木质素纤维范文第1篇

1发酵抑制物解除策

抑制物解除的基本策略按照处理对象的不同，可以分为3种：木质纤维素物料脱毒、抑制物耐受菌筛选和过程控制优化。

1.1木质纤维素物料脱毒木质纤维素物料脱毒是指针对酸解、碱解、汽爆等预处理后的物料，通过一定手段，去除抑制物的过程。目前木质纤维素物料脱毒策略大体上可以分为物理法、化学法和生物法预处理3大类。物理法是直接去除水解液中的有毒物质，而化学法和生物法在于将有毒物质转化为无毒物质。目前，文献已报道的物理法包括水洗法、蒸发法、吸附法、萃取法、离子交换法、电渗析法等。水洗法常用于去除汽爆预处理产生的可溶性发酵抑制物[9]。蒸发法是一种简单地去除预处理水解液中乙酸和糠醛等挥发性抑制物的方法[10]。萃取法则是利用糖类与抑制物在萃取剂中溶解性的不同，用溶剂将抑制物从发酵溶液中分离出来，如采用乙酸乙酯萃取可以去除木质纤维素水解液中56%的乙酸和所有的糠醛、香草醛和4-羟苯甲酸[11]。吸附法主要利用树脂和活性炭具有的较强的吸附能力，去除水解液中的抑制物。一般地，脱毒的效果依次为阴离子交换树脂>中性树脂>阳离子交换树脂[12]。在碱性条件下，阴离子交换树脂能有效地去除阴离子和中性抑制物。活性炭对抑制物的去除效果受抑制物性质、水解液pH、处理温度和时间以及活性炭浓度的影响[13]。电渗析是将阴阳离子交换膜交替排列于正负电极之间，用特质的隔板将其隔开，组成淡化和浓缩两个系统，在直流电源的作用下，以电位差为推动力，利用膜材料的选择透过性，把电解质从溶液中分离出来，从而实现溶质的分离、浓缩、精制和提纯。双极性膜是一种新型的离子交换复合膜。它由阳离子交换层(N型膜)和阴离子交换层(P型膜)复合而成，在直流电场的作用下将水离解，在膜两层分别得到氢离子和氢氧根离子。双极性膜电渗技术目前已经应用于酸的生产和回收工艺[14-15]。化学法主要是通过加入化学试剂使水解液中的抑制物形成沉淀或者通过调节pH使抑制物解离以去除毒性化合物的方法。目前应用最广泛的是1945年Leonard和Hajny[16]报道的过量碱法(Overliming)，即先向预水解液中加入Ca(OH)2，调节pH到9−12，使抑制物沉淀，经过离心后再向得到的上清水解液中加入稀硫酸，调节pH到5.5。生物法是指利用酶或者微生物的降解作用以达到改变抑制物结构、降低毒性的方法[17]。生物法可分为酶处理和微生物处理。由于酶具有专一性，所以酶处理只能去除特定的抑制物。漆酶对酚类化合物的去除作用是明显的，但对于乙酸、糠醛和羟甲基糠醛无去除作用[18]。灰盖鬼伞担子菌CoprinuscinereusIFO8371生产的过氧化物酶在H2O2存在的情况下，可以将香豆酸、阿魏酸、4-羟基苯甲酸、香草醛、紫丁香醛、香草酸6种化合物转化成高分子量化合物，从而提高拜氏梭菌Clostridiumbeijerinckii利用木质纤维素水解液发酵丁醇的性能[19]。微生物脱毒指的是利用丝状软腐菌Trichodermareesei等微生物，去除水解液中乙酸、糠醛和安息香酸衍生物等的方法。例如，利用丝状软腐菌处理蒸汽爆破预处理过的柳树半纤维素水解液，乙醇的产率可以提升3−4倍[20]。不同抑制物去除方法的优缺点对比见表1。

1.2抑制物耐受菌选育物理、化学或生物等脱毒方法只能部分去除纤维素水解液中的抑制物，无法完全克服抑制物对宿主细胞的毒害作用，并且生物脱毒的费用一般占到总投入的30%−40%，几乎是木质纤维素生物转化过程中投入最大的一项工序，使得诸如丁醇等发酵产物进一步降低了自己在同类产品中的竞争力[21]。因此，从发酵微生物本身出发选育高耐受的菌株，则成为解决底物抑制物问题的另一种有效方法。根据育种方式的不同，可以分为传统诱变、代谢工程和合成生物学。传统诱变是指通过一些强烈的化学诱变因子，如甲基磺酸乙酯(EMS)、亚硝基胍(NTC)、丙烯醇等，以及紫外线等物理诱变条件对出发菌进行诱变以获取抑制物耐受菌株的方法。由于单一的诱变方法具有菌种性状不稳定、突变方向随机等缺点，最近几年的研究多集中于复合诱变和菌种驯化。复合诱变是指利用多种诱变剂同时或者依次对出发菌进行处理。诱变剂的复合处理有一定的协同诱变效应，能增强诱变效果，并能将多种优良性状集中于同一菌株[22]。驯化是指让细胞长期在某一环境下生长，使其能够适应并具有良好性状的进化过程。驯化是在对机理知识理解不足的情况下获得具有目标特性菌株的有效方法。丁明珠等以酿酒酵母为出发菌种，通过紫外诱变结合驯化的方法筛选出1株对于糠醛、苯酚和乙酸都有很强耐受能力的菌株[23]。Keating等[24]利用糠醛、5-羟甲基糠醛和乙酸溶液对酿酒酵母进行驯化，得到了一株在纤维素水解液中具有良好发酵效果的酵母菌株。Liu等[25]也利用驯化的方法得到了能耐受糠醛的酵母菌株，从而实现了对纤维素水解液中糠醛抑制物的原位脱毒。分子生物学技术的发展，使得产溶剂梭菌代谢工程改造成为了可能，外源基因和调控因子的引入，使代谢工程有别与传统意义上的菌种改造。利用重组技术调控细胞中酶反应、优化代谢物的转化与转运，可以有效增强宿主细胞对于抑制物的耐受能力。杨雪雪[26]对酿酒酵母同源二倍体单基因缺失株文库进行筛选，经过初筛、复筛、验证等步骤，得到了163个糠醛抗性相关基因，并成功构造出双倍体单基因缺失株siz1/siz1，dep1/dep1，sap30/sap30和单倍体单基因缺失株siz1，dep1，sap30菌株，其对10mmol/L糠醛的抗性比各自相应的野生型菌株要高出100倍。Li等[27]利用酵母全基因组表达谱芯片，研究了酿酒酵母在转录组水平上对糠醛和醋酸的代谢响应，发现增强HMG1基因可以提高胞内糠醛的转化效率，从而增强菌体的耐受能力。Gorsich等[28]通过对酿酒酵母单基因突变体库的筛选找到62种与糠醛耐受性相关的基因。过表达其中的葡萄糖-6-磷酸脱氢酶基因ZWF1后，酿酒酵母可以在高浓度的糠醛下生长，这可能是因为过表达ZWF1使得葡萄糖-6-磷酸脱氢酶的活性增加，为糠醛还原酶或依赖NADPH的胁迫应激酶类提供了更多的还原动力(NADPH)，进而提高了菌体耐受性。目前为止，所得到的各种抑制物耐受菌大多是通过驯化或者传统诱变筛选得到的。由于抑制物对于宿主细胞的抑制机理还不明确，很难通过定向设计获得具有高耐受性的菌种。因此，深入了解水解液中抑制物与细胞的相互作用关系，揭示细胞的脱毒机制，进而定向改造菌株，是当前代谢工程亟待解决的问题。

