薄膜）制備方法的完善，研究人員開始利用新興技術(shù)來探究酶與底物的相互作用。目前，用于分析酶處理前后及處理過程中底物的組分及結(jié)構(gòu)變化的常用方法有紅外光譜和核磁共振，但這2種方法具有很大局限性，只能提供酶處理前后底物化學(xué)結(jié)構(gòu)變化的信息，無法提供酶水解過程的更多信息。通過新興技術(shù)可以觀測酶處理前后底物表面結(jié)構(gòu)的變化，揭示酶與底物之間的相互作用規(guī)律。本文主要介紹了QCM、紫外可見分光光度計、橢圓儀及AFM在觀測酶解過程中木質(zhì)纖維原料與纖維素酶相互作用的應(yīng)用進展。除了這些技術(shù)，還有學(xué)者開發(fā)出其他方法，如氚標(biāo)記法和正交建模法，加深了對木質(zhì)纖維原料酶解過程的認識。

木質(zhì)纖維原料與纖維素酶相互作用的研究進展第33卷第3期第33卷第3期木質(zhì)纖維原料與纖維素酶相互作用的研究進展21QCM

QCM是通過石英晶體器件超高頻電阻抗譜、頻譜或相位等參數(shù)變化對環(huán)境介質(zhì)包括質(zhì)量、黏彈性、異納、介電或流變特性等作出相關(guān)應(yīng)答并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)傳感檢測信號，獲取有關(guān)目標(biāo)組分或多元組分體系成分、形狀的一維或多維信息，實現(xiàn)對研究對象全面、動態(tài)的在線檢測技術(shù)[14]。因為輕微的質(zhì)量變化都會引起QCM頻率的變化，所以根據(jù)QCM頻率變化可以計算出纖維素酶在模型物薄膜（底物）表面的附著量以及了解薄膜的酶解程度。Turon等[15]通過水解過程中QCM頻率和能量耗散變化探究了纖維素酶水解纖維素薄膜的酶解動力學(xué)；研究發(fā)現(xiàn)，QCM頻率變化和能量耗散是由酶解過程中膜的質(zhì)量和形態(tài)變化而引起的。Kumagai等[16]利用QCM研究了木質(zhì)纖維素納米纖絲薄膜（LCNF）的酶解過程；研究發(fā)現(xiàn)，LCNF表面上存在的半纖維素和木質(zhì)素使得QCM的特征頻率和能量耗散變化不同于QCM在純纖維素中的特征頻率和能量耗散變化。

底物模型物薄膜的黏彈性變化也會引起QCM頻率的變化。Josefsson等[17]利用QCM研究了真菌纖維素酶對納米厚度纖維素膜的水解過程；研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)切葡聚糖酶不僅可使纖維素產(chǎn)生新的端基，而且會引起纖維素膜軟化和潤脹，從而使纖維素膜降解。利用QCM除了可以監(jiān)測底物的微觀變化外，還可以監(jiān)測酶的活性。Zhou等[18]建立關(guān)于纖維素酶吸附降解機理的動力學(xué)模型，量化環(huán)境變化對纖維素酶活性的影響，探究了酶解過程中纖維素酶活性的變化。Ahola等[19]利用天然纖維素納米纖絲薄膜研究了纖維素酶的酶解動力學(xué)和活性，利用QCM監(jiān)測不同酶濃度和溫度下晶體的頻率和能量耗散變化；研究發(fā)現(xiàn)，纖維素酶活性受纖維素結(jié)晶度的影響顯著。Cheng等[20]利用QCM研究了內(nèi)切葡聚糖酶與無定形纖維素膜的相互作用；研究結(jié)果表明，各種內(nèi)切葡聚糖酶在無定形纖維素薄膜中都表現(xiàn)出較高活性。

此外，在研究纖維素酶酶解底物膜系統(tǒng)的動態(tài)過程中，利用QCM可實時監(jiān)測酶與底物模型物相互作用的整個過程。Selig等[21]利用QCM研究了多糖單加氧酶CelS2（ScLPMO10C）與纖維素的相互作用；研究發(fā)現(xiàn)，減少CelS2與纖維素的無效吸附、增加CelS2在纖維素表面的流動性可以增強纖維二糖水解酶的活性。MartinSampedro等[11]利用QCM研究了纖維二糖水解酶（CBH I 和EG I）酶解纖維素木質(zhì)素雙組分薄膜的動態(tài)過程；研究發(fā)現(xiàn)，CBH I與纖維素的親和力高于木質(zhì)素；EG I可隨機切割纖維素非結(jié)晶位點處的糖苷鍵，EG I通過降低纖維素聚合度使纖維素產(chǎn)生新端基，引起纖維素潤脹。Pfeiffer等[22]開發(fā)了一種與木質(zhì)素化學(xué)結(jié)構(gòu)相似的均勻木質(zhì)素薄膜，利用QCM實時測量木質(zhì)素薄膜表面上纖維素酶的吸附量，描述了纖維二糖水解酶Cel7B與木質(zhì)素結(jié)合的動力學(xué)機理。

