纖維素發(fā)酵綜述論文5稿,2014年(DOC)

1、內(nèi)蒙古民族大學(xué)本科畢業(yè)論文編號(hào)：103001054048本科畢業(yè)論文題 目學(xué) 院：專 業(yè)：年 級(jí)：2010級(jí)姓 名：指導(dǎo)教師：目 錄封面 (1)目錄 (2)中文摘要及關(guān)鍵詞 .(3)英文摘要及關(guān)鍵詞 .(4)弓丨 言 (5)1 纖維質(zhì)材料的預(yù)處理 (7)1.1纖維素的結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì) (7)1.2 運(yùn)用物理方法對(duì)生物質(zhì)材料進(jìn)行預(yù)處理 (8)1.3 運(yùn)用化學(xué)方法對(duì)生物質(zhì)材料進(jìn)行處預(yù)理 (8)2利用產(chǎn)纖維素酶的真菌對(duì)預(yù)處理后的材料進(jìn)行混合發(fā)酵 (10)2.1 纖維素酶的種類與理化特性 (10)2.2 纖維素酶的生產(chǎn)與獲得 (12)2.3 選用菌種的組合 (13)2.4 混合發(fā)酵的條件 (13)結(jié)束語(yǔ)

2、 (16)參考文獻(xiàn) (17)發(fā)表論文 (21)致 謝 (22)23摘要纖維素具有經(jīng)過(guò)生物發(fā)酵轉(zhuǎn)化為乙醇的巨大潛力，各國(guó)科學(xué)家都為此作了不 少的工作，使得纖維素的生物降解工作取得了一定的進(jìn)展， 本文針對(duì)目前研究人 員在生物質(zhì)材料的預(yù)處理和纖維素混合發(fā)酵方面所做的工作， 簡(jiǎn)要闡述纖維素降 解的研究進(jìn)展。關(guān)鍵詞：纖維素；預(yù)處理；發(fā)酵；生物降解AbstractCellulose has tremendous potential to be biological fermented into ethanol, so Scien tists who come from all over the world

3、 have made a lot of work for it,. At the same times, because researchershave made a lot of work for which each link, biodegradation of cellulose has obtained certain achievements, this article is in view of the present researchers about cellulose material pretreatment stage and fermentation stage ha

4、ve done a brief in this paper.Key words： Cellulose; Pretreatme nt; Ferme ntati on; Biodegradable引 言改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)在各個(gè)領(lǐng)域都取得了不小的成就， 但是各種各樣的問(wèn)題 也逐漸體現(xiàn)出來(lái)，能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題尤為突出，各種化石能源的短缺嚴(yán)重 影響著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，同時(shí)由于化石燃料燃燒所帶來(lái)的污染問(wèn)題也威脅著每一 個(gè)人的健康，怎樣才能有效地解決這兩個(gè)問(wèn)題，成為了各國(guó)科學(xué)家密切關(guān)注的問(wèn) 題。纖維素類物質(zhì)是自然界中含量最多，同時(shí)也是獲取成本最低的一類可再生資 源。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界的所有植物體每年可以

5、合成將近 1500億t的干物質(zhì), 這其中絕大部分都是纖維素和半纖維素1 3。這么大數(shù)量的纖維素類物質(zhì)如何處 理，如何運(yùn)用對(duì)人類來(lái)說(shuō)既是一種挑戰(zhàn)，也是一種潛在的財(cái)富。從目前的情況來(lái)看，每年自然界中的各種植物通過(guò)光合作用將太陽(yáng)能最終轉(zhuǎn) 化為穩(wěn)定的化學(xué)能，這其中絕大部分的化學(xué)能都是以纖維素和半纖維素以及木質(zhì) 素的形式存在，可直接被人類高效利用的化學(xué)能只占其中很少的一部分。在廣大的發(fā)展中國(guó)家，由于經(jīng)濟(jì)有限，為了獲取低廉的能源，農(nóng)民往往采用直接焚燒的 方法低效率地來(lái)獲取蘊(yùn)藏其中的化學(xué)能。 這樣一來(lái)，大量的能源就被浪費(fèi)了，同 時(shí)產(chǎn)生大量有害氣體，引發(fā)霧霾天氣和溫室效應(yīng)，嚴(yán)重威脅人類健康和整個(gè)地球 的生存環(huán)