2新型抑制物解除工艺传统预处理方法

[29-31]、菌种改造[24]等方法，对于突破木质纤维素抑制物瓶颈、实现木质素产业化生产是必不可少的[32]。但它们只专注于单一的技术突破，忽略了木质纤维素本身所具有的结构特点[33]。实际上，木质纤维素独特的组成特点，可以为我们提供新的研究思路[34]；基于此，陈洪章课题组提出了“源头降低抑制物——纤维素木质素分级转化”炼制模式，为木质纤维素的开发和利用，探索出了一条全新的工艺路线；并在此基础上，进一步提出了“原位脱毒——发酵促进剂设计技术”，它们共同组成了当前最新型的抑制物解除工艺。

2.1源头降低木质纤维素抑制物的分级转化炼制工艺木质纤维素原料具有结构复杂、不均一的多级结构。从细胞组成上，可以分为纤维状的纤维细胞和杂细胞(包括导管、薄壁细胞、表皮细胞等)。纤维细胞木质素含量较高，具有较发达的次生壁，因此厚度较大。薄壁细胞腔大、壁薄、长度短，其成分主要为纤维素[35]。由于结构和形态上的差异，这两类细胞所要求的预处理条件也是不同的[21]。纤维细胞，细胞壁木质化程度高，结构致密，受热过程中传质热阻力大，且不易被撕裂；薄壁细胞，壁薄而腔大，即有利于传质传热，有利于水蒸气闪蒸对其物理撕裂。因此，针对不同组织细胞分别优化处理条件，开发出了二段汽爆分梳技术。其具体的工艺过程如下：1)将汽爆压力控制在0.5−1.0MPa、维压1−10min，对秸秆原料进行第一段蒸汽爆理。2)通过气流分级装置，将第一段汽爆物料进行分级，得到薄壁组织和纤维组织。薄壁组织可以直接用于纤维素发酵。3)将分梳得到的纤维组织在压力为1−1.5MPa、维压时间为1−10min条件下进行二段蒸汽爆理。二段汽爆分梳工艺，不同于传统所指的二段汽爆工艺，前者采用较温和的汽爆条件进行第一段汽爆，通过气流分梳装置将第一段物料(薄壁细胞)分级，得到薄壁组织和纤维组织，再将纤维组织在适当的条件下进行第二段汽爆。该工艺可以实现纤维素组分的有效分离，即能保证纤维组织达到较好的预处理效果，提高纤维原料的酶解效果，又能避免薄壁细胞的过度降解，从源头控制了抑制物的产生，减少了脱毒单元操作的引入，简化了工艺。在二段汽爆以后，将汽爆后的秸秆渣送入1.2m3酸水解罐中，同时加入0.3%−0.5%的稀硫酸，物料和稀硫酸的体积比控制在1∶5−1∶7，在110−120℃的温度下水解0.5−1.0h，然后利用螺旋挤压机将水解液中的液体和固体分开，分别得到水解液和水解渣。水解液主要成分为非半纤维素，水解渣中主要为木质素和纤维素。继而采用2%的碱液提取残渣中的木质素，提取率可达96%，随后利用逐级酸性沉淀(pH5−2)分级木质素的方法，可以制得小于6kDa，6−10kDa，10−20kDa和大于20kDa等不同分子量范围的木质素，用于不同功能原料的开发。本课题组的研究发现，汽爆秸秆酶解液中并不存在糠醛、5-羟甲基糠醛与乙酸的抑制问题，而汽爆秸秆木质素降解物才是抑制丁醇发酵的主要原因[36]。由于从源头去除了木质素对于半纤维素和纤维素发酵的干扰，发酵液中的抑制物种类较少，浓度较低，经过简单脱毒(5%−10%的活性炭吸附室温下处理8−12h)，即可用于正常的丁醇发酵。基于以上重大技术突破，组建出与其技术相配套的自主加工的工业化装置系统，完成了年产600t秸秆丁醇中试实验。所建立的技术工艺在中国吉林省松原市成功用于“30万t/年秸秆炼制”产业化生产。该生产线将为秸秆作为工业原料生产能源、材料和化学品提供新的思路和产业化示范。该工艺有以下几个特点：1)可以从源头降低抑制物的产生，简化了操作工序，降低了预处理的成本。2)通过组分分离，保证了发酵底物的纯度，提高了溶质的传质速率和酶的接触面积，提高了发酵效率。3)实现了秸秆全组分高价化经济全利用，通过经济分摊，增加了木质纤维素的经济竞争力。本实验室所提出的“源头降低抑制物——纤维素木质素分级转化”炼制模式，为木质纤维素发酵抑制物的解除及木质纤维素开发利用提供了全新的技术路线。

2.2基于木质纤维素发酵特点的过程强化工艺从发酵微生物本身出发，通过增加发酵液殊的物质，来提高微生物细胞对抑制物的耐受能力；或者选育出能够耐受木质纤维素水解液中各种抑制物，并具有较高发酵性能的微生物，以达到脱毒的目的，这种方法通常被称为抑制物的原位脱毒。在木质纤维素发酵过程中，往往微量级别(mg/L)的“特殊物质”，就可以实现目标产物发酵效率的成倍增长，具有巨大的开发价值。这些“特殊物质”称为发酵促进剂，大多数属于电子穿梭化合物，即具有多种氧化态和还原态的物质。它们在细菌代谢过程中扮演着重要的角色。外源添加这种电子穿梭化合物，可以改变胞内的电子流向，提高电子传递速率，进而理性调控生物胞内的能量状态和生理状态，提高菌体的耐受性和目标产物的合成能力。常见的电子穿梭化合物，包括中性红、亚甲基蓝、联苄吡啶、二磺酸蒽醌、Fe(OH)3和甲基紫精等。二磺酸蒽醌常用作腐殖酸的类似物，用于研究醌类物质在电子传递中的作用。外源添加还原性的二黄酸蒽醌可以改变Clostridiumbeijerinckii的代谢模式，提高H2的产量。Fe(OH)3是最常用的氢氧化物，在厌氧发酵中是良好的电子载体；甲基紫精同铁氧化还原蛋白的电势相似，可以参与一系列生化反应过程中的电子传递过程，通过铁氧化还原蛋白-NAD还原酶增强NAD(P)+的电子流。1979年，Hongo等[37]首次提出了“电子能方法”(Electroenergizing)的概念，他们向黄色短杆菌Brevibacteriumflavum菌发酵液中添加中性红(电子载体)，发现谷氨酸的产量明显提高，而且从阴极传递的电子几乎全部被宿主细胞吸收。遗憾的是，他们并没有深入研究这些电子如何进入生化代谢途径。Yarlagadda等[38]通过外源添加甲基紫精，使得Clostridiumsp.BC1的乙醇和丁醇产量分别提高了28倍和12倍，同时菌体对于丁醇等物质的耐受性明显提升。Liu等[39]认为这些物质与胞内的NADPH/NADP+和NADH/NAD+总比例有着直接的联系，NADPH/NADP+和NADH/NAD+总比例是主导胞内代谢状态的最主要因素。生物信息数据库KEGG中包括855和1064个氧化还原反应，分别有106和88种以NAD+和NADP+为辅因子的酶催化反应(到2012年10月为止)，几乎涉及所有细胞骨架类化合物的构建(如氨基酸、脂类和核酸)。通过改变胞内NADH的水平可以实现胞内代谢流的调控，提高目标产物的产量，增强菌体的抑制物耐受性。遗憾的是，目前对于发酵促进剂的研究，主要集中于抑制物耐受机理的阐明，实验过程中多采用合成培养基，而实际生产方面的应用几乎没有开展。基于此，我们率先开展了电子载体物质、氧化还原物质与木质纤维素抑制物原位脱毒关联性的研究，利用秸秆水解液进行了实验验证，取得了良好的发酵结果；首次提出了“发酵促进剂设计技术”理念，综合运用前体工程、理论化学、计算化学和计算机辅助模拟等手段，构建出促进剂开发平台技术，为传统的发酵工艺提出了新的研究思路。其主要内容为：首先，运用组合化学手段，对已有的发酵促进剂进行归类分析，获取其决定作用的“母核”，然后运用虚拟组合库进行大通量筛选。虚拟组合库主要出自3个来源：一种是基于分子片段的直接枚举而产生的新的分子库；一种是基于反合成分析原理的片段化及重组而产生的新分子库；另一种是基于分子构象叠合和遗传算法中的杂交原理的分子重组而产生的新的分子。目前，已经成功完成了系列产品的研发，即将进行实际发酵的生产验证。