22紫外可見分光光度計

紫外可見分光光度計是利用紫外吸收光譜對物質(zhì)進行定性或定量的分析方法，不需要對試樣進行分離，可以直接分析試樣的不同組分。紫外可見分光光度法通過雙波長或光譜衍生法測量木質(zhì)纖維原料在酶解過程中吸附纖維素酶的質(zhì)量。酶解過程中，紫外可見分光光度計能夠快速分辨纖維素酶和木質(zhì)纖維原料，因此能夠測量出纖維素酶在底物表面的吸附量。在研究酶水解過程中，通過紫外可見分光光度計可以清晰地觀察酶解的動態(tài)過程[23]。Liu等[24]用原位紫外可見分光光度法了解了酶解過程中木質(zhì)纖維底物吸附纖維素酶的情況。利用雙波長法和光譜衍生法，可校正木質(zhì)素和固體顆粒對內(nèi)切葡聚糖酶吸附光譜的干擾，實現(xiàn)纖維素酶吸附到木質(zhì)纖維底物上的原位測量。紫外可見分光光度法只能通過測量纖維素酶在底物上的吸附量來觀察酶解的動態(tài)過程，但對其作用機理的揭示仍有局限性。目前，還沒有研究人員利用紫外可見分光光度計觀察膜系統(tǒng)酶水解過程進行深入研究。

23AFM

AFM通過檢測樣品表面與一個微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。將對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品時會產(chǎn)生相互作用力，作用力將使得微懸臂發(fā)生形變或運動狀態(tài)發(fā)生變化。掃描樣品時，利用傳感器檢測這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級分辨率獲得樣品表面形貌結(jié)構(gòu)及粗糙度等信息[25]。因此，利用AFM可檢測纖維素木質(zhì)素雙組分薄膜的相分離程度，從而了解纖維素與木質(zhì)素的混融程度，探究纖維素及木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)和溶劑對纖維素木質(zhì)素雙組分薄膜的影響。除了觀測底物表面形貌，利用AFM還可觀察纖維素酶酶解的動態(tài)過程。利用AFM研究酶解過程時，先需將酶固定在AFM探針尖端，為了既能將酶固定在AFM探針尖端又保留酶活性，專家學(xué)者做了大量的研究。Amarante等[26]運用粗粒度模型來確定固定在AFM尖端酶的數(shù)量和與底物相互作用的活性位點的平均數(shù)量。Casero等[27]總結(jié)了利用 AFM、掃描電化學(xué)顯微鏡（SECM）和QCM進行不同實例應(yīng)用的研究，以及詳細闡述了生物酶在電極表面上的固定過程。隨著酶固定方法的成熟，利用AFM觀測酶解過程變得比較容易。Zhang等[28]利用AFM成像功能實時觀測酶在預(yù)處理植物細胞壁纖維素的酶解過程；研究發(fā)現(xiàn)，酶的作用模式取決于預(yù)處理底物裂紋的大?。毫鸭y小，只有2個裂紋之間的纖維素會被纖維素酶水解；裂紋大，裂紋區(qū)大量的纖維素會被纖維素酶水解；研究還發(fā)現(xiàn)，CBH I和β葡糖苷酶的組合與纖維素復(fù)合酶有相似的水解能力。利用CBH I和β葡糖苷酶代替纖維素復(fù)合酶，可降低生物質(zhì)乙醇制備時的生物酶成本。Igarashi等[29]通過AFM實時觀察纖維二糖水解酶Cel7A降解結(jié)晶纖維素的動態(tài)過程并發(fā)現(xiàn)，Cel7A分子會沿著結(jié)晶纖維素表面單向移動，但Cel7A分子移動到某一點時會集體停止，這個發(fā)現(xiàn)表明，纖維素結(jié)晶區(qū)會阻礙Cel7A的移動，降低Cel7A的活性。。