6、境。如果能夠采用一定的手段將天然的纖維素轉(zhuǎn)化為可以利用的糖類， 在進(jìn)一步利用各種各樣的方法將其轉(zhuǎn)化為乙醇和氣體燃料，毫無(wú)疑問(wèn)這將對(duì)解決當(dāng)前能源短缺的問(wèn)題具有重大意義， 同時(shí)對(duì)于目前的環(huán)境問(wèn)題，比如溫室效應(yīng)和 霧霾問(wèn)題的解決將會(huì)得到非常有效地解決方案。鑒于此，許多科研人員投入了大 量的時(shí)間和精力試圖去解決這個(gè)問(wèn)題。在一般情況下，纖維素在自然界中不太容易降解，即便是降解，也只是在特 定的環(huán)境下，比如非洲的熱帶雨林中。在這種溫暖潮濕且富含某些能分解纖維素 內(nèi)細(xì)菌的情況下，纖維素的降解才能有所加快。 很顯然，自然條件下纖維素的分 解速度，以及分解產(chǎn)物還不能滿足人類的需求，為了加快纖維素的分解，以及在人

7、為的控制下使纖維素的分解能夠滿足人類的需求，科研人員想了很多的辦法。首先，從原材料入手，科研人員對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)所得到的原始材料進(jìn)行了一定的預(yù) 處理，然后尋找到纖維素酶在何種生化條件下催化效率最高，最后還考慮了纖維素酶的回收利用問(wèn)題，通過(guò)一定的方法將用過(guò)的纖維素酶回收再利用。 通過(guò)這一 系列的措施，在一定程度上提高了纖維素的發(fā)酵效率。但是，目前的情況依然離期望的還有一定差距。這其中最主要的因素就是纖維素酶，尋找到廉價(jià)、高效、 化學(xué)敏感性低的新一代纖維素酶這將是下一個(gè)階段研究的重點(diǎn)。1纖維質(zhì)材料的預(yù)處理1.1纖維素的結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)根據(jù)X-射線影像技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)纖維素由結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形交替排列而成。結(jié) 晶區(qū)和

8、無(wú)定形區(qū)的形成是由于纖維素大分子之間形成氫鍵的多少、強(qiáng)弱的不同造成的。結(jié)晶區(qū)分子排列緊密，且具有一定規(guī)律，可以看到清楚的X-射線衍射圖譜；但是無(wú)定形區(qū)域的分子則相對(duì)比較松散，而且排列幾乎沒(méi)有規(guī)律，同時(shí)也看不到清楚的X-射線衍射圖譜。由于纖維素分子的內(nèi)部鏈接方式是一個(gè)葡萄糖羥 基上的氫與相鄰葡萄糖羥基上的氧之間結(jié)合形成氫鍵，大量的葡萄糖分子以這種方式連接在一起，使得纖維素分子在常溫下比較穩(wěn)定。通常情況下，纖維素一般難溶于水，同時(shí)也難溶于有機(jī)類的溶劑，例如丙酮、酒精、苯等。復(fù)雜的高分子纖維素最終水解得到的單糖產(chǎn)物是葡萄糖，在纖維素分子內(nèi) 部，葡萄糖分子之間相互以1，4鍵結(jié)合，所形成的糖苷鍵是B式。

9、最終水解之 后得到的產(chǎn)物是B - D葡萄糖，這種葡萄糖可以用于下一階段的微生物發(fā)酵生產(chǎn) 乙醇。由于最初在大自然中得到的生物質(zhì)材料除了含有大量的纖維素之外，還含有難以降解的木質(zhì)素和半纖維素，雜聚多糖半纖維素和難以降解的木質(zhì)素緊緊地 包裹在纖維素的外表，使得纖維素酶難以接觸到纖維素將其進(jìn)行催化分解。 因此, 如果要對(duì)生物質(zhì)材料中的纖維素發(fā)酵，首先必須對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，降解半纖維素， 去除木質(zhì)素，同時(shí)還要改變纖維素的晶體結(jié)構(gòu)， 使其變得松散容易被降解，見(jiàn)圖1。圖1 生物質(zhì)材料預(yù)處理前后的效果圖Picture 1 the pretreatment of biomass material renderin

