金永燦，陳慧，吳文娟，尉慰奇

(南京林業(yè)大學(xué)，江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037)

木質(zhì)纖維原料的糖平臺(tái)技術(shù)作為一種非糧食性生物煉制過程，是目前生物質(zhì)資源科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-2]。木質(zhì)纖維原料含量豐富且可再生，通過酶水解可將木質(zhì)纖維原料中的碳水化合物降解為纖維二糖或葡萄糖，并且可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為生物燃料，如轉(zhuǎn)化成的乙醇燃料可緩解全球變暖及對(duì)石油燃料的過度依賴，是一種可持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)方式[3]。但是，由于其緊密和復(fù)雜的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)引起的物理和化學(xué)屏障，使木質(zhì)纖維素生物質(zhì)對(duì)微生物和酶促降解具有天然的頑固性。通常，即使使用較高酶載量或較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，直接進(jìn)行酶水解的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的葡聚糖轉(zhuǎn)化的理論最大產(chǎn)率也不能大于20%。因此，需要對(duì)木質(zhì)纖維原料進(jìn)行預(yù)處理，破壞木質(zhì)素的密封性，增加纖維素酶對(duì)纖維素的可及性。

自20世紀(jì)90年代以來，木質(zhì)素作為一種多酚聚合物，其對(duì)木質(zhì)纖維素酶糖化的抑制作用已被廣泛研究[4]。主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：一是物理障礙，即木質(zhì)素在空間上阻礙了纖維素酶和纖維素之間的物理接觸[5]；二是纖維素酶和木質(zhì)素之間的無效(或非生產(chǎn)性)吸附作用[6]；三是溶解的木質(zhì)素或類木質(zhì)素結(jié)構(gòu)(木質(zhì)素衍生的酚類分子)對(duì)纖維素酶的抑制作用[7]。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為前兩種作用是主要的[8]，并且這兩種作用相互依存[9]。已有大量研究闡述底物木質(zhì)素與纖維素酶的非生產(chǎn)性結(jié)合是降低纖維素酶活性的主要原因，并提出了多種預(yù)處理技術(shù)以脫除木質(zhì)纖維原料中的部分木質(zhì)素，從而增加了木質(zhì)纖維原料水解過程中纖維素酶對(duì)纖維素的可及性，進(jìn)而有效提高酶水解效率。也有相關(guān)研究表明，在酶水解體系中添加一定量的水溶性木質(zhì)素可提高預(yù)處理木質(zhì)纖維素的酶水解效率[10]。

筆者總結(jié)了近年來木質(zhì)纖維素酶水解的研究進(jìn)展，歸納了纖維素酶和木質(zhì)素之間存在的相互作用，并闡述了對(duì)水溶性木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行定向調(diào)控的方法以及水溶性木質(zhì)素對(duì)酶水解的影響機(jī)制。