24橢圓儀

橢圓儀是一種研究薄膜表面及固體光學(xué)性質(zhì)的儀器，通過分析光在樣品上反射的偏振狀態(tài)變化，獲取物質(zhì)的光學(xué)性能。這種分析手段精確度高，且不損傷樣品本身，屬無損測量[30]。橢圓儀可用于研究旋涂技術(shù)制備的纖維素薄膜模型物的酶解過程。酶解前，用橢圓儀、化學(xué)分析電子光譜（ESCA）和AFM對纖維素薄膜結(jié)構(gòu)進行表征。添加生物酶后，利用橢圓光度法量化纖維素酶在纖維素膜基底的吸附過程和表面酶解過程，實現(xiàn)對完整酶解過程的觀察和表征[31]。Maurer等[32]證明了用橢圓光度法定量分析纖維素酶在纖維素膜吸附和活性的有效性，利用橢圓光度法研究了生物酶的結(jié)構(gòu)和活性對纖維素底物降解的影響；研究發(fā)現(xiàn)，碳水化合物結(jié)合模塊（CBM）對纖維素底物的吸附和降解起主要作用，CBM的去除會導(dǎo)致纖維素酶對纖維素的吸附能力和纖維素降解速率的降低，還會導(dǎo)致纖維素酶對pH值依賴性的降低。

25其他方法

除了運用上述技術(shù)外，一些學(xué)者也嘗試利用更加簡單直觀的方法進行纖維素酶解研究。其中，氚標(biāo)記法和正交建模法在酶水解過程的研究中取得了新進展。為了探究木質(zhì)素對纖維素酶的吸附作用，有學(xué)者利用氚化CBH I和內(nèi)切葡聚糖酶（EG II）的催化結(jié)構(gòu)域作為示蹤劑來確定游離蛋白濃度，從而確定木質(zhì)素對酶的吸附能力。Palonen等[3334]使用氚標(biāo)記法比較了CBH I和EG II 2種純化纖維素酶在蒸汽預(yù)處理軟木（SPS）和木質(zhì)素上的吸附效果；研究發(fā)現(xiàn)，CBH I對SPS的親和力比EG II高，EG II的催化結(jié)構(gòu)域?qū)A性分離的木質(zhì)素具有更高的親和力，而CBH I的催化結(jié)構(gòu)域?qū)θ魏文举|(zhì)素都沒有親和力。實驗結(jié)果還表明，纖維素結(jié)合結(jié)構(gòu)域在纖維素酶與木質(zhì)素的非特異性結(jié)合中的作用顯著。Lebaz等[35]直接將正交建模方法應(yīng)用到纖維素酶解過程中EG和CBH活性的研究；研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，EG和CBH具有協(xié)同作用，纖維二糖和葡萄糖的積累會顯著降低酶活性。

QCM、AFM、紫外可見分光光度計、橢圓儀和其他方法在研究纖維素酶與木質(zhì)纖維原料相互作用的過程中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。大量的實例研究表明，不同的酶水解纖維素的方式以及對木質(zhì)素的耐受性差異很大。隨著這些技術(shù)的發(fā)展以及它們與其他技術(shù)的結(jié)合使用，將有可能徹底揭開纖維素酶與木質(zhì)纖維原料相互作用機理的神秘面紗。

3提高木質(zhì)纖維原料酶解效率的方法

31預(yù)處理

人們對木質(zhì)纖維原料性能、木質(zhì)纖維原料與纖維素酶的相互作用進行了大量研究。研究發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素、纖維素、半纖維素組成的三維立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使木質(zhì)纖維原料具有優(yōu)異的機械強度而難被降解。預(yù)處理可以破壞木質(zhì)纖維原料的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低纖維素結(jié)晶度和聚合度，脫除部分半纖維素和木質(zhì)素，有效提高酶的水解效率。預(yù)處理方法可分為物理法、物理化學(xué)法、化學(xué)法和生物法。

物理法的主要方式是機械粉碎，通過物理法可以增大木質(zhì)纖維原料的比表面積和孔徑，降低纖維素結(jié)晶度和聚合度。Sidiras等[36]研究發(fā)現(xiàn)，球磨可以降低纖維素結(jié)晶度使纖維素更容易被酶水解。Sun等[37]研究發(fā)現(xiàn)，在球磨過程中增加球的個數(shù)、提高運轉(zhuǎn)速度和延長球磨時間均可顯著提高纖維素的酶水解程度，較高處理強度下，纖維素幾乎可以完全被酶水解。除了機械粉碎外，照射γ射線、電子束和微波均可提高木質(zhì)纖維原料的酶水解效率。輻射照射可使纖維脆性增大，纖維素大分子降解成小分子，使寡糖降解為纖維二糖，甚至可以破壞寡糖和葡萄糖的環(huán)結(jié)構(gòu)[38]。雖然物理法可以有效提高纖維素的酶水解效率，但能源消耗大，不適合大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。