10、g1.2運(yùn)用物理方法對(duì)生物質(zhì)材料進(jìn)行預(yù)處理首先將收集到的富含纖維素的生物材料洗凈。然后使用大型工業(yè)研碎設(shè)備將 生物材料粉碎，接著再用純水在高溫高壓的條件下對(duì)生物材料進(jìn)行特殊的處理。 大致流程見(jiàn)圖2:圖2 物理方法對(duì)生物質(zhì)材料預(yù)處理流程Picture 2 The flow chart of of Physical methods biomass material在高壓的情況下，可以使純水的溫度達(dá)到將近200T，這時(shí)水的pH值由一般情況下的7下降到5,同時(shí)在這種高溫、高壓、低 pH環(huán)境的情況下，水分子 將會(huì)進(jìn)入到預(yù)處理材料的內(nèi)部，一旦水分子進(jìn)去將會(huì)加快纖維素的水解。由于在此情況下，水的pH值只有5

11、,會(huì)電離出大量的H+,使得原材料里含有的半纖維 素溶解，并且大部分的木質(zhì)素也會(huì)被溶解，然后用水對(duì)處理材料進(jìn)行清洗，最后剩下可以用于微生物發(fā)酵的纖維素。很顯然，用純水來(lái)處理原始材料還有一個(gè)非常好的優(yōu)點(diǎn)， 那就是不用其他的 化學(xué)物質(zhì)參與，避免了引入其他影響微生物發(fā)酵的物質(zhì)。但是這種處理方法也有 缺點(diǎn)，那就是用水沖洗過(guò)程中將會(huì)降低最后的總糖產(chǎn)率，同時(shí)水解率雖然有所 提高，但是結(jié)果仍然不太理想。1.3運(yùn)用化學(xué)方法對(duì)生物質(zhì)材料進(jìn)行預(yù)處理1.3.1使用稀NaOH寸生物質(zhì)材料進(jìn)行預(yù)處理一般的情況下，使用低濃度的NaOH來(lái)對(duì)材料進(jìn)行預(yù)處理，可以使得材料中 含有的木質(zhì)素更好地脫離，這將對(duì)后續(xù)工作帶來(lái)便利。但是使

12、用NaOH也會(huì)產(chǎn)生 一些問(wèn)題，由于NaOH的存在會(huì)影響后續(xù)的微生物發(fā)酵，所以必須對(duì)NaOH進(jìn)行回收或者是中和以及洗滌，然而這一系列工作下來(lái)將會(huì)大大提升材料預(yù)處理的 成本，因此，此方法還有待進(jìn)一步提升。1.3.2使用氨對(duì)生物質(zhì)材料進(jìn)行預(yù)處理隨著研究的深入，關(guān)于氨對(duì)材料進(jìn)行的預(yù)處理研究方面，科研人員取得了十足的研究成果。研究人員發(fā)現(xiàn)，用氨來(lái)對(duì)含纖維素的材料進(jìn)行預(yù)處理，一方面可 以大大地加快纖維素的降解，另一方面氨氣還便于回收再次利用5。若是采用液氨來(lái)對(duì)生物質(zhì)材料進(jìn)行浸泡，即在較低的溫度(20C55C )下，用一定濃度的 液氨對(duì)生物質(zhì)材料進(jìn)行浸泡，雖然使用液氨對(duì)生物質(zhì)材料進(jìn)行浸泡并不能保證將 絕大部

13、分的半纖維素去除掉，但是卻可以在一定程度上促進(jìn)纖維素酶對(duì)纖維素的 降解。由于纖維素酶中含有一定量的半纖維素酶，在合適的條件下，通過(guò)進(jìn)一步的發(fā)酵就可以生成含有木糖和葡萄糖的混合液，最終使用適當(dāng)?shù)慕湍赴l(fā)酵生成酒精。1.3.3使用Ca(OH)2對(duì)生物質(zhì)材料進(jìn)行預(yù)處理按照Ca(OH#:H2O:生物質(zhì)材料為1:50:10的比例混合之后進(jìn)行堆積處理，這 個(gè)方法所需要的條件要求較低，一般情況只要溫度高于30C即可，而且可以在露天的情況下即可，不需要什么復(fù)雜高端昂貴的容器，也不需要另外加入其他的 化學(xué)物質(zhì)，比較其他方法來(lái)講，此法經(jīng)濟(jì)實(shí)惠而且安全度較高，但是用這種方法 消化生物素物質(zhì)的效率太低，只能除去大約 3

