玉米秸稈的酶水解糖化

玉米秸桿的酶水解糖化李俊英張桂陳學(xué)武苗芳侯建革玉米秸桿的酶水解糖化摘要：玉米秸桿屬植物纖維廢料，研究玉米秸桿酶水解糖化的目的在于尋求一條玉米秸桿的合理利用新途徑，加工成食品、燃料、化工產(chǎn)品等，具有較好的發(fā)展前途。從玉米秸桿的化學(xué)結(jié)構(gòu)出發(fā)，闡述玉米秸桿酶水解、糖化的機(jī)理及研究概況，玉米秸桿所含成分復(fù)雜，需要經(jīng)過預(yù)處理，破壞其結(jié)晶性，提高水解性能，從而得以很好利用，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)鍵詞：玉米秸桿；酶水解；糖化1玉米秸桿的化學(xué)組分玉米秸桿的主要成分是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、粗蛋白和水等。1.1纖維素玉米秸桿纖維素結(jié)構(gòu)單元是由P-D葡萄糖基1,4-糖苷鍵聯(lián)結(jié)而成的線性高分子化合物。每個(gè)纖維素分子由800--1200個(gè)葡萄糖分子組成，據(jù)戈林(D.A.J.Goring)等研究，在纖維細(xì)胞中的次生壁中，微細(xì)纖維、木素、半纖維素中組分均呈不連續(xù)的層狀結(jié)構(gòu)，彼此粘結(jié)又互相間斷。微細(xì)纖維是構(gòu)成細(xì)胞壁的骨架，木素、半纖維素則是微細(xì)纖維之間的填充劑和粘結(jié)劑。纖維素分子中的葡萄糖(和其它糖)殘基的多少，或者稱之為聚合程度的高低，因植物種屬不同、時(shí)空和空間關(guān)系的變化而有變異。玉米秸桿纖維素屬于次生壁一類的纖維素分子，其平均聚合度為1000左右。其中大約30到100個(gè)纖維素分子“并肩”排列，在分子內(nèi)和分子間氫鍵作用下，形成結(jié)晶的(crystalline域類結(jié)晶的(paracrystalline)微纖絲。微纖絲的結(jié)晶區(qū)即8-1,4葡聚糖區(qū)，而中央的非結(jié)晶區(qū)則可能是甘露糖或木糖的存在部位，非結(jié)晶的或結(jié)晶程度差的表面區(qū)包圍著中央的結(jié)晶核(Crystalnucleus)〔2,3〕。從以上分析，纖維素類分子相互間以特定化學(xué)鍵相聯(lián)系，形成牢固結(jié)構(gòu)，使其難于分離。1.2半纖維素半纖維素的結(jié)構(gòu)單元是木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等以及這些糖甲基化、乙酯化單位和醛酸衍生物。半纖維素的分子量較低，聚合度小于200，且分子往往帶有支鏈。不同來源的半纖維素各種結(jié)構(gòu)單元比例不同，但木糖是玉米秸桿的主要糖、其次是阿拉伯糖。其中木糖間以8-1,4糖苷鍵連接，分支度較高。1.3木素木素是一種天然的高分子聚合物。是由苯丙基丙烷單元通過醚鍵和碳-碳鍵聯(lián)接而成、具有三維結(jié)構(gòu)的芳香族高分子化合物。玉米秸桿的木素含量為19%-23%。木素中含碳量達(dá)60%-66%，含氫5%-6.5%。木素含碳量高，含氫量低，玉米秸桿木素的分子量低，降低了木素的化學(xué)穩(wěn)定性，使玉米秸桿較易蒸煮。玉米秸桿中組分除含以上物質(zhì)外，尚含有粗蛋白、灰分、水等等。2玉米秸桿的預(yù)處理正是由于玉米秸桿組成成分復(fù)雜、穩(wěn)定，使得其生物降解難于迅速進(jìn)行。