物理化學(xué)法是指結(jié)合物理和化學(xué)過程的預(yù)處理方法，主要方式是蒸汽爆破。將木質(zhì)纖維原料在160℃蒸汽爆破下高溫處理10～30 min，然后迅速結(jié)束反應(yīng)，汽爆時壓力突然降低，使木質(zhì)纖維原料體積迅速增大，破壞原料原有結(jié)構(gòu)，增大其比表面積和表面孔徑，從而有效脫除半纖維素，使纖維素與木質(zhì)素分離，提高糖轉(zhuǎn)化率[39]。Varga等[40]用蒸汽爆破法處理玉米秸稈；研究發(fā)現(xiàn)，蒸汽爆破預(yù)處理可以去除玉米秸稈大部分半纖維素并使纖維素更易被酶降解。

化學(xué)法是使用酸堿等化學(xué)藥品對原料進行處理，以有效地破壞木質(zhì)纖維原料的致密結(jié)構(gòu)，脫除木質(zhì)素和半纖維素，提高纖維素的酶解轉(zhuǎn)化率[41]。謝土均等[42]通過甘蔗渣活性氧固體堿蒸煮脫木素實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)蒸煮溫度超過140℃時木素會被大量脫除，最佳保溫時間為80 min。鄭杰等[43]通過綠液預(yù)處理楊木實驗發(fā)現(xiàn)，綠液預(yù)處理可脫除大量木質(zhì)素，木質(zhì)素的脫除有利于提高纖維素的酶轉(zhuǎn)化率。

生物法是使用能夠分離降解木質(zhì)素的菌類對木質(zhì)纖維原料中木質(zhì)素進行有效的生物降解，從而提高木質(zhì)纖維原料的酶解效率。Taniguchi等[44]用4種白腐真菌（黃孢原毛平革菌、變色栓菌、平頭孢霉和平菇）處理稻草發(fā)現(xiàn)，4種白腐真菌都可以有效地降解木質(zhì)素，經(jīng)白腐真菌預(yù)處理后稻草的纖維素酶水解轉(zhuǎn)化率明顯高于未經(jīng)預(yù)處理的稻草。

32酶解促進劑

雖然預(yù)處理能夠破壞木質(zhì)纖維原料結(jié)構(gòu)、降低半纖維素和木質(zhì)素含量，但是存在能源消耗大、污染環(huán)境的弊端。此外，預(yù)處理不能完全脫除木質(zhì)素，木質(zhì)素對酶的空間阻礙和無效吸附的影響依然存在，所以預(yù)處理后的酶水解效果仍不能達到期望值。多年來，研究人員一直致力于進一步提高預(yù)處理后木質(zhì)纖維原料酶解效率的研究。因此，研究人員嘗試在酶解過程中使用添加劑如表面活性劑（吐溫80）、非水解蛋白（牛血清蛋白BSA）和聚合物（聚乙二醇PEG）來提高酶解效率。研究發(fā)現(xiàn)，一些添加劑的使用能夠降低木質(zhì)素對纖維素酶的吸附，提高纖維素酶的活性和穩(wěn)定性。Méndez等[45]在PEG和BSA等添加劑對酶水解性能影響的實驗中發(fā)現(xiàn)，添加劑可與纖維素酶和半纖維素酶發(fā)生協(xié)同作用，從而有效提高酶的水解性能，但添加劑不是對所有的酶都有促進作用。Li等[46]在竹子的酶解實驗過程中分別添加BSA、PEG和吐溫80發(fā)現(xiàn)，纖維素和聚木糖的酶解轉(zhuǎn)化率得到提高。Wang等[47]在纖維素酶水解濾紙的實驗中添加了BSA發(fā)現(xiàn)，添加BSA可以提高酶活性，纖維素的糖轉(zhuǎn)化率從75%提高到90%以上。Toyosawa等[48]研究了在微晶纖維素和蒸汽爆破蔗渣（SEB）的酶解過程中加入非催化蛋白質(zhì)對纖維素酶組分在底物表面的吸附和解吸行為的影響；結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入非催化蛋白質(zhì)增強了SEB的酶解效率。加入非催化蛋白質(zhì)可降低木質(zhì)素對CBH I、EGI和β葡糖苷酶的無效吸附，從而提高纖維素的酶解轉(zhuǎn)化率。