3展望

木质素纤维范文第2篇

关键词：木质纤维素水解液；抑制物；酿酒酵母

引言

我国每年产生数量庞大的固体废弃物，焚烧已成为最常见的固废处置方式，该方式不仅浪费资源，还严重影响空气质量。报道显示微生物可将生物质转化为液态、气态的燃料，具有能耗低、转化效率高和不产生二次污染等优点，因此，以生物质材料作为原材料开发新能源已受到世界范围的关注[1]。

农作物秸秆和木材废弃物在固体废弃物中占重要地位，其主要成分是木质纤维素。木质纤维素是一种典型的生物质，利用微生物代谢木质纤维素产生清洁能源已成为研究热点之一。目前，酿酒酵母产乙醇被广泛应用于木质纤维素的资源化处理工艺，其具有成本低、原料丰富等优点。在酿酒酵母利用木质纤维素发酵之前，需对木质纤维素进行预处理和糖化，此时木质纤维素中的纤维素与半纤维素等转化为可发酵糖，在纤维素与半纤维素等大分子物质的分解过程中，引入了一些小分子化合物，这些物质对发酵有抑制作用，统称为抑制物。

1 抑制物的种类及抑制作用

木质纤维素水解液中的抑制物大致分为三类：弱酸类、呋喃类和酚类化合物。弱酸类主要包括甲酸、乙酸和乙酰丙酸，弱酸会破坏细胞内外的渗透压平衡，并进入细胞内部，这部分弱酸在细胞内部进一步解离，使得细胞内环境酸化，影响细胞内部的酶促反应，最终抑制细胞的生长[2]。呋喃类抑制物主要是糠醛和HMF，这类物质对微生物中的乙醇脱氢酶、丙酮酸脱氢酶和醛脱氢酶产生抑制，减缓酿酒酵母的生长；醛类抑制物会产生细胞内活性氧，导致DNA分解，进而阻碍RNA和蛋白质的合成[3、4]。相对于其他类型抑制物，酚类抑制物的毒性更强，低浓度的酚类就可以抑制酿酒酵母的生长，研究表明，低分子量的酚类化合物对酿酒酵母生长具有更高的抑制作用[5]。

2 降低抑制物对酿酒酵母抑制作用的措施

2.1 木质纤维素水解液脱毒

发酵前对木质纤维素水解液进行脱毒是降低抑制物抑制作用的有效途径。脱毒方法主要分为物理法、化学法和生物法，物理方法包括真空干燥浓缩、蒸煮、活性炭吸附、离子交换吸附和溶剂萃取等，这些方法可将水解液中的有毒物质在不改变分子结构的前提下去除，不同处理方法的去除效率具有差异[6]。化学方法是利用各种碱性物质（如NH4OH、NaOH、Ca（OH）2等）及过量石灰法对水解液进行处理，通过化学反应改变水解液中的成分以降低抑制物毒性[7]。生物方法是利用特定酶或微生物脱毒，其中，漆酶是一种常用的脱毒酶，通过氧化聚合反应将毒性较高的小分子量酚类化合物转化为毒性较低的大分子量酚类化合物[8]。

2.2 提高酿酒酵母对抑制物的耐受性

除了减少木质纤维素水解液中的有毒物质，还可提高酿酒酵母对抑制物的耐受性，目前比较常用的方法是基因工程方法、诱变方法和驯化育种方法。基因工程方法是通过添加、敲除或高表达某一种或几种与抑制物代谢相关的基因以提高酿酒酵母对抑制物的耐受性的方法。改造基因可以直接、快速地使酿酒酵母表现出我们所期望的特性，但木质纤维素水解液中的抑制物种类繁多，基因工程方法难以使得酿酒酵母同时具有多种抑制物耐受性，且酿酒酵母的新陈代谢途径复杂，改造基因可能使得酿酒酵母失去原本的优良特性[9]。诱变方法以自然突变为依据，利用诱变剂加快酿酒酵母细胞基因突变的速度，在短时间内产生大量突型酿酒酵母，经过进一步的筛选，可获得具有抑制物耐受性的酿酒酵母，而诱变方法具有不确定性和诱变范围广等缺陷，因此需大量的诱变型细胞增加获得目标菌株的几率，且诱变剂可能损坏出发菌株原始基因，丢失优良特性。驯化育种是一种模拟自然选择的过程，根据生物和环境共同进化的规律，对微生物施与一定的选择压力，使得微生物在自然突变的基础上定向进化。驯化方法中存在的环境压力使得微生物突变具有明确方向，可在短时间内富集突变子，在长期的驯化过程中，菌株的优良性质可以在代际之间传递，增加了优良性质的稳定性[10]；驯化育种的不足之处在于菌株的突变机理尚未明确，难以通过其他手段获得该菌株。

3 结束语

木质纤维素水解液中的抑制物会影响酿酒酵母的发酵效率，降低代谢产物乙醇的浓度，因此需采取措施降低抑制物对酿酒酵母的抑制作用。将水解液脱毒与酿酒酵母改进进行对比，水解液的脱毒成本较高，不利于木质纤维素资源化利用的工业化发展，因此有必要提高酿酒酵母对抑制物的耐受性。木质纤维素水解液中抑制物的组分与原材料种类和预处理方式密切相关，不同改良酿酒酵母的方法各有其优缺点，在实际应用中可将多种方式有效结合，有利于获得具有较高耐受性的酿酒酵母。