1 木質(zhì)纖維素酶水解過程

1.1 木質(zhì)纖維原料的預(yù)處理

植物細(xì)胞壁是含有纖維素原纖維網(wǎng)格和復(fù)雜“基質(zhì)”聚合物的復(fù)合材料，在植物細(xì)胞壁中，木質(zhì)素的含量?jī)H低于纖維素和半纖維素，其復(fù)雜的三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)阻礙了纖維素酶在纖維素大分子上的吸附，最終影響纖維素水解成糖和其他有機(jī)化合物[4]。木質(zhì)纖維原料的預(yù)處理在生物質(zhì)精煉中起著至關(guān)重要的作用，破壞木質(zhì)纖維原料緊密的天然結(jié)構(gòu)，脫除部分半纖維素，使結(jié)構(gòu)改性的木質(zhì)素或木質(zhì)素衍生分子釋放到預(yù)處理液中，從而使纖維素易于水解以轉(zhuǎn)化為生物燃料[11-12]。目前廣泛應(yīng)用的預(yù)處理方法見表1，主要包括物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法及微生物法等。預(yù)處理溫度、pH、木質(zhì)素與纖維素的保留與脫除、預(yù)處理產(chǎn)物及這些因素的協(xié)同作用，對(duì)木質(zhì)素與纖維素酶的相互作用具有重要影響，甚至?xí)玫较嗷ッ艿慕Y(jié)果。一般而言，堿性或有機(jī)溶劑預(yù)處理對(duì)木質(zhì)素有不同程度的降解溶出作用，而酸性或蒸汽爆破預(yù)處理則主要溶解半纖維素，大部分木質(zhì)素仍然保留在纖維原料中。無論采用何種方式，總有一定量的木質(zhì)素殘留在纖維原料中，并且木質(zhì)素的分布和化學(xué)結(jié)構(gòu)均發(fā)生變化，有可能引起其對(duì)纖維素酶的非生產(chǎn)性吸附的變化。通過預(yù)處理脫除纖維原料中的部分木質(zhì)素，可有效提高底物的酶水解效率，但脫木質(zhì)素率達(dá)到一定程度后繼續(xù)脫除木質(zhì)素，由于伴隨著碳水化合物的降解，反而不利于酶水解總糖轉(zhuǎn)化的提高。

表1 木質(zhì)纖維原料的預(yù)處理方法Table 1 Pretreatment methods for lignocellulosic raw materials

1.2 木質(zhì)纖維原料的酶水解

木質(zhì)纖維素生物質(zhì)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化至關(guān)重要的步驟是通過纖維素酶將預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)水解成可發(fā)酵的單糖。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的水解方法主要有酸法水解和酶法糖化。酶水解與酸水解方法相比，反應(yīng)條件相對(duì)溫和，得到了較快的發(fā)展，但纖維素酶成本相對(duì)較高[26]。另外，底物的特征(結(jié)晶度、聚合度、纖維素的可及表面積和木質(zhì)素的含量)、纖維素酶活性和反應(yīng)條件都是影響纖維素酶可及性和水解得率的因素。

纖維素酶(cellulase)[27]是一種由多種酶組成的體系復(fù)雜的混合酶，主要由內(nèi)切酶、外切酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶組成，通過各組分之間的相互協(xié)同作用將纖維素水解成葡萄糖[28-29]。纖維素酶的結(jié)構(gòu)和水解過程見圖1[1]。

圖1 木質(zhì)纖維原料預(yù)處理及纖維素酶-木質(zhì)素相互作用[1]Fig. 1 Schematic illustration of cellulose-lignin interactions dependent on lignin alteration during lignocellulosic pretreatment

2 木質(zhì)素與纖維素酶之間的相互作用

已有大量研究闡述底物木質(zhì)素與纖維素酶的相互作用，一般認(rèn)為兩者間發(fā)生非生產(chǎn)性吸附或無效吸附[30-31]。通常認(rèn)為木質(zhì)素是酶水解的主要障礙之一。迄今為止主要提出了3種纖維素酶和木質(zhì)素之間的非共價(jià)相互作用(圖1)，即疏水作用、靜電作用和氫鍵作用，這些相互作用隨預(yù)處理后木質(zhì)素物理化學(xué)性質(zhì)的變化而變化[32]。