33纖維素結(jié)構(gòu)優(yōu)化和纖維素酶基因改造

除了使用添加劑外，對酶解底物進行有效的修飾也可達到提高糖轉(zhuǎn)化率的目的，例如從真菌中提煉的水解結(jié)晶纖維素的纖維素酶都具有相同的結(jié)構(gòu)（催化結(jié)構(gòu)域和碳水化合物結(jié)合結(jié)構(gòu)域），在酶解的開始階段，纖維素酶的碳水化合物結(jié)合結(jié)構(gòu)域會與纖維素疏水基團結(jié)合，然后催化結(jié)構(gòu)域?qū)⒅鸩酱呋到饫w維素[49]，因此通過增加纖維素疏水結(jié)構(gòu)可提高酶解效率。Shibafuji等[50]利用CBH I水解具有不同晶型的木質(zhì)纖維原料底物；研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化酶濃度和增加結(jié)晶纖維素表面的疏水性基團，可有效提高CBH I酶解木質(zhì)纖維原料的效率。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各個學(xué)科之間聯(lián)系越來越密切，有學(xué)者開始運用基因技術(shù)對纖維素酶進行改造，通過提高酶的性能，使酶的水解效率得到提高。Pereira等[51]對內(nèi)切葡聚糖酶Tm_Cel5A進行基因改造，利用大腸桿菌菌株生產(chǎn)內(nèi)切葡聚糖酶Tm_Cel5A（晶型I和II）；結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基因改造提高了Tm_Cel5A的熱穩(wěn)定性，使其在高溫下也具有高催化活性。Voutilainen等[52]利用基因改造嗜熱真菌的纖維二糖水解酶Cel7A；研究發(fā)現(xiàn)，基團改造后的嗜熱乳桿菌Cel7A 在45℃下對木質(zhì)纖維原料底物表現(xiàn)出最高活性，金黃色嗜熱子囊菌Cel7A在70℃下對微晶纖維素的水解效率最高。

4結(jié)語及展望

生物酶系統(tǒng)水解木質(zhì)纖維原料的動態(tài)過程十分復(fù)雜，制備木質(zhì)纖維薄膜有助于人們更好地研究木質(zhì)纖維原料各個組分對酶的影響。由于木質(zhì)纖維薄膜制備方法的限制，薄膜的物理及化學(xué)性能與天然木質(zhì)纖維原料仍有一定的差距，這些勢必影響實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，但其仍然是生物質(zhì)精煉領(lǐng)域研究的一個創(chuàng)舉。石英晶體微量天平（QCM）和原子力顯微鏡（AFM）是研究木質(zhì)纖維原料與生物酶相互作用最重要的技術(shù)手段，利用QCM能夠?qū)崟r監(jiān)測酶水解動態(tài)過程，利用AFM可直接觀察原料表面的形態(tài)變化。此外，紫外可見分光光計、橢圓儀等儀器的應(yīng)用可更加全面地探究木質(zhì)纖維原料酶水解動態(tài)過程。今后各種技術(shù)綜合利用以及新技術(shù)的開發(fā)，將會對木質(zhì)纖維原料與纖維素酶相互作用機理有更加深入的研究；從而提高木質(zhì)纖維原料的酶解效率，木質(zhì)纖維原料生產(chǎn)生物質(zhì)乙醇將會實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，以替代化石能源，為人類社會的長足發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

參考文獻

[1]Alzate C A C， Toro O J S. Energy consumption analysis of integrated flowsheets for production of fuel ethanol from lignocellulosic biomass[J]. Eenergy， 2006， 31（13SI）： 2447.

[2]Lv F， Chai L， Shao L， et al. Precise pretreatment of lignocellulose： relating substrate modification with subsequent hydrolysis and fermentation to products and byproducts[J]. Biotechnology for Biofuels， 2017， 10（1）： 88.

[3]Taherzadeh M J， Karimi K. Pretreatment of lignocellulosic wastes to improve ethanol and biogas production： a review[J]. International Journal of Molecular Sciences， 2008， 9（9）： 1621.

[4]Kumar A K， Sharma S. Recent updates on different methods of pretreatment of lignocellulosic feedstocks： a review[J]. Bioresources & Bioprocessing， 2017， 4（1）： 7.

