（制浆造纸工程专业论文）速生杨apmp制浆中生物预处理对半纤维素溶出机制的影响.pdf

了 了 。h j i t l l li l li it i l tii l l l li i i y 19 0 0 316 at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ea p p l i c a t i o no f t h em a s t e r sd e g r e eo fe n g i n e e r i n g e f f e c to fb i o l o g i c a lp r e t r e a t m e n to n d i s s o l u t i o nm e c h a n i s mo fh e m i c e l l u l o s eo f a p m p c a n d i d a t e ：y a n gx i u l i s p e c i a l t y ：p u l p & p a p e r m a k i n ge n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ry a n g g u i h u a s h a n d o n gp o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y , j i n a n ，c h i n a m a y , 2 0 1 1 了 一l - 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 中引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或 成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 论文作者签名：搔盘蜀 日期：卫丛年笸月j 翌日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工 业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名：超歪煎 日期：望f 2 年么月j 坦日 导师签名： 日期：丝丛年上月三互日 心0 ， i ， 山东轻工业学院硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 生物制浆的机理及研究进展1 1 2 1 降解纤维原料的微生物l 1 2 2 白腐菌对纤维原料的降解2 1 2 3 木素降解与纤维素和半纤维素降解的关系5 1 3 半纤维素的研究6 1 3 1 半纤维素的类型与结构7 1 3 2 半纤维素的分离提取9 1 3 3 半纤维素糖类组分的分析9 1 3 4 半纤维素对纸浆和成纸性能的影响。1 1 1 3 5 半纤维素的应用1 2 1 4 生物酶之间的协同作用13 1 5 论文研究的目的、意义及内容1 5 1 5 1 研究的目的和意义。1 5 1 5 2 论文研究的主要内容1 5 第2 章菌株的筛选及产酶情况的研究17 2 1 实验原料与方法l7 2 1 1 实验原料1 7 2 1 2 实验方法一l 8 2 2 结果与分析2 0 2 2 1 菌株的筛选2 0 2 2 2 筛选出的菌株b y b f 产酶情况的研究2 2 2 3 本章小结2 5 目录 第3 章b y b f 预处理对a p m p 制浆过程中碳水化合物和木素成分的 影响2 7 3 1 实验原料与方法2 8 3 1 1 实验原料。2 8 3 1 2 实验室a p m p 制浆工艺流程2 8 3 1 3 生物预处理2 8 3 1 4 木片质量的测定2 8 3 1 5 原料中化学成分的测定。2 8 3 1 6 原料中聚糖成分的测定2 8 3 1 7 制浆过程中聚戊糖和木素含量的测定2 9 3 1 8 化学预处理条件2 9 3 1 9 机械磨浆2 9 3 1 1 0p f i 打浆及纸页的抄造2 9 3 1 1 1 分析与检测2 9 3 2 结果与分析3 0 3 2 1 白腐菌处理后的木片的质量。3 0 3 2 2 原料化学成分的分析。3 1 3 2 3 原料的聚糖成分的分析。3 2 3 2 4 制浆过程中半纤维素和木素的溶出。3 4 3 2 5 磨浆及p f i 打浆。3 6 3 2 6 对光学和物理性能的影响3 6 3 2 7 浆料纤维质量的变化3 7 3 2 8 分析与检测3 7 3 3 本章小结3 9 第4 章半纤维素的溶出对a p m p 制浆性能的影响4 1 4 1 实验原料与方法4 2 4 1 1 实验原料。4 2 4 1 2 酶处理4 2 4 1 3 浆料中聚戊糖和木素含量的测定。4 2 4 1 4 浆料物理性能的分析与检测4 2 2 - 山东轻工业学院硕士学位论文 4 1 5 浆料的g c m s 分析4 2 4 1 6 浆料漂白废液的分析4 2 4 2 结果与分析4 3 4 2 1 酶处理后浆料中化学成分的变化4 3 4 2 2 半纤维素的溶出对p f i 打浆的影响4 5 4 2 3 半纤维素的溶出对纸张物理性能的影响4 5 4 2 4 半纤维素的溶出对纤维形态的影响4 7 4 2 5 半纤维素的溶出对漂白废液的影响4 7 4 2 6 浆料的g c m s 分析4 8 4 3 本章小结5 1 第5 章半纤维素的溶出对木素的降解与改性的协同作用5 3 5 1 实验原料与方法5 3 5 1 1 实验原料5 3 5 1 2 酶处理5 4 5 1 3 纸浆分析5 4 5 2 结果与分析5 4 5 2 1 酶处理对打浆性能的影响5 4 5 2 2 酶处理对浆料中木素含量的影响5 5 5 2 3 不同的漂白流程对纸张物理性能的影响。