2.1 疏水作用

疏水作用是纖維素酶與溶解木質(zhì)素或殘余木質(zhì)素非生產(chǎn)性結(jié)合的主要特征。Palonen等[6]的研究認(rèn)為，木質(zhì)素和纖維素酶之間的非生產(chǎn)性吸附與疏水性作用有關(guān)。Qin等[33]將里氏木霉(Trichodermareesei)ATCC 26921(一種商業(yè)纖維素酶系統(tǒng))固定在硅片上，用原子力顯微鏡測(cè)量纖維素酶與木質(zhì)素非生產(chǎn)性結(jié)合中所涉及的力。使用硫酸鹽木質(zhì)素或羥丙基纖維素涂覆的原子力顯微鏡探針與固定在硅片的纖維素酶作用，比較纖維素酶和木質(zhì)素以及纖維素之間的作用力。試驗(yàn)結(jié)果表明：纖維素酶與硫酸鹽木質(zhì)素之間的黏附力比和羥丙基纖維素之間的力高45%；纖維素酶和疏水性探針之間的分子相互作用分別比具有—COOH和—OH基團(tuán)的探針的分子相互作用高13%和43%。B?rjesson等[34]則指出，與外切纖維素酶TrCel7A相比，內(nèi)切纖維素酶TrCel7B由于具有較強(qiáng)的疏水性更易與分離木質(zhì)素結(jié)合，但兩種酶的催化域與木質(zhì)素的結(jié)合程度相似。木質(zhì)素比纖維素具有更強(qiáng)的疏水性，因此根據(jù)疏水作用理論，纖維素酶更易與木質(zhì)素發(fā)生結(jié)合。Lu等[35]研究表明，纖維素酶與木質(zhì)素由于疏水作用的結(jié)合導(dǎo)致酶活的降低與纖維素酶的組分也有關(guān)，木質(zhì)素導(dǎo)致纖維素酶活性的降低主要體現(xiàn)在其與纖維二糖水解酶的結(jié)合，其次是與木聚糖酶，最后是與內(nèi)切β-1,4葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶的結(jié)合。

2.2 靜電作用

2.3 氫鍵作用

氫鍵作用更有利于解釋溶解的酚類化合物中纖維素酶的變性，幾乎所有的熱化學(xué)預(yù)處理都可以將酚類化合物從提取物(例如單寧酸)和木質(zhì)素(例如對(duì)香豆酸)中釋放到廢液中[45-47]。Michelin等[45]研究了熱水預(yù)處理蔗渣漿液的酶水解過程，結(jié)果表明：溶解的酚類物質(zhì)不但會(huì)使纖維素酶和內(nèi)切木聚糖酶失活，并且還會(huì)抑制β-葡萄糖苷酶和β-木糖苷酶的活性。木質(zhì)素衍生的酚類化合物(例如羥基肉桂酸、4-羥基苯甲酸、阿魏酸、香草酸、對(duì)香豆酸)對(duì)酶水解的抑制作用也已經(jīng)得到驗(yàn)證，并顯示出對(duì)單組分纖維素酶的敏感性不同[5,47-48]。Tian等[46]報(bào)道了在特定濃度范圍內(nèi)阿魏酸，對(duì)香豆酸和水楊酸對(duì)纖維素酶的活化作用，通過紫外光譜分析可知，加入3種酚酸后，纖維素酶的吸光度峰值顯著增加，呈現(xiàn)4～5 nm紅移，表明酚酸與酶有強(qiáng)烈的相互作用。Zhao等[49]通過研究蒸汽爆破玉米秸稈中酚酸和酚醛對(duì)纖維素酶活性的影響，表明酚類化合物對(duì)纖維素酶活性的影響至關(guān)重要，酚醛是強(qiáng)抑制劑，酚酸在特定濃度范圍內(nèi)也有輕微影響，例如2～4 g/L。蛋白質(zhì)與酚類化合物之間的相互作用通常歸因于氨基酸殘基和酚羥基之間的可逆非共價(jià)鍵和不可逆共價(jià)鍵。Tian等[46]進(jìn)行熒光分析后，結(jié)果表明水楊酸與纖維素酶為非共價(jià)相互作用，而對(duì)香豆酸和阿魏酸與纖維素酶為共價(jià)反應(yīng)。并且通過進(jìn)一步分析表明，酚酸可破壞酶的α-螺旋結(jié)構(gòu)并增加β-折疊和無規(guī)則卷曲的含量，從而降低了酶水解效率。