参考文献

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木质素纤维范文第3篇

纸浆报验时通常成张大包捆扎（不论是否打孔），湿的或干的；但也有成块状、卷状或呈粉末状及粉片状的。木浆可呈棕色或白色，它可用化学品半漂白或漂白，也有的未经过漂白。木浆加工后如果进行了旨在提高其洁白度（亮度）的任何处理，均视为半漂白或漂白。纸浆除用于造纸行业外，一些纸浆（尤其是漂白浆）还可作为纤维素的原料用于制造各种产品，例如人造纤维纺织材料、塑料、清漆及炸药，也可用于加工牲口饲料。

木浆

木浆是国际贸易上最重要的纸浆，根据加工方法分为“机械木浆”、“化学木浆”、“半化学木浆”或“化学机械木浆”。制浆木材一般分为两种，一种叫针叶材，属于裸子植物，如松树、云杉、冷杉等，其质地较软；另一种叫阔叶材，属于被子植物，如杨树、白桦、椴木等，其质地较硬。针叶材的质地较软、颜色较浅、纤维较长，适宜生产优质纸浆，抄造高级纸张，故认为针叶材的质量较好。

机械木浆（归入税目4701）

机械木浆是指仅通过机械加工方法获得的木浆，机械法制浆实质上是磨浆，即在水冲刷下通过机械碾磨将已去树皮及节瘤的木材离解或碾磨成木质纤维。木材未经预蒸汽处理而碾磨生产出来的叫“白”机械木浆，其纤维脆弱易断裂。碾磨前可先将木材进行预蒸汽处理，得褐色的韧度较大的纤维。

机械木浆的主要品种有：

（1）石磨木浆，圆木或木块在常压下用磨石磨碎而得；

（2）加压石磨木浆，圆木或木块在加压磨石中磨碎而得；

（3）木片机械木浆，木片在常压下通过圆盘磨浆机制得；

（4）热压木片机械木浆，木片经高压汽蒸处理后再经过圆盘磨浆机制得。

机械木浆的优点是得浆率高，缺点是木素含量高、纤维比较短，所得产品较为脆弱。因此机械木浆通常不单独使用，一般与化学木浆混合使用，新闻纸通常就是用这种混合浆制得的。

化学木浆

化学木浆是先将木材切成木片或木粒，然后用化学品加以处理制得。经过这种处理，去除了大部分木质素和其他非纤维素物质。化学木浆分为溶解级化学木浆和非溶解级化学木浆。

（1）溶解级化学木浆（归入税目4702）

溶解级化学木浆是指温度在20℃时浸入含18%氢氧化钠的苛性碱溶液内，一小时后，按重量计含有92%及以上的不溶部分的碱木浆或硫酸盐木浆，或者含有88%及以上的不溶部分的亚硫酸盐木浆。对于亚硫酸盐木浆，按重量计灰分含量不得超过0.15%。

常用的化学品有氢氧化钠（“烧碱”法）、氢氧化钠与部分转化为硫化钠的硫酸钠的混合物（“硫酸盐”法）、亚硫酸氢钙或亚硫酸氢镁（“亚硫酸盐”法）。

溶解级化学木浆较用同样原料制得的机械木浆纤维要长，纤维素要多。这种木浆经专门精制或提纯以适应其用途的需要。它被用来制造再生纤维素、纤维素醚和纤维素酯，以及这些材料的产品，例如板、片、膜、箔、带、纺织纤维和特种纸张（例如感光纸、滤纸和植物羊皮纸的纸基）。按其最终用途或最终产品，也被称为粘胶纸浆、醋酸纤维纸浆等。

（2）非溶解级化学木浆

①碱木浆或硫酸盐木浆(归入税目4703)

碱木浆或硫酸盐木浆是用强碱溶液蒸煮通常为木片状的木材制得。碱木浆用的煮液是氢氧化钠溶液；硫酸盐木浆用的煮液是经改性的氢氧化钠溶液。因为在调制煮液的过程中使用了部分转化为硫化钠的硫酸钠，所以制得的木浆称为“硫酸盐”木浆。硫酸盐木浆用于生产吸水产品以及需具有高抗撕裂度、抗张强度和耐破度的纸和纸板。

注意：“绒毛浆”是硫酸盐木浆中的代表品种。绒毛浆是一种由木纤维制成的纸浆，而非用棉短绒制成的纸浆。可通过化学或化学机械方法制造，用做绒毛浆的木浆包括硫酸盐木浆、亚硫酸盐木浆和漂白的化学热磨机械浆。绒毛浆的特点是吸液性能好，主要应用于妇女卫生产品、婴儿纸尿裤及无尘纸、非织造布等一次性卫生产品。 通过化学法制得的绒毛浆相对纯度较高，吸液性能较好，是最好的绒毛浆。国际贸易中常见的绒毛浆多为硫酸盐木浆，且绒毛浆均为漂白木浆，根据其纤维组成和加工方法一般归入4703.2100或4703.2900，而不应归入4706.1000（棉短绒纸浆）。

②亚硫酸盐木浆（归入税目4704）

用亚硫酸盐和亚硫酸氢盐制得的木浆称为亚硫酸盐木浆，常用制浆化学品有亚硫酸氢钙、亚硫酸氢镁、亚硫酸氢钠、亚硫酸氢铵，这些化学品可在调制煮液的过程中使用。这种制浆法广泛应用于处理云杉纤维。

这种木浆可单独使用或与其他纸浆混合使用，用于制造各种书写或印刷纸张，也用于制造防油纸或高光泽透明纸。

通过机械和化学联合制浆法制得的木浆（归入税目4705）

这类木浆又分别称为半化学木浆、化学机械木浆。

半化学木浆是经两种工艺处理制得，首先将通常为木片状的木材在浸煮器中用化学方法软化处理，然后再进行机械磨浆。这种木浆含有大量杂质和木质物质，主要用于制造中等质量的纸。半化学木浆一般又被称为半化学中性亚硫酸盐纸浆、半化学亚硫酸氢盐纸浆或半化学牛皮纸浆。

化学机械木浆是将木材碎片、刨花、锯末或类似品在磨浆机中通过摩擦作用磨成纤维状。为便于溶解纤维，在磨浆时或作为预处理加入了少量的化学品。也可对木材在不同压力和温度下，进行不同时间的蒸煮处理。根据生产时所采用的复合工艺及各道工艺的次序不同，化学机械木浆又称为化学热压机械木浆、化学木片机械木浆或热压化学机械木浆。化学机械木浆主要用于生产新闻纸、薄棉纸及图表纸。