5 5 5 2 4 漆酶木聚糖酶体系( l x s ) 处理一段a p m p 浆料条件的优化5 7 5 2 5 漆酶木聚糖酶体系( l x s ) 与漆酶介体体系( l m s ) 预处理一段 a p m p 浆的比较。5 9 5 3 本章小结6 0 第6 章结论6 3 6 1 本研究的结论6 3 6 2 本研究的创新之处6 5 6 3 下一步的工作计划6 5 参考文献6 7 致j 谢7 3 3 攻读硕士学位期间发表的论文7 5 山东轻工业学院硕士学位论文 摘要 论文首先将4 株白腐菌进行液体培养并对木片进行预处理，通过测定菌丝球 的湿重量和木片的失重量最终筛选出对速生杨降解效果最好的菌株b y b f 。利用 该菌株预处理速生杨木片1 2 天后，研究表明菌株b y b f 在木片上的生长情况良 好，能够有效的降解木片。b y b f 在木质纤维上的降解属于同步腐朽类型，不仅 能降解原料中的木素，还能够降解和代谢纤维素、半纤维素和树脂等成分作为自 身生长所需的碳源和能源。经过菌株b y b f 处理后的原料在制浆过程中半纤维素 和木素的溶出量分别增加0 8 4 和1 9 9 ，而且制浆过程中漂白废液的c o d c r 也降低了1 0 7 。经过处理的浆料纤维本身变得更加柔软，在相同的打浆能耗下， 打浆度提高了6 1 2 。 菌株b y b f 的预处理对纸浆的物理性能产生一定的影响。浆料的白度略有下 降，光散射系数显著下降，不透明度没有明显的变化。纸浆的撕裂指数和裂断长 与未经过处理的浆样相比分别提高8 7 和1 3 6 ，紧度提高了1 6 7 。b y b f 预 处理后浆料纤维的平均长度增加，纤维的卷曲指数和扭结指数也增加，细小纤维 含量明显降低。利用环境扫描电镜观察纤维表面的形貌结构，发现未经过处理的 浆料的纤维挺硬，经过打浆后出现许多碎片和断裂，纤维表面粗糙。而经过白腐 菌处理后纤维的卷曲和扭结性增加，纤维变得更加柔软，不再呈现圆柱状而是呈 现带状。 对经过菌株b y b f 预处理的原料进行g c m s 分析，结果表明，预处理后的 原料中聚糖的总量下降2 6 0 2 ，其中主要为甘露糖和半乳糖含量下降，同时还 检测到半乳糖醛酸，该物质的出现表明该菌株不但对纤维素、半纤维素和木素有 一定的降解，同时对果胶也有一定的降解作用。 为了更好的研究半纤维素的溶出对a p m p 制浆性能的影响，本文应用不同 用量的商品木聚糖酶对浆料进行预处理，结果表明：半纤维素的溶出不利于打浆 的进行，对纸张的光学性能影响不大，但对纸张的强度性能产生一定的影响。其 中纸张的耐破指数降低4 9 1 3 ，裂断长降低3 7 3 7 。同时半纤维素的溶出使得 纤维形态发生变化，纤维的平均长度增大，平均宽度随着半纤维素溶出量的增加 而逐渐减小，细小纤维的含量也降低。把酶预处理后的浆料进行过氧化氢漂白， 对漂白废液进行分析后发现，随着半纤维素的溶出c o d c ，值逐渐下降，最大降 幅为1 1 4 4 ，但是对废液色度的影响不大。 g c m s 分析结果显示，与未用木聚糖酶处理的浆料相比较，应用木聚糖酶 预处理的浆料的聚糖总量下降了6 6 1 3 ，表明在酶用量为1 0 0i u g 时浆料已被 摘要 过度降解，其中木糖含量变化显著从2 2 5 3 9 2m g g 降低到6 7 8 2 1m g g ，浆料中 未检测到甘露糖，表明经过1 0 0i u 儋的木聚糖酶处理后纸浆中甘露糖已全部降解 溶出，甘露糖的溶出可能是导致纸张物理性能下降的主要原因。 为了探讨半纤维素的溶出对木素降解与改性的协同作用，利用木聚糖酶、漆 酶、木聚糖酶与漆酶协同作用分别处理浆料，结果表明应用三种不同的预处理不 但能降低打浆能耗，而且还增加木素的溶出量。其中木聚糖酶与漆酶的协同处理 对降低打浆能耗和木素的溶出效果最好，木素的溶出率达到8 8 1 。经过一系列 优化实验，得到漆酶木聚糖酶体系( l x s ) 的最佳预处理条件为浆浓1 0 ，温度 5 0 ，p h 值5 5 ，酶用量8i u g ，处理时间为1 5h ，此条件下a p m p 浆料酶处 理作用效果最好，可以得到较理想的白度、抗张指数和耐破指数。将漆酶木聚 _ 糖酶体系( l x s ) 和漆酶介体体系( l m s ) 分别预处理一段磨浆后a p m p 浆料并进行 比较，结果显示漆酶木聚糖酶体系( l x s ) j 丕不能完全替代漆酶介体体系( l m s l 预处理浆料，还需要进行进一步的研究和探索。 关键词：a p m p ；生物预处理；半纤维素；协同作用 i l 山东轻工业学院硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ew e tw e i g h to fm y c e l i a lp e l l e t si nt h el i q u i dc u l t u r es y s t e ma n d t h ew e i g h tl o s so fc h i p sw e r ei n v e s t i g a t e d u s i n gt h et w ow a y s ，w es c r e e n e dt h eb e s t s t r a i nb y b ff o rd e g r a d i n go ff a s t g r o w i n gp o p l a r p o p l a rc h i p so ft h ef i r s ts t a g em s d s c r e w e dw e r ep r e t r e a t e df o r12d a y sb yb y s f , t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es t r a i nh a da g o o dg r o