另外，關(guān)于纖維素酶和木質(zhì)素或木質(zhì)纖維素底物之間的氫鍵作用也被廣泛研究。Yang等[50]利用從楊木和松樹中分離的有機(jī)溶劑木質(zhì)素，研究了木質(zhì)素對(duì)纖維素酶在水解過程中的抑制作用，結(jié)果表明：酚羥基是影響木質(zhì)素抑制作用的關(guān)鍵因素，通過化學(xué)反應(yīng)(如羥丙基化)阻斷游離酚羥基可顯著降低木質(zhì)素的抑制作用。Qin等[33]通過利用原子力顯微鏡測(cè)量纖維素酶與木質(zhì)素非生產(chǎn)性結(jié)合中所涉及的力，證實(shí)氫鍵能促進(jìn)纖維素酶與木質(zhì)素的結(jié)合，但并不占主導(dǎo)地位。

3 水溶性木質(zhì)素對(duì)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)酶水解的影響

酶水解體系中的木質(zhì)素對(duì)底物的酶水解具有非常重要的影響。底物中的木質(zhì)素對(duì)纖維素酶產(chǎn)生不可逆地吸附，會(huì)降低水解體系中的有效酶活，降低酶水解效率；然而水溶性木質(zhì)素在特定條件下不僅不會(huì)對(duì)底物的酶水解產(chǎn)生阻礙作用，甚至還會(huì)有顯著的促進(jìn)作用。國(guó)內(nèi)外關(guān)于水解體系中水溶性木質(zhì)素與纖維素酶的相互作用及其對(duì)酶水解影響的研究較少，并且存在相互矛盾的觀點(diǎn)。多數(shù)研究認(rèn)為存在于水解體系中的水溶性木質(zhì)素會(huì)阻礙纖維素酶對(duì)纖維素的水解，但同時(shí)也有報(bào)道指出一定量木質(zhì)素磺酸鹽的存在有利于經(jīng)酸或堿預(yù)處理的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的酶水解[51-52]。如果水解液中存在一定量的水溶性木質(zhì)素，同樣也會(huì)吸附纖維素酶形成某種“復(fù)合物”。有學(xué)者認(rèn)為這種復(fù)合物的存在不利于纖維素的酶水解，如Sewalt等[53]發(fā)現(xiàn)將纖維素酶與只含有木質(zhì)素的底物進(jìn)行預(yù)水解，纖維素酶的酶活和蛋白濃度均降低，推測(cè)木質(zhì)素抑制酶水解的機(jī)理主要是形成了“木質(zhì)素-蛋白質(zhì)復(fù)合物”使纖維素酶失活。但Wang等[51]認(rèn)為水溶性的木質(zhì)素磺酸鹽在水解體系中與纖維素酶形成“木質(zhì)素-纖維素酶復(fù)合物”，會(huì)使底物中木質(zhì)素與纖維素酶之間的非生產(chǎn)性吸附明顯減少。

3.1 水溶性硫酸鹽木質(zhì)素

有研究發(fā)現(xiàn)，盡管酶水解體系中的底物木質(zhì)素容易吸附纖維素酶并降低木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的酶水解效率，但是水溶性木質(zhì)素在一定條件下會(huì)提高酶水解效率[54]。如將適量磺化硫酸鹽木質(zhì)素添加在酶水解體系中，在其他條件相同的情況下(酶用量)，經(jīng)綠液預(yù)處理的馬尾松酶水解總糖轉(zhuǎn)化率大幅度提高(從42%提升至75%)[55]。但是，添加水溶性木質(zhì)素后，不含木質(zhì)素的底物如漂白紙漿或微晶纖維素的酶水解效率則略有下降。這一現(xiàn)象表明，水溶性木質(zhì)素促進(jìn)底物纖維素酶水解很可能與溶解木質(zhì)素與底物木質(zhì)素對(duì)纖維素酶的“競(jìng)爭(zhēng)性”吸附有關(guān)。Nakagama等[40]認(rèn)為添加木質(zhì)素對(duì)酶水解產(chǎn)生抑制作用，其主要原因是添加的分離木質(zhì)素不溶于緩沖液，即所起的作用與底物木質(zhì)素相似；而Lou等[55]則指出添加硫酸鹽木質(zhì)素并未對(duì)酶水解產(chǎn)生明顯的抑制作用，還原糖轉(zhuǎn)化率反而略有提高，這主要是因?yàn)榱蛩猁}木質(zhì)素是由酸沉得到的，含有少量可溶的低分子量木質(zhì)素，較不溶部分及底物木質(zhì)素更易與纖維素酶結(jié)合，從而抵消了添加木質(zhì)素的不利影響。