其他纤维状纤维素浆

除木浆外，棉短绒、稻草、针茅、亚麻、苎麻、黄麻、大麻、西沙尔麻、甘蔗渣、竹子及各种草及芦苇也都是传统的造纸原料。

棉短绒纸浆（归入税号4706.1000）

棉短绒纸浆是用纺织行业不具有可纺性的通常长度不超过5毫米的棉短绒（归入税目1404，一般用于生产人造纤维、火药或造纸）制成。

其他纤维状纤维素浆（归入税目4706）

（1）机械法制其他纤维状纤维素浆归入税号4706.9100。

（2）化学法制其他纤维状纤维素浆归入税号4706.9200。

（3）机械化学法制其他纤维状纤维素浆归入税号4706.9300。

从回收（废碎）纸或纸板提取的纤维浆（归入税号4706.2000）

这类纸浆报验时通常为压打成包的干燥片状，由不同成分的纤维素纤维混合组成，可经漂白或未漂白。这些纸浆是通过清洁、筛分及精化等一系列机械或化学工序制得，根据所用原材料和加工程度的不同，纸浆中会含有少量的油墨、粘土、淀粉、聚合物涂料或明胶等残余物质。

回收（废碎）纸或纸板（归入税目4707）

回收（废碎）纸或纸板包括削、切、剪、撕的废纸及纸板、旧报纸和旧杂志、校样、报废印刷品及类似废品，也包括纸和纸板的碎料。这些废碎品报验时一般压打成包，通常用于制造纸浆，根据原纸品的种类及纸浆成分的不同归入税目4707项下的不同税号。必须注意，即使这些废碎品用于制浆以外的其他方面（例如，包装），也仍归入税目4707项下。但是纸丝（即使是以废纸制成），也不归入税目4707，而应归入税目4823（其他纸制品）项下；用于回收贵金属的含贵金属或贵金属化合物的废碎纸或纸板归入税目7112（含有贵金属或贵金属化合物的废碎料，主要用于回收贵金属）项下。

背景资料

木质素纤维范文第4篇

关键词：麦草；预处理；组分；溶解性能

中图分类号：X712 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）01-0033-05

Changes of Components and Dissolution Performance of Wheat Straw after Pretreated with Different Methods

YU Ji，YE Ju-di，LI Xiao-bao，ZHAI Shu-jin，SU Meng，YAN Wei，HONG Jian-guo

（School of Chemical Engineering， Nanjing Forestry University，Nanjing 210037， China）

Abstract： Wheat straw was pretreated in solution of sodium hydroxide， sulphuric acid and 1，2-ethylenediamine. The changes of components and structure of different solution were investigated. The change of crystallinity was characterized by X-ray diffraction. Results showed that wheat straw pretreated in solution of sodium hydroxide-sulphuric acid had the most decrease of crystallinity. Pretreated wheat straw can dissolve in NaOH/urea/thiourea aqueous solution. The dissolving property of wheat straw pretreated was compared. Results showed that wheat straw pretreated in solution of sodium hydroxide-sulphuric acid had the best ability of dissolution.

Key words： wheat straw； pretreatment； components； dissolution performance

收稿日期：2013-05-10

基金项目：国家公益性行业（林业）科研专项（201204803）；江苏高校优势学科建设工程资助项目

作者简介：虞 霁（1987-），男，江苏丹阳人，在读硕士研究生，研究方向为废弃物处理与资源化利用，（电话）15380924672（电子信箱）

；通讯作者，洪建国，男，教授，博士生导师，主要从事废弃物资源化利用研究，（电子信箱）.cn。

作为自然界中含量丰富的可再生资源，木质纤维的研究和应用长期以来受到研究者广泛的关注。木质纤维主要由纤维素、半纤维素和木质素三部分组成。然而，由于分子间与分子内氢键的大量存在，并且具有晶区和非晶区共存的复杂结构，木质纤维很难溶于水和普通的有机溶剂，这大大限制了木质纤维的工业应用[1]。氢氧化钠/硫脲/尿素/水溶液体系被认为是纤维素的良好溶剂，具有溶解性能稳定和溶剂易回收的优点，因此，可以将氢氧化钠/硫脲/尿素/水溶液体系应用于木质纤维的溶解上[2，3]。但是，由于木质纤维的复杂结构，使得纤维素、半纤维素、木质素之间的连接很难被打破，不易被溶剂所触及，因此，需要在溶解之前进行一定的预处理。木质纤维的预处理方法主要有物理法、化学法和生物法。物理法主要是机械粉碎，可通过切、碾、磨等工艺使生物质原料的粒度变小，增加和试剂接触的表面积，除此之外，还包括高能电子辐射处理、微波和超声波处理、蒸汽爆破技术等[4]。化学法主要包括氢氧化钠溶液润胀、稀酸预处理、液氨预处理等[5]。生物法是利用分解木质素的微生物除去木质素以解除其对纤维素的包裹作用，能耗低，操作简单，不污染环境，但其处理周期长，效率不高[6]。因此，采用乙二胺、氢氧化钠和硫酸等对麦草进行预处理，研究了预处理后麦草组分和结构变化及预处理对麦草在氢氧化钠/硫脲/尿素/水溶液体系中溶解性能的影响，以期提高麦草的处理效率。

1 材料与方法

1.1 材料

麦草（来自安徽泗县，粉碎后过100目筛，在105 ℃鼓风干燥箱中烘干后备用。麦草的总纤维素含量58.57%，木质素含量30.98%，灰分含量10.45%）；氢氧化钠、无水乙二胺、硫酸、硫脲、尿素等均为分析纯。

D/max 2500型X射线衍射仪（采用CuKα射线，Ni滤波，λ=1.540 56×10-10m，扫描范围2θ=6.0°～40.0°）。

1.2 方法

1.2.1 麦草的预处理

1）氢氧化钠处理法。20 g麦草在200 g质量分数为5%的氢氧化钠溶液中室温搅拌24 h后，用大量去离子水洗涤至中性，在105 ℃鼓风干燥箱中烘干，计算损失率，备用。

损失率=

■×100%

2）乙二胺处理法。20 g麦草在200 g质量分数为75%的乙二胺中室温搅拌4 h，用大量去离子水洗涤至中性，在105 ℃鼓风干燥箱中烘干，计算损失率，备用。

3）硫酸处理法。20 g麦草加入到100 g一定质量分数的硫酸溶液中，煮至沸腾后一定时间，然后用大量去离子水洗涤至中性，在105 ℃鼓风干燥箱中烘干，计算损失率，备用。

4）氢氧化钠-硫酸处理法。20 g麦草在200 g质量分数为5%的氢氧化钠溶液中室温搅拌24 h后，用大量去离子水洗涤至中性，在105 ℃鼓风干燥箱中烘干，加入到100 g质量分数为1%的硫酸溶液中煮至沸腾后一定时间，用大量去离子水洗涤至中性，在105 ℃鼓风干燥箱中烘干，计算损失率，备用。

5）微波处理法。20 g麦草加入到装有155 g水的烧杯中，进行微波处理一定时间后，加入氢氧化钠、尿素、硫脲进行溶解。

6）超声波处理法。20 g麦草加入到装有155 g水的烧杯中，将烧杯放入超声仪中处理一定时间后，加入氢氧化钠、尿素、硫脲进行溶解。

1.2.2 麦草的溶解 将2 g处理后的麦草和200 g氢氧化钠/尿素/硫脲/水（质量比为8.0∶6.5∶8.0∶77.5）的溶液置于冰箱中预冷冻15 min，加入锥形瓶中混合均匀，置于-6 ℃恒温循环器中搅拌3 h后离心分离，上清液用大量去离子水将纤维素析出，残渣部分用大量去离子水洗涤至中性，在105 ℃鼓风干燥箱中烘干并称重，得到残渣质量。计算残渣的质量占未处理前麦草质量的比例并分析[7]。