生物工作者從土壤、有病害的植物、牛胃、牛糞等分離篩選活力高的微生物，但至今也未找到能迅速降解的微生物；有人利用基因工程制造可迅速降解纖維素的菌種，也未獲得工業(yè)應(yīng)用。依據(jù)波爾屯克模型，在纖維素的微小構(gòu)成單位周圍被半纖維素，其次是木質(zhì)素層的鞘所包圍。木質(zhì)素雖對(duì)纖維素分解物質(zhì)（如酶等）反應(yīng)沒有阻礙作用，但它阻止纖維素分解物對(duì)纖維素的作用，因此人們不得不借助化學(xué)的、物理的方法來進(jìn)行預(yù)處理，使纖維素與木質(zhì)素、半纖維素等分離開；使纖維素內(nèi)部氫鍵打開，使結(jié)晶纖維素成為無定型纖維素，以及進(jìn)一步打斷部分8-1，4糖苷鍵，降低聚合度。經(jīng)預(yù)處理后，有的纖維素的酶法降解速率甚至可與淀粉水解比擬，所以盡管預(yù)處理會(huì)增加成本，但目前仍是必不可少的措施。下面我們針對(duì)預(yù)處理方法的優(yōu)劣逐一進(jìn)行討論。2.1物理法〔4〕包括球磨、壓縮球磨、爆破粉碎、冷凍粉碎、v-射線、聲波、電子射線等，均可使纖維素粉化、軟化，提高纖維素的酶解轉(zhuǎn)化率。該方法有如下特點(diǎn)：2.1.1在一般條件下，作用不明顯。如球磨粉碎纖維素后，酶解率隨纖維素的顆粒變小而略有上升;對(duì)于電子輻射，在0?100Mrad，只是引起纖維素聚合度的下降，分子量從5.98x105下降到9x103,只有大于100Mrad后，半纖維素和木素的結(jié)合層才受影響，而且羥基和羰基受破壞最大，結(jié)晶度下降。2.1.2預(yù)處理成本較高。應(yīng)用球磨48h，才可達(dá)到270目左右的細(xì)度；電子射線和v-射線均需高能射流發(fā)生儀，設(shè)備成本高、能耗大，約占糖化總能耗的50%?60%。2.1.3處理后的粉末纖維素物質(zhì)沒有脹潤(rùn)性，體積小，可以提高基質(zhì)濃度，得到較高糖濃度的糖化液。2.1.4將原料粉碎成極細(xì)的顆粒，一方面使其表面積大大增加，另一方面破壞其結(jié)晶性，以便在隨后的糖化階段中易于反應(yīng)；而爆破粉碎可以使纖維素結(jié)合層受到破壞，提高對(duì)酶作用的敏感性，大大提高可及度。例如經(jīng)高溫作用下，半纖維素發(fā)生自水解作用而可熔化，木質(zhì)素也發(fā)生部分降解，變得易被有機(jī)溶劑或稀堿抽提，此時(shí)突然減壓爆破，則破壞了植物纖維的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使纖維素酶水解糖化率提高?？傊?，經(jīng)過物理方法處理過的玉米秸桿，增加了酶對(duì)纖維素的親和性，還原糖得率明顯提高。2.2化學(xué)法化學(xué)預(yù)處理方法有無機(jī)酸、堿、有機(jī)溶劑等方法。其機(jī)理主要是有效破壞粗纖維之間的化學(xué)結(jié)構(gòu)，便于粗纖維物質(zhì)的分解和釋放，從而增加其可消化性。它有以下特點(diǎn)：2.2.1用高濃度的無機(jī)酸處理玉米秸桿，有較好的效果，可大大提高物料的酶水解率，但是半纖維素被水解成戊糖，其它產(chǎn)物多種多樣，如纖維糊精、纖維二糖、葡萄糖、葡聚糖等，產(chǎn)品得率較低，不可以被酵母消化利用。腐蝕性強(qiáng)，需要耐酸設(shè)備，成本高，并引起所得葡萄糖的分解和復(fù)合反應(yīng)，降低了產(chǎn)品的純度和得率，改用稀酸進(jìn)行處理，所得物料幾乎全部被水解成葡萄糖。但該方法存在著試劑回收、中和、洗滌等問題。