[5]Alvira P， Tomaspejo E， Ballesteros M， et al. Pretreatment technologies for an efficient bioethanol production process based on enzymatic hydrolysis： a review[J]. Bioresource Technology， 2010， 101（13）： 4851.

[6]Hoeger I C， Filpponen I， MartinSampedro R， et al. Bicomponent lignocellulose thin films to study the role of surface lignin in cellulolytic reactions[J]. Biomacromolecules， 2012， 13（10）： 3228.

[7]Gunnars S， Wgberg L， Stuart M A C. Model films of cellulose： I. Method development and initial results[J]. Cellulose， 2002， 9（3）： 239.

[8]Falt S， Wagberg L， Vesterlind E L， et al. Model films of cellulose II improved preparation method and characterization of the cellulose film[J]. Cellulose， 2004， 11（2）： 151.

[9]Falt S， Wagbera L， Vesterlind E. Swelling of model films of cellulose having different charge densities and comparison to the swelling behavior of corresponding fibers[J]. Langmuir， 2003， 19（19）： 7895.

[10]Hoeger I C， Filpponen I， MartinSampedro R， et al. Bicomponent lignocellulose thin films to study the role of surface lignin in cellulolytic reactions[J]. Biomacromolecules， 2012， 13（10）： 3228.

[11]MartinSampedro R， Rahikainen J L， Johansson L， et al. Preferential adsorption and activity of monocomponent cellulases on lignocellulose thin films with varying lignin content[J]. Biomacromolecules， 2013， 14（4）： 1231.

[12]Wang C， Qian C， Roman M， et al. Surfaceinitiated dehydrogenative polymerization of monolignols： A quartz crystal microbalance with dissipation monitoring and atomic force microscopy study[J]. Biomacromolecules， 2013， 14（11）： 3964.

[13]Pereira A， Hoeger I C， Ferrer A， et al. Lignin films from spruce， eucalyptus， and wheat straw studied with electroacoustic and optical sensors： Effect of composition and electrostatic screening on enzyme binding[J]. Biomacromolecules， 2017， 18（4）： 1322.

[14]Guan Luxiong， Liu Lihua. Progress and Prospects of Research on Quartz Crystal Microbalance[J]. Sensor World， 2000（3）： 1.

關(guān)魯雄， 劉立華. 石英晶體微天平研究進展與展望[J]. 傳感器世界， 2000（3）： 1.

[15]Turon X， Rojas O J， Deinhammer R S. Enzymatic kinetics of cellulose hydrolysis： a QCMD study[J]. Langmuir， 2008， 24（8）： 3880.

[16]Kumagai A， Lee S， Endo T. Thin film of lignocellulosic nanofibrils with different chemical composition for QCMD study[J]. Biomacromolecules， 2013， 14（7）： 2420.

[17]Josefsson P， Henriksson G， Wagberg L. The physical action of cellulases revealed by a quartz crystal microbalance study using ultrathin cellulose films and pure cellulases[J]. Biomacromolecules， 2008， 9（1）： 249.

[18]Zhou S， Li H， Garlapalli R， et al. Hydrolysis of model cellulose films by cellulosomes： Extension of quartz crystal microbalance technique to multienzymatic complexes[J]. Journal of Biotechnology， 2017， 241： 42.

[19]Ahola S， Turon X， sterberg M， et al. Enzymatic hydrolysis of native cellulose nanofibrils and other cellulose model films： effect of surface structure[J]. Langmuir， 2008， 24（20）： 11592.

[20]Cheng G， Liu Z， Murton J K， et al. Neutron reflectometry and QCMD study of the interaction of cellulases with films of amorphous cellulose[J]. Biomacromolecules， 2011， 12（6）： 2216.

[21]Selig M J， Vuong T V， Gudmundsson M， et al. Modified cellobiohydrolasecellulose interactions following treatment with lytic polysaccharide monooxygenase CelS2 （ScLPMO10C） observed by QCMD[J]. Cellulose， 2015， 22（4）： 2263.

[22]Pfeiffer K A， Sorek H， Roche C M， et al. Evaluating endoglucanase Cel7Blignin interaction mechanisms and kinetics using quartz crystal microgravimetry[J]. Biotechnology & Bioengineering， 2015， 112（11）： 2256.

[23]Aksnes L. Quantitation of the main metabolites of vitamin D in a single serum sample. 2. Determination by UVabsorption and competitive protein binding assays[J]. Clinica Chimica Acta， 1980， 104（2）： 147.