Jiang等[56]利用來自預(yù)處理廢液中的堿性木質(zhì)素的可溶性級(jí)分(WAL)，研究了水溶性木質(zhì)素對(duì)堿預(yù)處理小麥秸稈酶水解糖化的影響。結(jié)果表明：加入一定量WAL后，預(yù)處理小麥秸稈的酶水解效率顯著提高，基于所得結(jié)果，提出了一種通過添加水溶性木質(zhì)素來改善木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的酶水解糖化新方法。因此，纖維素酶和水溶性木質(zhì)素之間的相互作用可能是底物中殘余木質(zhì)素與纖維素酶之間非生產(chǎn)性吸附減少的潛在原因，并且水溶性木質(zhì)素對(duì)酶水解的影響取決于底物木質(zhì)素的存在。郭天雨等[54]將從制漿廢液中分離的硫酸鹽木質(zhì)素(KL)進(jìn)行分級(jí)，得到可溶于水的小分子硫酸鹽木質(zhì)素KL5(pH<5的級(jí)分)，在預(yù)處理?xiàng)钅镜拿杆怏w系中添加適量的KL和KL5，發(fā)現(xiàn)KL的添加對(duì)酶水解總糖轉(zhuǎn)化率有抑制作用，而KL5可明顯提高總糖轉(zhuǎn)化率。但是，在不含木質(zhì)素的底物酶水解過程中添加水溶性木質(zhì)素，對(duì)總糖轉(zhuǎn)化率沒有促進(jìn)作用。這一現(xiàn)象說明，水溶性木質(zhì)素對(duì)底物纖維素酶水解的促進(jìn)作用很可能與水溶性木質(zhì)素和底物木質(zhì)素與纖維素酶之間存在的“競(jìng)爭(zhēng)性”吸附有關(guān)，深入解釋了木質(zhì)素分子結(jié)構(gòu)(如官能團(tuán)、結(jié)構(gòu)單元、連接鍵型等)與纖維素酶之間存在的相互作用關(guān)系，希望從根本上減少底物中的木質(zhì)素對(duì)纖維素酶的無效吸附，最終提高酶水解效率[57]。