14、0%勺木質(zhì)素，如果用來(lái)處理那些含 木質(zhì)素較低的生物質(zhì)材料還是比較理想的辦法。1.3.4使用稀酸對(duì)生物質(zhì)材料進(jìn)行預(yù)處理目前的情況來(lái)看，利用稀酸來(lái)預(yù)處理生物質(zhì)材料科研人員研究的比較細(xì)致。 用稀酸來(lái)對(duì)纖維質(zhì)材料進(jìn)行預(yù)處理已經(jīng)是一個(gè)比較成熟的方法，在酸性環(huán)境下，半纖維素的水溶性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于纖維素，這樣一來(lái)，大部分的半纖維素就會(huì)溶解掉，最后剩下的主要是木質(zhì)素和纖維素。利用稀酸來(lái)對(duì)生物質(zhì)材料進(jìn)行預(yù)處理一方面可以促進(jìn)反應(yīng)，另一方面有可以促進(jìn)纖維素的進(jìn)一步水解。一般條件下， 當(dāng)處理的溫度不高時(shí)，纖維素水解產(chǎn)生的糖比較少。但是，如果提高處理的溫度， 則大大有利于纖維素的降解。用稀酸來(lái)對(duì)生物質(zhì)材料進(jìn)行預(yù)處理有明顯優(yōu)

15、于其他 方法之處，那就是能大大提高纖維素的水解，獲得的五碳糖含量較高。但是它也 有不足之處，一方面此法的成本比較高，因?yàn)楸M管稀酸本身比較便宜，但是用稀 酸來(lái)處理所需要的設(shè)備和高壓的條件會(huì)大大增加資金的投入；另一方面，由于纖維素降解之后的產(chǎn)物最終是要進(jìn)行微生物發(fā)酵的，酸的存在會(huì)影響到酶的生理活 性。因此必須對(duì)反應(yīng)液進(jìn)行加堿中和處理， 而且為了中和掉多余的稀硫酸，需要 加入一定量的Ca(OHp最后又產(chǎn)生了多余的硫酸鈣廢棄物。這樣一來(lái)，就使預(yù) 處理的成本再一次增加，同時(shí)也使得整個(gè)發(fā)酵工藝變得更加繁瑣。盡管這么多年以來(lái)，科研人員從各個(gè)方面對(duì)生物質(zhì)材料的預(yù)處理， 混合發(fā)酵 等方面做了大量的工作，投入了非

16、常多的心血，也取得了很大的成果，但是和最 普遍的常規(guī)能源比較起來(lái)，通過(guò)對(duì)生物質(zhì)材料降解來(lái)獲得能源這一方法的成本依 然很高，幾乎沒(méi)有什么太大的優(yōu)勢(shì)。然而，如果想將纖維素降解為葡糖糖進(jìn)而最 后發(fā)酵為乙醇就必須將生物質(zhì)材料中的雜多糖半纖維素和包裹在纖維素表面不 易降解的木質(zhì)素去除掉。然而，從目前的研究進(jìn)展來(lái)看，想從生物質(zhì)材料中去除 半纖維素和木質(zhì)素最好的辦法只有使用酸。2.利用產(chǎn)纖維素酶的真菌對(duì)預(yù)處理后的材料進(jìn)行混合發(fā)酵2.1纖維素酶的種類與理化特性纖維素酶并不是某種單一的酶，而是一類能夠?qū)⒗w維素最終降解為葡萄糖的 酶系的總稱。在適合的理化條件下，這類酶之間相互協(xié)調(diào)發(fā)揮各自的作用，首先將纖維素分解為

17、纖維二糖和寡糖，最后進(jìn)一步分解為葡萄糖 9。和一般的普通酶相比較，盡管纖維素酶的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，但總體上來(lái)講，根 據(jù)對(duì)底物的作用方式以及作用效果的不同，我們?nèi)匀豢梢匀藶榈貙⒗w維素酶分為 三大種類的酶。第一種是內(nèi)切葡聚糖酶或者也可以稱之為CX酶，這類酶的主要作用是作用在纖維素分子內(nèi)部的非結(jié)晶區(qū)，然后無(wú)目的性地水解1,4-糖苷鍵，這種水解的結(jié)果是隨機(jī)地產(chǎn)生大量的帶有非還原性末端的小分子的纖維素。第二種是外切葡聚糖酶或者也可以稱之為C 1酶,這類酶的主要作用在于它的作用部 位在纖維素線狀分子的末端，由于它能水解 B -1,4-糖苷鍵，因此這種酶每作用一次都會(huì)切下一個(gè)纖維二糖分子。第三種是B -葡萄糖苷

