假木质素及其对纤维素酶的抑制效应研究进展*

祝元晨，李琼梅，杨海艳

(西南林业大学，西南山地森林资源保育与利用教育部重点实验室，云南 昆明 650224)

在化石资源缺短、能源消耗巨大、环境问题突出的时代背景下，可再生的木质纤维生物质是生产液体燃料、化学品和材料的优良原料。生物资源成为世界各国高度重视的国家战略资源，其中生物质能的开发利用受到高度重视。生物质能是指将生物质资源转化生成的液态、固态和气态的能源产品，主要包括燃料乙醇、生物柴油、成型颗粒固体燃料、生物天然气、生物质气化和生物产氢。其中，燃料乙醇是生产技术最成熟、应用规模最大和商业化程度最高的生物燃料，它已成为替代石油、减少温室气体排放和促进农村经济的新的经济增长点，世界各国先后制定了燃料乙醇的发展规划。众所周知，一代燃料乙醇主要来自于淀粉类原料，其开发利用可能引发粮食危机。因此，来源于木质纤维的二代燃料乙醇成为的研究的焦点。在我国，每年农区秸杆和果树修枝产生的木质纤维生物质约5亿吨，林区可收集利用的枝桠材约3～5亿吨，有效地将农林剩余物转化成为生物质能源在维护国家能源安全方面具有重要意义[1]。

1 木质纤维及其预处理技术

1.1 木质纤维

木质纤维素类原料是生产燃料乙醇最主要的潜在原料，木质纤维素类原料主要包括纤维素、半纤维素和木质素三种成份。在植物细胞壁中，这三种物质紧密结合在一起，为植物提供了优良的物理性能，并抵抗着外界环境的侵袭。其中，纤维素是细胞壁中最主要的组成部分，由D-吡喃葡萄糖基以β-1,4-糖苷键相连而形成。在纤维素分子上每个葡萄糖单元含有3个游离羟基，这些羟基能与相邻葡萄糖基的羟基形成氢键，强大的氢键网络使纤维素具有不同的形态结构、刚性和溶解性。纤维素高度规则的结构使其难以被酶或化学试剂水解，因此纤维素的利用需要经过有效的预处理技术破坏其规则的结构、提高其可及度。半纤维素是自然界中含量仅次于纤维素的天然高分子聚合物，大量存在于植物细胞壁中，它不是一种均一聚糖，而是一群复合聚糖的总称。在细胞壁结构中，半纤维素嵌入纤维素的微纤丝之间，将纤维素微纤丝紧密联接在一起为细胞壁的阵列提供机械强度。原子力显微镜(AFM)观测小麦秸杆发现半纤维素垂直于纤维素微纤丝分布形成网络结构，尺寸约5～10 nm[2]。此外，半纤维素与木素之间的化学键结合对纤维素形成进一步的包裹。木质素在植物组织中具有增强植物体机械强度、辅助输导组织水分运输和抵抗不良外界环境侵袭的作用。它是由高度取代的苯基丙烷单元随机聚合而成的高分子，与纤维素和半纤维素一起形成植物细胞壁骨架。根据植物原料的不同，木质素芳香核部分主要有三种结构：愈疮木酚基丙烷(G)、紫丁香基丙烷(S)和对-羟苯基丙烷结构(H)[3]。在木质纤维的后续利用过程中，木质素将阻碍酶与纤维素的结合，且不同结构的木质素与纤维素酶之间的相互作用力不同。

1.2 预处理技术

纤维素基乙醇的生物制备过程中，可发酵糖是生产乙醇的物质基础，而物料中碳水化合物至可发酵糖的酶解转化效率受物料成份、结构等因素的影响。木质纤维生物质结构复杂具有天然的抗降解屏障，能够阻碍微生物和酶的浸入及对其有效组份的降解。因此，木质纤维原料的生物转化需有效的预处理技术减少原料的抗降解屏障、增加物料比表面积、提高物料可及度，进而提高有效组份的酶解转化效率。目前，常用的预处理技术有物理法、化学法、生物法等，其中酸性条件预处理能有效去除物料中的半纤维素组份、打破纤维素结晶结构、提高物料可及度促进纤维素的生物转化。在预处理技术中，处于酸性环境的处理技术主要包括：稀酸预处理、蒸汽爆破处理和水热处理。

稀酸处理，常用酸浓为0.1%～2.0%，需在高温高压条件下才能获得较好的处理效率，且处理效率与酸类型、酸浓度、料液比和处理温度密切相关。目前，在木质纤维生物质酸处理过程中常用的酸为：硫酸(H2SO4)、硝酸(HNO3)、盐酸(HCl)、磷酸(H3PO4)、过氧乙酸(CH3COOOH)和甲酸(HCOOH)等，其中，H2SO4催化效率较高。高温稀酸处理有利于脱除半纤维素提高纤维素水解效率，但此条件下半纤维素易降解生成木糖、甘露糖、甲酸、半乳糖、葡萄糖等单糖或低聚糖，或进一步降解生成糠酸、5-羟甲基糠醛(HMF)、甲酸和乙酰丙酸等物质[4]。

蒸汽爆破是一种物理-化学处理技术并已得到广泛应用，典型的蒸汽爆破工艺为通入热蒸汽将物料加热至160～260 ℃(相应压力约0.69～4.83 MPa)并保持数秒至数分钟后将蒸汽迅速释放降至常压。蒸汽是有效的热载体能迅速将物料加热并渗入物料空隙，经压力的瞬间释放可打破细胞壁结构。影响蒸汽爆破处理效率的主要因素有维压时间、处理温度、物料尺寸、水分含量和物料种类等。蒸汽爆破处理同样导致碳水化合物和木质素的降解。此外，为提高蒸汽爆破处理效率还添加酸性催化剂，如SO2、H2SO4和H3PO4等。