3.2 磺化木質(zhì)素與木質(zhì)素磺酸鹽

對(duì)木質(zhì)素進(jìn)行改性獲得具有特定性能或官能團(tuán)的高聚物，促進(jìn)酶水解，實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素的全組分綜合利用是生物質(zhì)精煉的重要部分。磺化木質(zhì)素是亞硫酸鹽法制漿黑液以及堿木質(zhì)素磺化的產(chǎn)物，為線性高分子聚合物。木質(zhì)素的磺化可以增加其表面活性并減少木質(zhì)素與纖維素酶之間的疏水作用，降低木質(zhì)纖維素底物中木質(zhì)素對(duì)纖維素酶的無效吸附；線型的陰離子芳香高聚物會(huì)降低纖維素酶的活性，抑制酶水解效率的提高，但其與聚乙二醇的共聚物(AL-PEG1000)對(duì)木質(zhì)纖維素酶水解效率的提高遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聚乙二醇本身[58]。有研究指出，將一定量的表面活性劑加入到酶水解體系中，會(huì)提高纖維素酶水解的效率。近年來，一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素磺酸鹽作為陰離子表面活性劑可有效提高木質(zhì)纖維原料的酶水解效率[51,59-60]。Wang等[58]通過來自亞硫酸鈉預(yù)處理黑液中的木質(zhì)素磺酸鹽來改善木質(zhì)纖維素的酶水解，結(jié)果發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素磺酸鹽的添加能提高酶水解效率，這與木質(zhì)素和纖維素酶發(fā)生非生產(chǎn)性結(jié)合而抑制酶水解的傳統(tǒng)觀點(diǎn)相矛盾。Wang等[60]研究了磺化的硫酸鹽木質(zhì)素(SL)對(duì)經(jīng)過不同預(yù)處理后的楊木酶水解效率存在的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在酶水解體系中添加適量SL后，經(jīng)綠液和酸性亞硫酸氫鹽預(yù)處理后楊木的酶水解效率明顯提高，但對(duì)經(jīng)亞硫酸鹽-甲醛預(yù)處理后楊木的影響不大。這一研究的重要貢獻(xiàn)在于明確了磺化木質(zhì)素對(duì)酶水解的促進(jìn)作用與底物木質(zhì)素有關(guān)，見圖2。從圖2a可知，芒草、楊木和馬尾松3種原料經(jīng)綠液預(yù)處理后的木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為13.2%,22.3%和31.5%，達(dá)到最高酶水解轉(zhuǎn)化率的SL添加量分別為0.1,0.2和0.3 g(以每克底物為基準(zhǔn))；在不含木質(zhì)素的漂白化學(xué)漿及微晶纖維素的酶水解中添加SL，其酶水解轉(zhuǎn)化率幾乎恒定不變(圖2b)。研究還表明，在水解體系中添加SL能大幅度縮短經(jīng)綠液預(yù)處理馬尾松的酶水解時(shí)間(圖2c)或降低酶用量(圖2d)。

圖2 酶水解過程磺化木質(zhì)素的添加對(duì)酶解效率的影響[60]Fig. 2 Effect of the addition of sulfonated lignin on enzymatic hydrolysis efficiency

木質(zhì)纖維素全溶體系以及石英晶體微天平在纖維素酶吸附與解吸研究的應(yīng)用，為研究木質(zhì)素與纖維素酶的相互作用提供了便利[61]。Lou等[55]在水解底物中添加適量的可溶性木質(zhì)素磺酸鈉(SXP)，發(fā)現(xiàn)SXP會(huì)與木質(zhì)素發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，通過石英晶體微天平(QCM-D)分析可知，SXP不僅能提高纖維素酶對(duì)纖維素的活性,而且還能降低纖維素酶在木質(zhì)素上的非生產(chǎn)性吸附。朱楊蘇等[57]利用QCM-D研究了磺化木質(zhì)素對(duì)纖維素酶與木質(zhì)纖維素生物質(zhì)之間吸附作用的影響，表明磺化木質(zhì)素能夠促進(jìn)底物的酶水解效率。