[24]Liu H， Zhu J Y， Chai X S. In situ， rapid， and temporally resolved measurements of cellulase adsorption onto lignocellulosic substrates by UVvis spectrophotometry[J]. Langmuir， 2011， 27（1）： 272.

[25]Dong Xiaokun. Research on imaging method of high speed atomic force microscope[D]. Tianjin： Nankai University， 2012.

董曉坤. 高速原子力顯微鏡的成像方法研究[D]. 天津： 南開大學(xué)， 2012.

[26]Amarante A M， Oliveira G S， Bueno C C， et al. Modeling the coverage of an AFM tip by enzymes and its application in nanobiosensors[J]. Journal of Molecular Graphics and Modelling， 2014， 53： 100.

[27]Casero E， Vazquez L， ParraAlfambra A M， et al. AFM， SECM and QCM as useful analytical tools in the characterization of enzymebased bioanalytical platforms[J]. The Analyst， 2010， 135（8）： 1878.

[28]Zhang Y， Zhang M， Reese R A， et al. Realtime single molecular study of a pretreated cellulose hydrolysis mode and individual enzyme movement[J]. Biotechnology for Biofuels， 2016， 9（1）： 1.

[29]Igarashi K， Uchihashi T， Koivula A， et al. Traffic jams reduce hydrolytic efficiency of cellulase on cellulose surface[J]. Science， 2011， 333（6047）： 1279.

[30]Zhu Derui， Lai Tianshu， Li Qiujun， et al. High precision automated ellipsometry[J]. Journal of Sun YatSen University： Natural Science Edition， 1997（4）： 31.

朱德瑞， 賴天樹， 李秋俊， 等. 高精度自動化橢圓偏振光譜儀[J]. 中山大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 1997（4）： 31.

[31]Eriksson J， Malmsten M， Tiberg F， et al. Enzymatic degradation of model cellulose films[J]. Journal of Colloid & Interface Science， 2005， 284（1）： 99.

[32]Mauere S A， Bedbrook C N， Radke C J. Cellulase Adsorption and reactivity on a cellulose surface from flow ellipsometry[J]. Industrial & Engineering Chemistryresearch， 2012， 51（35）： 11389.

[33]Palonen H， Tenkanen M， Linder M. Dynamic interaction of Trichoderma reeseicellobiohydrolases Cel6A and Cel7A and cellulose at equilibrium and during hydrolysis[J]. Applied & Environmental Microbiology， 1999， 65（12）： 5229.

[34]Palonen H， Tjerneld F， Zacchi G， et al. Adsorption of trichoderma reesei CBH I and EG II and their catalytic domains on steam pretreated softwood and isolated lignin[J]. Journal of Biotechnology， 2004， 107（1）： 65.

[35]Lebaz N， Cockx A， Sperandio M， et al. Application of the direct quadrature method of moments for the modelling of the enzymatic hydrolysis of cellulose： I. Case of soluble substrate[J]. Chemical Engineering Science， 2016， 149： 306.

[36]Sidiras D K， Koukios E G. Acid saccharification of ballmilled straw[J]. Biomass， 1989， 19（4）： 289.

[37]Sun R C， Fang J M， Goodwin A， et al. Fractionation and characterization of ballmilled and enzyme lignins from abaca fibre[J]. Journal of the Science of Food & Agriculture， 1999， 79（8）：707.

[38]Kumakura M， Kaetsu I. Pretreatment by radiation and acids of chaff and its effect on enzymatic hydrolysis of cellulose[J]. Agricultural Wastes， 1984， 9（4）： 279.

[39]Boussaid A， Robinson J， Cai Y J， et al. Fermentability of the hemicellulosederived sugars from steamexploded softwood（Douglas fir）[J]. Biotechnology & Bioengineering， 1999， 64（3）： 284.

[40]Varga E， Réczey K， Zacchi G. Optimization of steam pretreatment of corn stover to enhance enzymatic digestibility[J]. Applied Biochemistry & Biotechnology， 2004， 114（13）： 509.

[41]Carrasco J E， Ma C S， Navarro A， et al. Effects of dilute acid and steam explosion pretreatments on the cellulose structure and kinetics of cellulosic fraction hydrolysis by dilute acids in lignocellulosic materials[J]. Applied Biochemistry & Biotechnology， 1994， 45/46（1）： 23.