18、酶，這種酶的主要作用是水解纖維二糖以及低分子量的纖維寡糖，最終可以生成所需要的非常重要的產(chǎn)物葡萄糖10 14。以上三種酶相互協(xié)調(diào)，共同分解纖維素的大致流程見(jiàn)圖3:纖維素大分子CX酶大量的，小片段的纖維素分子C酶大量的二糖和寡聚糖大量的葡糖糖圖3 纖維素降解流程圖Picture 3 The flow chart of cellulose degradation由于纖維素酶作為一種能分解纖維素的具有生物高活性酶，本質(zhì)上屬于蛋白質(zhì)，因此它的活性會(huì)受到各種因素的影響。比如反應(yīng)液的 pH值、所處環(huán)境的溫 度、底物的成分、酶液的濃度、酶的激活劑或者抑制劑等 15。一般情況來(lái)講，反應(yīng)液的pH值是影響纖維素酶

19、的一個(gè)很重要的因素，如果 反應(yīng)液的pH值過(guò)小或者是過(guò)大都將會(huì)對(duì)酶的活性產(chǎn)生重大的影響，輕則將導(dǎo)致 酶蛋白的活性降低，重則將使酶直接失去活性。只有當(dāng)反應(yīng)液的pH值在適合的區(qū)間內(nèi)的時(shí)候，酶和底物才能較好地結(jié)合，并最終成功地發(fā)生催化反應(yīng)。大量的科研結(jié)果表明，酸性酶和中性酶的最適pH值分別為3.84.8和7.17.9何。另外，反應(yīng)環(huán)境溫度對(duì)纖維素酶的活性也會(huì)產(chǎn)生很大影響，一般情況下酶的活 性如果想充分地表現(xiàn)出來(lái)并使之能夠有效地對(duì)底物進(jìn)行分解，必須有合適的溫 度。由于不同的酶有不同的最適合溫度，不同的酶促反應(yīng)又需要不同的溫度， 此，通過(guò)科學(xué)研究尋找到針對(duì)不同酶、不同酶促反應(yīng)的最適反應(yīng)溫度也是一項(xiàng)非 常重

20、要的工作。大量的科學(xué)研究結(jié)果表明，絕大多數(shù)的纖維素酶高效作用于底物 的最適合溫度范圍在35 °C55 °C之間17-18 o同時(shí)，底物的種類以及理化性質(zhì)對(duì)纖維素酶的活性也有非常明顯的影響，不同的碳源對(duì)纖維素酶活性的影響程度也不同，對(duì)纖維素酶活性的作用效果一般情況來(lái)講，纖維素粉大于粗纖維素粉，粗纖維素粉大于蔗糖，蔗糖大于羥甲基纖維 素，羥甲基纖維素大于葡萄糖19 o另外，有些物質(zhì)在纖維素催化過(guò)程中可以大大地提高纖維素酶的活性，進(jìn)而促進(jìn)纖維素的降解；然而，有些物質(zhì)則可以在一定的程度上降低纖維素酶的活性， 從而抑制纖維素的降解。2.2纖維素酶的生產(chǎn)與獲得盡管現(xiàn)在能從各種途徑得到纖

21、維素酶，例如從牛羊等反芻動(dòng)物的胃里獲取纖 維素酶，另外某些昆蟲(chóng)以及一些低等生物像微生物也能產(chǎn)生纖維素酶。但是從纖維素的產(chǎn)量以及獲取成本方面綜合考慮， 運(yùn)用微生物來(lái)生產(chǎn)纖維素酶是目前研究 比較多的一種方法?？傮w上來(lái)講，利用微生物來(lái)生產(chǎn)纖維素酶包括兩種手段，第一種途徑是液態(tài)發(fā)酵，另外一種方法則是固態(tài)發(fā)酵。前文對(duì)纖維素酶做出具體闡述時(shí)已經(jīng)指出， 完成纖維素的降解需要有c X酶、C1酶、B -葡萄糖苷酶這三種酶系來(lái)共同完成。 但是現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題是，自然條件下很難有某個(gè)菌種能同時(shí)大劑量、高活性地產(chǎn)這三種酶。例如，學(xué)術(shù)界公認(rèn)的綠色木霉(Trichoderma viride )以及和它具有較近親 緣關(guān)系的其他菌