3.3 水溶性木質(zhì)素對(duì)纖維素酶水解的促進(jìn)機(jī)理

在酶水解體系中加入可溶性的木質(zhì)素后，纖維素酶會(huì)和底物中的內(nèi)源性木質(zhì)素及加入到體系中的外源性木質(zhì)素同時(shí)作用，而木質(zhì)素與纖維素酶的相互作用受其分子結(jié)構(gòu)的影響。水溶性木質(zhì)素和纖維素酶之間發(fā)生的相互作用可有效減少酶在底物木質(zhì)素上的無效吸附，進(jìn)而提高酶水解效率。因此，水溶性木質(zhì)素在一定條件下可以提高纖維素酶水解的效率,這與水溶性木質(zhì)素和纖維素酶之間相互作用而形成的“木質(zhì)素-纖維素酶復(fù)合物”有關(guān)。與纖維素酶蛋白分子相比，水溶性木質(zhì)素的分子量相對(duì)較小，能在特定條件下與纖維素酶的吸附域結(jié)合形成溶于緩沖液的復(fù)合物，即水溶性木質(zhì)素封閉的是纖維素酶的吸附域。吸附域的封閉不利于酶與纖維素結(jié)合，因此對(duì)純纖維素底物的酶水解并沒有促進(jìn)作用，但在底物含有木質(zhì)素的條件下，極有可能是通過減少纖維素酶與底物木質(zhì)素的非生產(chǎn)性吸附，導(dǎo)致酶水解效率的顯著提升，這是水溶性木質(zhì)素促進(jìn)纖維素酶水解的關(guān)鍵機(jī)制。另外，可以通過木質(zhì)素分子結(jié)構(gòu)調(diào)控適度增加纖維素酶與外源性木質(zhì)素的相互作用，減少與內(nèi)源性木質(zhì)素的相互作用，有利于促進(jìn)纖維素的酶水解轉(zhuǎn)化，見圖3[56]。對(duì)木質(zhì)素進(jìn)行改性獲得具有特定性能或官能團(tuán)的高聚物，降低底物木質(zhì)素對(duì)纖維素酶的無效吸附是實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素的全組分綜合利用，促進(jìn)酶水解，提高木質(zhì)纖維素生物質(zhì)精煉中糖轉(zhuǎn)化效率的有效途徑。木質(zhì)素經(jīng)過磺化可以使其表面活性增加，使木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中的底物木質(zhì)素對(duì)纖維素酶的無效吸附作用減弱。盡管這些木質(zhì)素的改性方法可以進(jìn)一步提高酶水解效率，但是其作用機(jī)理尚不完全清楚，且無法實(shí)時(shí)原位觀察木質(zhì)素與纖維素酶的相互作用，因此研究木質(zhì)素與纖維素酶的作用機(jī)理是改性木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的前提。

圖3 通過添加改性的水溶性木質(zhì)素來改善酶解糖化[56]Fig. 3 A proposed process to improve the enzymatic saccharification by adding modified water-soluble lignin derivatives

4 展 望

傳統(tǒng)的理論認(rèn)為添加助劑的作用是通過封閉底物木質(zhì)素的疏水區(qū)域而降低木質(zhì)素對(duì)酶的吸附，但這一理論不能解釋已有研究中添加水溶性木質(zhì)素后預(yù)處理物料的酶水解轉(zhuǎn)化率有顯著提高這一現(xiàn)象。根據(jù)已有研究進(jìn)行假設(shè)，與酶蛋白分子比較，溶出木質(zhì)素的分子量相對(duì)較小，會(huì)在一定條件下與纖維素酶的吸附域結(jié)合，形成溶于酶水解緩沖液的復(fù)合物，即水溶性木質(zhì)素封閉的是纖維素酶的吸附域。吸附域的封閉使酶與纖維素?zé)o法結(jié)合，因此不能提高不含木質(zhì)素的純纖維素底物的酶水解效率，但在含有木質(zhì)素的底物進(jìn)行酶水解時(shí)，極有可能是通過減少纖維素酶與底物木質(zhì)素的非生產(chǎn)性吸附，導(dǎo)致酶水解效率顯著提升。這一假設(shè)也可以很好地解釋添加不溶性木質(zhì)素對(duì)酶水解產(chǎn)生的不同影響。根據(jù)已有研究基礎(chǔ)深入認(rèn)識(shí)木質(zhì)素與纖維素酶的相互作用，解譯木質(zhì)素分子結(jié)構(gòu)對(duì)其與酶蛋白相互作用的影響機(jī)制，以及這種相互作用對(duì)底物酶水解的影響，并在理論研究的基礎(chǔ)上篩選出合適的預(yù)處理和化學(xué)改性方法。對(duì)木質(zhì)纖維原料及預(yù)處理過程產(chǎn)生的廢液、殘?jiān)举|(zhì)素進(jìn)行定向分子結(jié)構(gòu)調(diào)控，并在水解體系中添加適量經(jīng)過結(jié)構(gòu)調(diào)控的改性木質(zhì)素來改變底物木質(zhì)素和纖維素酶之間的相互作用，可為選擇高效的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)預(yù)處理技術(shù)和高經(jīng)濟(jì)效益的酶水解助劑提供重要依據(jù)，對(duì)減少酶用量、降低預(yù)處理基質(zhì)的糖化成本具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。