残渣的剩余率=■×100%

1.2.3 分析方法 总纤维素采用GB/T 2677.10-1995中的方法测定，木质素采用GB/T 2677.8-1994中的方法测定，灰分采用GB/T 2677.3-1993中的方法测定，X射线衍射：D/max 2500型X射线衍射仪（采用CuKα射线，Ni滤波，λ=1.540 56×10-10m，扫描范围2θ=6.0°～40.0°）。

2 结果与分析

2.1 不同预处理方法对麦草组分的影响

2.1.1 碱处理对麦草组分的影响 麦草中总纤维素、木质素以及灰分的质量分数的变化可以反映出其组分的变化。采用5%NaOH和75%乙二胺作为碱处理剂，考察氢氧化钠与乙二胺对麦草组分的影响。碱处理前后麦草各组分的质量分数见表1。由表1可知，通过对未预处理的麦草与碱处理后麦草中总纤维素、木质素以及灰分质量分数的比较发现，碱处理后的麦草总纤维素的质量分数大大提高，而木质素与灰分的质量分数则下降。这是因为碱处理可以有效地去除秸秆外层的果胶、蜡质等物质，而且木质素溶于碱，使得木质素的质量分数降低，同时碱处理可以去除一部分灰分，所以总纤维素的质量分数明显增加。

2.1.2 酸处理对麦草组分的影响 采用硫酸处理麦草，考察了酸处理对麦草各组分的影响。硫酸处理前后麦草各组分的质量分数见表2。由表2可知，通过对未预处理的麦草与酸处理后麦草中总纤维素、木质素以及灰分质量分数的比较发现，酸处理后的麦草总纤维素的质量分数有所升高，而木质素的质量分数略有提高，灰分的质量分数则相对下降；相同硫酸浓度条件下，总纤维素的质量分数随着煮沸时间的增加保持不变或略有降低，而木质素与灰分的质量分数保持不变或略有提高。由此可知，硫酸处理可以提高麦草总纤维素和木质素的质量分数，但是质量分数的增幅均很小。这是因为纤维素被木质素和半纤维素包裹起来形成致密结构，且外层还有果胶、蜡质等物质，硫酸虽然去除了一小部分的半纤维素和木质素，但因为去除的量较少，造成的影响并不明显；同时，硫酸与麦草中一些小分子物质反应，将这些包裹在的小分子物质去除，使得总纤维素和木质素的质量分数有所增加。

2.1.3 先碱后酸处理对麦草组分的影响 先采用5%氢氧化钠室温搅拌处理24 h后再用1%硫酸煮沸麦草，考察了先碱后酸处理对麦草各组分的影响。处理前后麦草各组分的质量分数见表3。由表3可知，通过对未预处理的麦草、5%氢氧化钠室温搅拌24 h后的麦草和先碱后酸处理的麦草中总纤维素、木质素以及灰分质量分数的比较发现，相对于未处理的麦草而言，先碱后酸处理的麦草，总纤维素的质量分数有所升高但幅度不大，木质素的质量分数升高，灰分的质量分数降低；相对于5%氢氧化钠室温搅拌24 h后的麦草而言，总纤维素的质量分数下降幅度较大，木质素的质量分数大幅度升高，灰分的质量分数略有升高；随着1%硫酸煮沸时间的增加，先碱后酸处理后的麦草的总纤维素、木质素、灰分质量分数变化不大。这是因为先碱后酸处理可以将部分纤维素、半纤维素降解，使得总纤维素的含量相对于碱处理下降，并且先碱后酸处理可以使被降解的木质素缩聚重新生成木质素，因此木质素的质量分数相对于碱处理反而大幅度增加[8]。

2.2 预处理后麦草在氢氧化钠/尿素/硫脲/水的溶液体系中的溶解性能

由于不同预处理方式对麦草组分及结构的影响，会导致麦草中总纤维素、木质素以及灰分的质量分数不同，从而影响了预处理后麦草在氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液体系中的溶解性能。图1是各种预处理麦草的损失率及其在氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液体系中溶解后残渣的剩余率。

溶解性能可用溶解率表示，溶解率一般是以溶解后减少的质量来计算的，严格来讲应该是总损失率，未经处理原料中的小分子物质等均计入在内。处理过的原料中的小分子物质已基本去除，特别是碱预处理的原料，因为碱能溶解木质素，碱预处理时麦草中木质素有较多量溶解至碱液中，再用氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液溶解时溶解率就不如未处理原料。因此，以残渣剩余率来考察各种预处理对麦草在氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液中的溶解效果，即残渣剩余率越大，溶解效果越差。

由图1可知，各种预处理麦草在氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液体系中溶解后残渣的剩余率均有差异。原料、微波以及超声波处理的麦草在氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液体系中溶解后残渣的剩余情况基本相同，先碱后酸处理麦草溶解后的残渣量最少，总损失率为74.00%，减去预处理时损失率56.05%，在氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液体系中溶解率为原料的17.95%，而碱处理和酸处理后溶解的溶解率分别为17.28%和42.81%。仅从溶解率来看，用酸预处理后的麦草在氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液体系中的溶解率更高。但从溶解后滤液析出情况来看，原料、碱处理、酸处理、微波以及超声波处理的麦草溶解后滤液均无析出物。文献报道氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液体系主要用来快速溶解纤维素，溶解后滤液加大量水后可以析出纤维素[9]。试验中滤液无析出物的原因可能有：第一，麦草在氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液体系中的溶解以小分子和木质素为主，纤维素未溶解；第二，体系中溶解了纤维素，但溶解的纤维素发生了降解。对预处理前后麦草及溶解后残渣组分进行测定，分析溶解前后各组分的变化，可以帮助分析其真正的原因。由分析可知，有大部分木质素以及近50%的总纤维素溶解在体系中，但滤液无析出物。这是因为总纤维素中包含了纤维素和半纤维素，溶解的应以半纤维素居多，纤维素溶解较少，且溶解的纤维素可能降解为低分子物质而无法析出。同样计算分析可知，未处理、碱处理、酸处理、微波及超声波处理麦草中均是溶解了小分子物质、木质素、半纤维素和少量的纤维素，但纤维素以降解为主。超声波和微波预处理虽然对溶解体系的残渣剩余率影响不大，但从残渣组分看，跟未处理原料相比，促进了木质素在体系中的溶解。碱处理麦草在预处理过程中去除了大部分的木质素，因此在复合溶剂中木质素的溶解相对较少。

各预处理麦草溶解后残渣中各组分的质量分数见表4。由表4可知，对于先碱后酸处理，1 g麦草经处理后得到0.439 5 g麦草，溶解前麦草中总纤维素、木质素、灰分的含量分别为0.264 1、0.158 0、0.017 7 g；溶解后麦草残渣中总纤维素、木质素、灰分的含量分别为0.105 6、0.146 0、0.008 3 g。所以，先碱后酸处理后的麦草样品中大部分总纤维素可以溶解在氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液体系中，而溶解的木质素量很少。在预处理过程中，半纤维素已基本溶解在5% NaOH中，剩下的总纤维素以纤维素为主，所以溶解后减少的总纤维素主要就是纤维素。离心后滤液加入大量水后有较多白色析出物这一现象也证明了这一点。这可能是因为碱处理后打开了木质素与纤维素之间的链接，溶解了大量的半纤维素木质素、小分子物质，使纤维素能溶于复合溶剂体系中。