22、種雖然在產(chǎn)纖維素方面有優(yōu)點(diǎn)，但是卻普遍存在一個(gè)缺點(diǎn)，那就 是它產(chǎn)生的B-葡萄糖苷酶的活性比較低。與此同時(shí)，科研人員進(jìn)行了大量的工作來(lái)進(jìn)行菌種的選育，以期獲得具備高產(chǎn)量和高活性纖維素酶的菌種，但還并沒(méi)有取得突破性的進(jìn)展。 可喜的是國(guó)外有 科研人員在研究纖維桿菌(Cellulomonas )進(jìn)行纖維素發(fā)酵的實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，偶然間 發(fā)現(xiàn)當(dāng)加入一種產(chǎn)堿桿菌(Alcaligenes )時(shí),因?yàn)樵摼募尤胧沟美w維二糖對(duì)纖 維素酶的抑制作用大大降低，反而使得蛋白質(zhì)的產(chǎn)量增加了不少：化 另外，還有國(guó)外的研究人員在使用木霉和兩種不同的酵母菌進(jìn)行混合發(fā)酵的時(shí)候，也得到了以上類似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：21：o同時(shí)，國(guó)內(nèi)研究人員在

23、利用微生物混合發(fā)酵的原理 來(lái)提高纖維素酶的活性和產(chǎn)量方面也做了很大努力， 例如國(guó)內(nèi)的學(xué)者研究表明將 木霉，曲霉和酵母菌混合培養(yǎng)可以有效地增強(qiáng)纖維素酶的活性， 同時(shí)還能抑制其 他雜菌的生長(zhǎng)22 -24。生產(chǎn)同等數(shù)量的乙醇，用纖維素發(fā)酵比用淀粉發(fā)酵所需要的成本高很多，主要是由于纖維素酶效率較低，獲取成本也高，如果是選擇從酶制劑公司購(gòu)買得到 的纖維素酶來(lái)降解纖維素生產(chǎn)糖類，成本太高，可行性較低。從目前的情況來(lái)看， 比較經(jīng)濟(jì)可行的方法是采用現(xiàn)產(chǎn)現(xiàn)用的方式來(lái)或得高活性的纖維素酶，此法本質(zhì)上就是在乙醇發(fā)酵工廠建立一個(gè)產(chǎn)纖維素酶的車間，首先采用工廠中經(jīng)過(guò)預(yù)處理 之后的生物質(zhì)纖維素為原料進(jìn)行發(fā)酵，當(dāng)酶的活性達(dá)

24、到最大值時(shí)，將含有酶的粗發(fā)酵液與新的纖維素原料混合，一段時(shí)間之后再加入產(chǎn)乙醇的酵母菌直接進(jìn)入乙 醇發(fā)酵階段。此法操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，同時(shí)和直接購(gòu)買的商業(yè)纖維素酶相比，此法 得到的粗發(fā)酵液水解效率更高，同時(shí)也可將整個(gè)纖維素發(fā)酵工藝連為一體。2.3選用菌種的組合盡管大量的科學(xué)研究表明木霉在纖維素發(fā)酵過(guò)程中是最好的用來(lái)生產(chǎn)纖維 素酶的菌種，但是它仍然有不足之處。一方面的原因是木霉可能存在一定的毒性； 另一方面的原因是木霉所產(chǎn)生的B -葡萄糖苷酶的活性比較低。為了解決這個(gè)問(wèn) 題，科研人員想到了一個(gè)不錯(cuò)的辦法，那就是利用互補(bǔ)的原理，在保證 內(nèi)切纖維素酶和纖維二糖水解酶高產(chǎn)量的同時(shí)，又能使得B-葡萄糖苷酶的產(chǎn)