2.2.2用堿法進(jìn)行預(yù)處理，使纖維素及半纖維素?fù)p失較大，收率只有50%，故應(yīng)用起來也較為困難。2.2.3有機(jī)溶劑預(yù)處理效果較好，并且易于回收，但存在著腐蝕及毒性等問題的限制。由于造成環(huán)境污染，成為阻礙其大規(guī)模應(yīng)用于預(yù)處理的主要原因。從總體看來，有機(jī)溶劑預(yù)處理有一定的發(fā)展前景，但必須尋找無毒替代物。2.3物理-化學(xué)法該方法就是將物理法與化學(xué)法有機(jī)結(jié)合，揚(yáng)長(zhǎng)避短，例如首先于試樣中加入化學(xué)試劑，然后運(yùn)用汽爆法處理樣品；或者原料經(jīng)物理法處理后，再經(jīng)化學(xué)法反應(yīng)，這樣處理后的可消化性能夠達(dá)到較高的水平。2.4生物法纖維素類物質(zhì)含木質(zhì)素、纖維素和半纖維素，纖維素有效酶解受木質(zhì)素的空間障礙和纖維素本身的結(jié)晶度和聚合度的阻礙，在一些方面有獨(dú)特之處，同時(shí)也存在困難之處。纖維素分子與酶的有效接觸、酶用量、時(shí)間都是重要的影響因素，并且隨著糖濃度的增加，水解速度變慢，因此常采用流加方法加以解決，生物法的預(yù)處理顯示了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，污染少，但玉米秸桿所含成分復(fù)雜，為了提高葡萄糖得率，在酶的選擇上必須十分慎重，除了注意酶系外，在酶催化水解時(shí)還有添加各種激活劑或其它物質(zhì)的做法，該實(shí)驗(yàn)還有待研究。3酶水解糖化過程3.1纖維素的糖化〔5〕經(jīng)過預(yù)處理的纖維素常常通過酸法或酶法來糖化°Goldstein等應(yīng)用兩種抗酸膜(20%HCl，60%H2SO4)，將纖維素物質(zhì)酸解物中的糖和酸分離，一方面獲得由纖維素降解產(chǎn)生的糖；另一方面可回收試劑。生產(chǎn)成本亦不是很高。纖維素酶法糖化中，生成纖維素降解酶系的微生物種類很多，它們分布很廣，但大量分泌纖維素酶而又便于提取的微生物種類不多，目前常用的菌種多來自木霉屬、曲霉屬和青霉屬?，F(xiàn)以承認(rèn)纖維素的降解需要一系列酶的共同作用才能完成，這些酶包括：內(nèi)切8-1,4葡聚糖酶，外切8-1,4葡聚糖酶和8-1,4葡聚糖酶，這三種酶協(xié)同作用，缺一不可。酶水解纖維素歷程分三步進(jìn)行，內(nèi)切葡聚糖酶雜亂地水解纖維素底物分子的糖苷鍵，生成小的葡聚糖；外切葡聚糖酶從其鏈端將其水解生成纖維二糖和其它更小分子的低聚糖；8-葡萄糖苷酶水解纖維二糖成為葡萄糖。纖維二糖的積累對(duì)于內(nèi)切和外切葡聚糖酶的催化作用有抑制的影響，將其水解成葡萄糖，對(duì)降低此影響是有利的。葡萄糖的積累對(duì)于8-葡萄糖苷酶的催化也有一定的抑制影響。但一個(gè)突出問題是酶的利用率較低，提高酶的利用率是關(guān)系到工業(yè)化生產(chǎn)、降低成本的關(guān)鍵。3.2半纖維素的糖化半纖維素作為玉米秸桿的重要組分，生成半纖維素降解酶系的微生物種類也很多，其降解機(jī)理與纖維素酶相比，半纖維素酶的研究落后一些，未知的東西更多，木聚糖分子比纖維素分子具有結(jié)構(gòu)多樣和組分復(fù)雜性等特點(diǎn)，因而其降解難度更大。水解木聚糖分子的酶則主要由8-1,4-木聚糖和8-木糖苷酶構(gòu)成，前者從木聚糖分子內(nèi)水解木聚糖苷鍵，形成寡聚木糖乃至木二糖和木糖，后者則從前者水解物末端釋放