因此，通过比较几种预处理麦草在氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液体系中的溶解性能，可以发现先碱后酸处理的麦草再在该体系中溶解总的效果最好，物理预处理麦草在该体系中的溶解效果不明显。

2.3 预处理前后麦草、溶解后残渣和析出物的结构变化

麦草经过预处理后，其化学组分发生了很大的变化，预处理后麦草的X射线衍射图谱也发生了改变。未经处理和预处理后的麦草秸秆纤维素的X射线衍射图谱如图2所示。由图2可知，所有样品的XRD图谱均显示出结晶区纤维素的结晶衍射峰，在2θ=34.8°处的衍射峰都较弱。经化学处理后，2θ=16.5°和2θ=22.5°处的结晶衍射峰得到显著加强。而且，与未经处理的麦草相比，峰形变得更尖。结果表明，麦草经化学处理后能降低其他无定型物质的含量。这意味着经化学处理后得到了纯度更高的麦草纤维素[10]。

由溶解后残渣的XRD谱图可知，经溶解后，2θ=16.5°处的结晶衍射峰基本消失，2θ=22.5°处的结晶衍射峰显著加强，这表明麦草经过溶解后的残渣，其麦草纤维素的结晶度下降，形态正由纤维素Ⅰ向纤维素Ⅱ转化。由析出物的XRD谱图可知，滤液经加水析出所得的纤维素2θ=16.5°和2θ=34.8°处的衍射峰都基本消失，2θ=22.5°处的结晶衍射峰明显减弱，这意味着，经水析出的纤维素结晶度下降，纤维素形态由纤维素Ⅰ转化为纤维素Ⅱ，由平行链转化为反平行链堆砌结构，微晶取向基本保持不变，结晶度降低[11]。

3 结论

1）对麦草采用碱、酸、先碱后酸预处理，对处理前后的麦草秸秆组分进行了分析。结果表明，酸、碱化学处理方法能有效去除麦草秸秆纤维中的半纤维素、木质素和小分子物质，处理后的麦草秸秆总纤维素的含量得到提高。

2）不同的预处理方法会使麦草秸秆纤维结构发生不同变化，对其在氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液体系中的溶解性能也会产生不同的影响。未处理、碱处理、酸处理、微波及超声波处理麦草在氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液体系中均以半纤维素、木质素和小分子物质溶解为主，纤维素的溶解以降解为主；先碱后酸处理的麦草再在该体系中溶解总的效果最好；物理预处理麦草在该体系中的溶解效果不明显。

3）由X射线衍射图谱可知，麦草纤维经化学处理后能降低其他无定型物质的含量。溶解后残渣的纤维素晶型在发生转变，滤液经水析出的纤维素结晶度很小，纤维素形态由纤维素Ⅰ转化为纤维素Ⅱ。

参考文献：

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[4] 朱跃钊，卢定强，万红贵，等.木质纤维素预处理技术研究进展[J].生物加工过程，2004，2（4）：11-16.

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[8] MOSIER N，WYMAN C，DALE B，et al. Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass[J]. Bioresource Technology，2005，96（6）：673-686.

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木质素纤维范文第5篇

（三峡大学，a．材料与化工学院；b．生物与制药学院；c．新能源研究院，湖北 宜昌443002）

摘要：以汽爆秸秆为底物，分别考察添加Fe2＋、Mg2＋、Cu2＋和Fe3＋四种金属离子对纤维素酶解性能的影响。结果表明，金属离子的种类、用量均会影响纤维素的酶解效率。其中Fe2＋、Cu2＋对纤维素降解有促进作用，当Fe2＋浓度为0．6 mg／mL时，对纤维素降解促进作用最明显。Mg2＋和Fe3＋则会抑制纤维素酶解。考察了纤维素酶在水解过程中的吸附过程，添加Fe2＋可加快纤维素酶的吸附，促进纤维素酶与纤维素的有效结合。

关键词 ：纤维素酶；金属离子；水解；激活；吸附

中图分类号：Q814．9文献标识码：A文章编号：0439－8114（2015）03－0546-04

纤维素是一种可再生资源，它来源于农业废弃物如稻草、稻壳、麦秆等，木材废弃物如木屑、树皮以及城市废弃物等。全国每年仅农作物秸秆约有7亿t，其中作为农村燃料消耗2亿t。若将其余5亿t用来生产纤维素乙醇，可产乙醇7 000万t，若再加上木材工业下脚料、制糖造纸工业下脚料和城市废纤维垃圾等，纤维素乙醇的生产原料非常丰富，生产潜力巨大。目前，生物乙醇主要用于制备乙醇汽油。生物乙醇还将广泛应用于燃料电池市场，作为燃料电池动力的主要来源。此外，乙醇是生产乙烯的理想原料，随着石油资源的枯竭，乙醇必将代替石油成为乙烯工业的主要原料，在化学合成工业上发挥巨大的作用。因此，无论从短期的燃料市场来看，还是从长期的化纤合成工业来分析，生物乙醇都将拥有广阔的市场前景，是发展潜力巨大的绿色能源［1－3］。

木质纤维素水解是纤维素乙醇的关键技术之一。利用纤维素酶进行纤维素水解，可以避免酸水解工艺的高温高压苛刻条件，也可以防止对生产设备的腐蚀，但其缺点是反应速度慢、生产周期长、酶成本高。因此，设法提高纤维素酶的活力可以提高转化率，降低生产成本。目前报道较多的金属离子对纤维素酶的影响基本都采用游离酶作为考察对象，没有涉及到反应体系中的酶，对实际应用意义不大［4－8］。本研究考察纤维素水解过程中金属离子的调控效应，以期提高纤维素酶的利用率。

1材料与方法

1．1材料

汽爆秸秆由三峡大学材料与化工学院实验室提供。

1．2方法

1．2．1汽爆秸秆的处理用80 ℃左右的热水蒸煮汽爆秸秆，洗去其中含有的糠醛等杂质，将滤渣收集并烘干，用研钵研碎并过40目筛。处理完成后，用密封袋贮藏。

1．2．2金属离子对汽爆秸秆水解的影响准确称取过筛后汽爆秸秆渣10 g和0．35 g纤维素酶置于250 mL锥形瓶中，加入100 mL pH 4．8的乙酸－乙酸钠缓冲液充分搅拌，添加不同种类、浓度的金属离子，于50 ℃恒温振荡水浴48 h，测还原糖含量，计算水解率。

1．2．3金属离子对酶与底物吸附的影响每隔0、5、10、15、30、60、90 min吸取水解液2 mL于离心管中，10 000 r／min离心5 min。取上清液适当稀释后测蛋白质含量。溶液中初始蛋白质含量与滤液中蛋白质含量之差即为吸附的蛋白质含量。