25、量得到保證。那就是將黑曲霉(Aspergillus niger )或者是海棗曲霉(A.phoenicis ) 與木霉進(jìn)行混合發(fā)酵，這樣一來(lái)，就可以在保證內(nèi)切纖維素酶和纖維二糖水解酶 高產(chǎn)量的同時(shí)，又能使得B -葡萄糖苷酶的產(chǎn)量得到保證25。從目前的研究進(jìn)展看來(lái)，進(jìn)行菌種的混合發(fā)酵主要選擇的組合包括，分解纖維素的菌種，分解木質(zhì)素的菌種，以及增加蛋白質(zhì)產(chǎn)量的菌種。分解纖維素的菌 種組合主要是木霉和曲霉，具體包括長(zhǎng)柄木霉、康寧木霉、綠色木霉、宇佐美曲 霉、黑曲霉、煙曲霉等；用來(lái)分解木質(zhì)素的菌種主要選擇的是白腐菌和側(cè)抱霉； 為了提高最后蛋白質(zhì)的產(chǎn)量，一般選擇使用酵母菌，例如啤酒酵母和產(chǎn)朊假絲酵 母。使

26、用不同的菌種，以及不同菌種的比例搭配不同，最終也會(huì)產(chǎn)生不同的效果。 例如，有學(xué)者研究表明，如果是按照一定的比例將黑曲霉(A.niger )和煙曲霉(Aspergillus fumigatus)以合適的比例進(jìn)行混合發(fā)酵時(shí)，結(jié)果表明發(fā)酵產(chǎn)物中 的3種纖維素酶的活性得到了明顯的提高26。2.4混合發(fā)酵的條件影響發(fā)酵過(guò)程的因素有很多，例如發(fā)酵液的溫度和pH值，發(fā)酵的時(shí)間，含水量都會(huì)對(duì)發(fā)酵產(chǎn)生重大影響。對(duì)于液態(tài)的發(fā)酵而言，pH值是最重要的因素；但是對(duì)于固態(tài)的發(fā)酵而言，溫度則是最重要的因素27。一般情況下，如果是使用 真菌來(lái)進(jìn)行固態(tài)的發(fā)酵，則應(yīng)該使培養(yǎng)基的pH值在5.06.0的范圍內(nèi)，這樣可 以減少雜菌的

27、生長(zhǎng)。有研究人員在使用假絲酵母菌和綠色木霉菌進(jìn)行混合發(fā)酵時(shí) 發(fā)現(xiàn)，這兩種菌在29C31C的范圍內(nèi)培養(yǎng)比較合適，如果溫度過(guò)低，則菌種 的活性較低，發(fā)酵效率也低，如果溫度過(guò)高，則容易滋生雜菌28。事實(shí)上，對(duì)于固態(tài)培養(yǎng)而言，pH的變化并不是特別明顯。有學(xué)者研究認(rèn)為，發(fā)酵5天，整個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)的pH值變化并不大，由最開(kāi)始的5.6下降到5.429。對(duì)于液態(tài)發(fā)酵而 言，其所要求的pH和溫度環(huán)境與固態(tài)發(fā)酵差別不大。研究人員表明，在進(jìn)行以 酒糟為底物的纖維素混合發(fā)酵時(shí)，最優(yōu)的發(fā)酵條件是29 C3C的溫度以及5.56.0的pH環(huán)境30。綜合來(lái)看，目前研究人員基本都是采用的這個(gè)溫度和 pH 值在進(jìn)行混合菌種的微生物發(fā)

28、酵31。對(duì)于固態(tài)的發(fā)酵環(huán)境而言，底物的含水量也是一個(gè)比較重要的因素，一般來(lái)說(shuō)，底物所用的生物質(zhì)材料不同，則培養(yǎng)基的含水量也不盡相同。例如，在利用 玉米的秸稈進(jìn)行微生物的混合發(fā)酵時(shí)，培養(yǎng)基的最適宜的含水量應(yīng)該保持在1 :2.1(w/w)2.4(w/w)的范圍內(nèi)，然而，在使用麥子的秸稈時(shí)，該范圍就縮窄到 1 : 1(w/w)1.5(w/w)的范圍了，若是以啤酒糟為底物，則含水量更低1 : 1(w/w) 的比例即可32。研究人員再以玉米秸稈為底物，以白地霉菌為主要菌種的混合發(fā) 酵實(shí)驗(yàn)證實(shí)了對(duì)于固態(tài)發(fā)酵而言，含水量對(duì)發(fā)酵的影響最大，1 : 1.2(w/w)為最適合的比例昭。但是，另外又有科研人員研究表