[42]Xie Tujun， Lin Lu， Pang Chunsheng， et al. Kinetics of delignification of sugarcane bagasse active oxygen solid base cooking[J]. Transactions of China Pulp and Paper， 2012， 27（3）： 1.

謝土均， 林鹿， 龐春生， 等. 甘蔗渣活性氧固體堿蒸煮的脫木素動力學(xué)[J]. 中國造紙學(xué)報， 2012， 27（3）： 1.

[43]Zheng Jie， Sun Guangwei， Li Haiming， et al. Study on the Reaction Process of Delignification by Greenhouse Pretreatment of Poplar Sulfate[J]. Transactions of China Pulp and Paper， 2013， 28（4）： 12.

鄭杰， 孫廣衛(wèi)， 李海明， 等. 綠液預(yù)處理楊木硫酸鹽法蒸煮脫木素反應(yīng)歷程研究[J]. 中國造紙學(xué)報， 2013， 28（4）： 12.

[44]Taniguchi M， Suzuki H， Watanabe D， et al. Evaluation of pretreatment with Pleurotus ostreatus， for enzymatic hydrolysis of rice straw[J]. Journal of Bioscience & Bioengineering， 2005， 100（6）：637.

[45]Méndez A J， de Oliveira Morase A， Modesto L F， et al. Addition of Surfactants and NonHydrolytic Proteins and Their Influence on Enzymatic Hydrolysis of Pretreated Sugarcane Bagasse[J]. Applied Biochemistry & Biotechnology， 2017， 181（2）： 593.

[46]Li K， Wang X， Wang J， et al. Benefits from additives and xylanase during enzymatic hydrolysis of bamboo shoot and mature bamboo[J]. Bioresource Technology， 2015， 192： 424.

[47]Wang H， Mochidzuki K， Kobayashi S， et al. Effect of Bovine Serum Albumin（BSA） on Enzymatic Cellulose Hydrolysis[J]. Applied Biochemistry & Biotechnology， 2013， 170（3）： 541.

[48]Toyosawa Y， Ikeo M， Taneda D， et al. Quantitative analysis of adsorption and desorption behavior of individual cellulase components during the hydrolysis of lignocellulosic biomass with the addition of lysozyme[J]. Bioresource Technology， 2017， 234： 150.

[49]Reinikainen T， Teleman O， Teeri T T. Effects of pH and high ionic strength on the adsorption and activity of native and mutated cellobiohydrolase I from Trichoderma reesei[J]. Proteins Structure Function & Bioinformatics， 1995， 22（4）： 392.

[50]Shibafuji Y， Nakamura A， Uchihashi T， et al. Singlemolecule imaging analysis of elementary reaction steps of Trichoderma reesei cellobiohydrolase I（Cel7A） hydrolyzing crystalline cellulose Iα and IIII[J]. Journal of Biological Chemistry， 2014， 289（20）： 14056.

[51]Pereira J H， Chen Z， Mcandrew R P， et al. Biochemical characterization and crystal structure of endoglucanase Cel5A from the hyperthermophilic Thermotoga maritima[J]. Journal of Structural Biology， 2010， 172（3）： 372.

[52]Voutilainen S P， Puranen T， SiikaAho M， et al. Cloning， expression， and characterization of novel thermostable family 7 cellobiohydrolases[J]. Biotechnology Bioenergy， 2008， 101（3）： 515.

Research Progress in Interaction Mechanism between Lignocellulosic Material and Cellulase

WAN Guangcong1，2JIA Zhuan1，2LI Mingfu1，2QIN Chengrong1，2WANG Shuangfei1，2MIN Douyong1，2，*

（1. College of Light Industry and Food Engineering， Guangxi University， Nanning， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 530004；

2. Guangxi Key Laboratory of Clean Pulp & Papermaking and Pollution Control， Nanning， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 530004）

（*Email： mindouyong@gxu.edu.cn）

Abstract：The observation of the interaction between lignocelulosic material and cellulase can help to elucidate its inhibiting mechanism on enzymes. This paper mainly introduced the progress in the preparation of biomass model film， the application progress of various emerging technologies in realtime observation of the interaction between lignocellulosic material and cellulase， and the efforts made to improve the enzymatic efficiency. Its hoped to provide theoretical support for the efficient utilization of wood fiber raw materials.

Keywords：lignocellulosic material； cellulase； enzymatic efficiency

（責(zé)任編輯：陳麗卿）數(shù)字出版日期：20180608；數(shù)字出版網(wǎng)址：http：//knscnkinet/kcms/detail/112075TS201806071128002html