1．2．4测定方法还原糖的测定采用DNS法［9］。纤维素酶活性测定采用滤纸酶活法［10］，即pH 4．8、50 ℃下1 g固体酶1 h内水解滤纸生成1 mg的葡萄糖为一个滤纸酶活单位（FPA）。蛋白质含量测定采用考马斯亮蓝法［8］。所有的数据测定做2个平行样，取平均值。纤维素结构测定：将水解48 h后的水解液抽滤，收集滤渣，置于烘箱中干燥。干燥后用密封袋储存样品，待进行红外光谱检测。红外分析采用KBr压片法， 扫描范围4 000 ～400 cm－1。

2结果与分析

2．1Fe3＋、Mg2＋对汽爆秸秆酶解的影响

由图1、图2可知，在Fe3＋、Mg2＋浓度分别为0．4 、0．8 、1．2 、1．6 mg／mL的情况下，随着水解时间的增加，汽爆秸秆的水解率逐渐增大，在相同的水解时间里，与对照组相比，加入Fe3＋、Mg2＋的浓度越大，水解率越低。这说明Fe3＋、Mg2＋对纤维素酶解有抑制作用，且随金属离子浓度的增大，抑制作用越明显。Fe3＋的抑制作用可能是由于Fe3＋的存在不利于底物与酶的活性中心相结合；Mg2＋的抑制机理与Fe3＋的抑制机理相似［11－12］。

2．2Fe2＋对汽爆秸秆酶解的影响

如图3所示，随水解时间增加，汽爆秸秆的水解率逐渐增大，在相同的水解时间里，与对照组相比，当加入Fe2＋浓度为0．2 mg／mL时，其水解率较低，当加入Fe2＋浓度为0．4、0．6 mg／mL时，水解率增大，且0．6 mg／mL Fe2＋对汽爆秸秆的水解促进作用最强，当Fe2＋浓度继续增大到1．0 mg／mL，水解率反而降低。这种现象可能是由于当Fe2+浓度较低时，Fe2+在酶与底物之间起了连桥作用，形成了E－M－S复合物。从而更有利于底物与酶的活性中心必需基团的结合，因而使酶活力得到提高。而当离子浓度过高时，激活作用逐渐减弱，甚至呈现抑制作用。

2．3Cu2＋对汽爆秸秆酶解的影响

如图4所示，与对照组相比，在水解相同的时间里，当加入Cu2＋浓度为0．2、0．6、1.0 mg/mL时，水解率都有所增加，其中Cu2＋浓度为0．6 mg/mL时，水解率增加最大，而当Cu2＋浓度增加为1．4 mg/mL，水解率变化不大，若Cu2＋浓度继续增大，可能会抑制纤维素水解。低浓度的Cu2＋对酶解过程的促进作用可能是由于Cu2＋的存在更有利于底物与酶的活性中心相结合，从而使酶活力得到提高，水解率也相应增大。而当其浓度增大到一定值，由于Cu2＋的重金属作用，使蛋白质变性，酶逐渐失活，对酶解过程产生抑制作用。

2．4金属离子对纤维素酶吸附的影响

纤维素的酶水解是固液非均相反应，纤维素酶首先扩散到底物纤维素的表面被吸附，然后将纤维素水解为可发酵糖［13］。纤维素酶的吸附存在平衡状态，即吸附达到一定程度后，吸附量达到饱和。研究表明，纤维素酶在纤维上的吸附平衡时间约30～60 min［14，15］。因此，纤维素酶对纤维素的可及性是决定水解起始速率的关键因素。为探讨金属离子对纤维素降解的影响机制，比较加入金属离子后对纤维素酶吸附的影响情况。水解过程中反应体系内蛋白质含量测定结果如图5所示。由图5可见，随着纤维素水解反应的进行，水解液中蛋白质含量先增大后逐渐减小，在30 min后水解液中蛋白质含量几乎不变。这表明在反应刚开始阶段，由于汽爆秸秆中原含有一定量的蛋白质，随着振荡，这些蛋白质逐渐溶解到反应液中，使得水解液蛋白质含量增加，而之后蛋白质含量又迅速下降，这表明纤维素酶开始吸附到纤维素中，到30 min左右达到吸附平衡。添加Fe2+后，加快了纤维素酶的吸附速度，使纤维素酶易于吸附到纤维素中，这也与加入0．6 mg／mL Fe2＋能够提高汽爆秸秆水解率的结果相符，说明Fe2+可以促进底物与酶的结合。

2．5不同水解条件下纤维素结构变化

由以上的研究了解到Fe2＋对纤维素水解有一定的促进作用。采用有机溶剂处理的方法脱除汽爆秸秆的木质素，然后添加Fe2＋，发现其水解率可以达到46．6％。分别将汽爆秸秆、汽爆秸秆添加Fe2＋和脱木质素的汽爆秸秆添加Fe2＋水解以后得到的残渣进行红外光谱分析，得到的图谱如图6。图谱B、C与A比较可知，3 350 cm－1、2 906 cm－1处的振动峰增强，说明有更多的纤维素的β－1，4葡萄糖苷键断裂，降解为还原糖，与水解率研究的结果一致，添加Fe2＋对于纤维素和脱除木质素的纤维素的水解都有促进作用。不同处理条件下，纤维素样品的红外光谱图相似，只是部分吸收峰的强度发生了变化，证明没有新的化学结构和功能性基团生成，试样的主体化学结构没有明显变化。有文献［16－18］表明，纤维素酶的吸附与木质素有关，从红外图谱C上得知，木质素特征吸收峰（1 505 cm-1）减弱较明显，木质素被脱除，但添加Fe2＋后脱木质素纤维素水解率较之未脱木质素仍有较大幅度提高，其促进作用可能源于金属离子导致纤维素酶蛋白的空间构象变化，从而影响其生物活性。

3结论与讨论

不同金属离子在不同浓度下对汽爆秸秆酶解过程有不同程度的抑制或促进作用。Fe2＋、Cu2＋在一定浓度范围内对酶解过程有一定的促进作用，Fe3＋和Mg2＋则会抑制纤维素酶解过程。其中，Fe2＋的促进作用最明显，在pH 4．5、汽爆秸秆10 g，酶活性12 FPU／g，Fe2＋浓度0．6 mg／mL的100 mL溶液50 ℃酶解48 h后，纤维素的水解率比不添加金属离子的提高18．60％，采用脱除木质素的汽爆秸秆，其水解率可以达到46．6％。底物中木质素含量越低，金属离子对纤维素转化率的提高幅度也越大，通过考察添加Fe2＋后纤维素对纤维素酶吸附的情况以及对水解后纤维素渣的红外光谱分析，表明Fe2＋能在一定程度上促进纤维素酶与底物纤维素的有效结合，从而对酶解过程起到促进作用。

此次研究了不同金属离子在酶催化反应体系中对纤维素酶活性的影响，其结果与游离酶的影响趋势以及他人的研究结果不尽一致，可能的原因为设定的离子浓度不同或者作为不同来源的纤维素酶激活剂的特定金属离子也不同，因而，同种离子对不同来源的纤维素酶活性的影响以及金属离子对纤维素酶活性影响的机理等尚需进一步研究。

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