29、明，若是以啤酒糟為發(fā)酵底物， 則含水量在各種因素中的影響是最小的34。接種量對(duì)反應(yīng)的影響，總體上來(lái)看，在使用農(nóng)作物的秸稈作為發(fā)酵底物進(jìn)行 固態(tài)的纖維素發(fā)酵時(shí)，絕大部分的研究人員所使用的接種量基本上保持在 10%(v/w)的水平35-36。由于在液態(tài)的環(huán)境中，菌種的繁殖速度較快，因此在液態(tài) 發(fā)酵時(shí)所用到的菌種數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于固態(tài)發(fā)酵時(shí)所用到的菌種數(shù)量，初始濃度一般只要保持在3%(v/v)8%(v/v)的范圍即可37-38。如果初始菌種接入過(guò)量，則可能發(fā)生燒曲的情況；但是如果初始菌種接入量過(guò)少，則可能導(dǎo)致菌種在短期內(nèi) 繁殖數(shù)量達(dá)不到發(fā)酵所需的要求，最終導(dǎo)致發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)，整體的發(fā)酵效率降低。 同時(shí)，菌

30、種接入量過(guò)少，難以形成種群競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)，使得其他雜菌更易生長(zhǎng)39 0例如國(guó)外有學(xué)者在使用黑曲霉菌(A.niger )和瑞氏木霉菌(T.reesei )進(jìn)行和混合 發(fā)酵時(shí)的初始濃度為 100/mL,但是在使用產(chǎn)朊假絲酵母菌(Candida utilis )和 啤酒酵母菌(Saccha-romyces cerevisiaes )進(jìn)行混合發(fā)酵時(shí)的濃度則高達(dá) 1020/mL，接種量達(dá)到16%0 o對(duì)于發(fā)酵時(shí)間的探索，科研人員也做了大量的工作，最后得出的結(jié)論是，對(duì)于不同種類的混合菌種，不同的發(fā)酵溫度和pH值，不同的初始接種量以及不同類型的培養(yǎng)基，發(fā)酵時(shí)間也有所不同41。例如我國(guó)學(xué)者研究表明，在使用宇佐美

31、曲霉菌和康寧木霉菌進(jìn)行混合發(fā)酵時(shí)，從接種初期開(kāi)始計(jì)算，起初產(chǎn)酶量逐漸增加，3天之后達(dá)到最大值，之后產(chǎn)酶量逐漸減少42 o但是另外又有研究人員研究 證明，在使用黑曲霉菌和綠色木霉菌進(jìn)行混合發(fā)酵時(shí)，5天之后的產(chǎn)酶量才能達(dá)到最大值：43：o結(jié)束語(yǔ)綜上所述，針對(duì)纖維素的發(fā)酵問(wèn)題，很多科研人員都做出了自己的努力，從 最初生物質(zhì)材料的預(yù)處理到之后的纖維素材料降解， 每一個(gè)環(huán)節(jié)都做了細(xì)致的研 究，同時(shí)也取得了一定的進(jìn)展。但是在纖維素降解方面還有很大的發(fā)展空間。若 是能在纖維素發(fā)酵方面找到更有效的預(yù)處理手段、更高效的菌種、并盡快地掌握 這一領(lǐng)域的核心技術(shù)，那將對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境，甚至在國(guó)際能源的格局中發(fā)揮重 要

32、的作用。只要科研人員能夠再接再厲，大膽開(kāi)拓創(chuàng)新，不斷地提出新的想法， 并嚴(yán)謹(jǐn) 地對(duì)待科學(xué)研究，就會(huì)找到好的方法來(lái)解決纖維素降解這一世界級(jí)的難題， 從而 造福全人類。參考文獻(xiàn)1 顧方媛，陳朝銀,石家驥,等.纖維素酶的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)J.微生物學(xué)雜志,2008,28(1):83-87.2 Zhou Xuguo,Smith Joseph A,0i Faith M,et al.Correlation of cellulase geneexpression and cellulolytic activity throughout the gut of the termite Reticuliterme

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