水热处理以水为介质，不添加化学试剂在高温(130～240 ℃)下以密闭条件保持相应的压力对物料处理。高压高温条件下，水发生离子化并催化降解半纤维素和部分木质素。当温度升高至150 ℃以上时，半纤维素开始溶出，乙酰基支链脱落形成乙酸使体系pH值下降，进一步催化半纤维素的降解。相比于酸性处理，水热处理过程中生成的降解产物含量较少，其类型和含量取决于处理条件和木质纤维生物质类型。此外，水热处理可打破纤维素分子间氢键、切断半纤维素和木质素部分官能团，从而提高纤维素酶水解效率。但随着处理温度的升高，碳水化合物和木质素可进一步降解并缩合。

2 假木质素及其对纤维素酶的影响

2.1 降解产物类型

在木质纤维预处理过程中半纤维素和木质素的降解不可避免，根据原料种类、预处理技术的差异，木质纤维降解产物主要分为：碳水化合物降解产物、木质素降解产物和抽出物。酸性条件下，碳水化合物降解产物主要有糖类(木糖、葡萄糖、甘露糖、低聚糖)、有机酸(甲酸、乙酸、乙酰丙酸)和呋喃类化学(糠醛和五羟甲基糠醛)等[5]；木质素降解产物有：4-羟基苯甲酸、4-羟基苯甲醛、香草醛、松柏醛、紫丁香醛、紫丁香酸、对香豆酸等。水解液中还检测到对苯二酚和邻苯二酚，这类物质可进一步氧化生成苯醌[6]。

2.2 假木质素

糖类在高温酸性条件下的反应产物分析发现，五碳糖和六碳糖降解后分别生成糠醛和五羟甲基糠醛[7]。在持续的高温酸性条件下，木糖的部分降解产物可进一步反应，生成具有芳环结构的3,8-二羟基-2-甲基色酮(3,8-dihydroxy-2-methylchromone，DMC)。六碳糖降解形成的五羟甲基糠醛呋喃环可开环再闭合可形成更为稳定的苯环结构1,2,4-苯三醇(1,2,4-benzenetriol，BTO)。现已查明，DMC和BTO是木质纤维预处理过程中形成假木质素最重要的中间产物。DMC具有羟基、酮基及苯环活性官能团可与体系中降解物质进一步反应形成大分子。BTO在H+催化作用下其芳环可迅速发生亲核取代反应，继而形成具有三维立体结构的物质；当体系中含有氧气时，BTO还可氧化聚合形成类似于聚苯结构的物质。当体系中存在二甲亚砜时可影响五羟甲基糠醛与水之间的相互作用，避免糊化生成聚苯结构的物质[8-9]。在高温酸性条件下碳水化合物降解再聚合形成的这类物质具有三维立体结构，官能团类型与木质素相似，通常称为假木质素。

高温/酸性条件的预处理技术的降解产物产量随着处理强度的加剧而增加。这类化合物在酸性高温条件下可进一步缩合生成酸不溶的化合物附着于物料表面。杨木经1% H2SO4于160 ℃处理30 min后物料表面木糖含量降低，物料中酸不溶木质素含量增加[10]。即使采用不含木质素的综纤维素为原料，稀酸处理后物料中的克拉森木质素含量依然增加[11-12]。这一现象说明，增加的克拉森木质素主要来源于碳水化合物。假木质素的形成也与预处理条件相关，杨木水热170 ℃处理1 h后在高温条件下进行固液分离时固体物料中几乎不含假木质素；而在降温后再进行固液分离时假木质素得率为1.96%[12]。X-射线电子能谱显示，绿竹综纤维素经水热处理后生成的假木质素比绿竹酶木质素具有更多的环状结构和羟基结构[13]。

2.3 假木质素对纤维酶的抑制作用

纤维素生物转化过程中纤维素酶的催化效率受物组成、料表面形态、纤维素结晶度、木质素含量和抑制物含量等诸多因素的影响。在抑制物中假木质素对纤维素酶具有抑制作用，含有假木质素的综纤维素酶水解效率低于综纤维素本身的酶水解效率，当假木质素含量达到40%时，纤维素酶水解效率下降了37.8%[14]。与木质素的抑制作用相比，假木质素的存在将使纤维素的最终转化效率降低[15]。对比研究假木质素和稀酸处理后的残余结构发现，假木质素具有较低的表面电荷、疏水性、结合能，因此假木质素对纤维素酶的抑制作用小于稀酸处理后残余木质素[16]。玉米杆经水热处理后，在物料表面形成尺寸约1 μm至100 nm圆球形固体颗粒附着于物料表面，这些圆形颗粒将阻碍酶与纤维素的结合[17]。因此，假木质素对纤维素酶的抑制作用是多种作用的结合。

3 结 语

假木质素是预处理过程中降解产物缩合而成的产物，对后续酶水解具有抑制性效应。假木质素的形成与预处理条件相关，假木质素结构将影响其对纤维素酶的抑制效应。因此，优化预处理条件减少假木质素的形成或调控假木质素结构缓解其纤维素酶抑制效应将有效提高木质纤维生物质转化效率，有助力于纤维素乙醇工业的发展。