w t ho nt h ec h i p s ，i tc o u l dd e g r a d ew o o de f f e c t i v e l y t h i sd e g r a d a t i o ni s s y n c h r o n o u sd e g r a d a t i o nm o d e l ，i tc a l ln o to n l yd e g r a d el i g n i no fr a wm a t e r i a l s ，b u t a l s od e g r a d ec e l l u l o s e ，h e r n i c e l l u l o s ca n dr e s i nc o m p o s i t i o n i tm u s tb ec o n s u r n i n g t h e s es u b s t a n c e st om e e tt h e i rg r o w t hn e e d s t h em a t e r i a l sw e r ep r e t r e a t e db yb y b f , t h ed i s s o l u t i o nr a t eo fh e m i c e l l u l o s ea n dl i 罂a i nd u r i n gt h ep u l p i n gp r o c e s si n c r e a s e d b y0 8 4 ，1 9 9 t h ec o d c rr e d u c e db y10 7 t h ef i b e r sb e c a m em o r ef l e x i b l e ， u n d e rt h es a m er e f i n i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n , t h eb e a t i n gd e g r e eo fp u l pp r e t r e a t e db y b y b fw a si n c r e a s e db y6 12 t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fp a p e rp r e t r e a t e db yb y b fa l s oh a da ni m p a c t t h e b r i g h t n e s sw a sd e c r e a s e ds l i g h t l y , l i g h ts c a t t e r i n g c o e f f i c i e n tw a sa l s od e c l i n e d s i g n i f i c a n t l yb u ti th a dn o to b v i o u se f f e c to no p a c i t y t h et e a ri n d e xa n db r e a k i n g l e n g t ho f p u l pw e r ei n c r e a s e db y8 7 ，1 3 6 t h et i g h t n e s sw a s i n c r e a s e db y1 6 7 s i g n i f i c a n t l y a v e r a g el e n g t ho fp r e t r e a t e df i b e rw a si n c r e a s e d ，c u r li n d e xa n dk i n k i n d e xo ff i b e rw e r ea l s oi n c r e a s e d ，a n dt h ec o n t e n to ff m ef i b e rw a sr e d u c e d s i g n i f i c a n t l y b yt h eg c m sa n a l y s i s ，t h et o t a lo fp o l y s a c c h a r i d c so fp o p l a rp r e t r e a t e db y b y b fw a sd e c r e a s e db y2 6 0 2 ，t h ec o n t e n to fm a n n o s ca n dg a l a c t o s ew e r e d e c r e a s e d w ea l s od e t e c t e dg a l a c t u r o n i ca c i d t h ee m e r g e n c eo fg a l a c t u r o n i ca c i d s h o w e dt h a tw h i t e - r o tf u n g ic o u l dd e g r a d ep e c t i cs u b s t a n c e s i no r d e rt o s t u d y t h ee f f e c to fe n z y m ep r e t r e a t m e n to nd i s s o l u t i o no f h e m i c e l l u l o s eo fa p m p , t h i sa r t i c l ea p p l i e dd i f f e r e n td o s a g e so fx y l a n a s eo na p m p t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee x i s t e n c eo fh e m i c e l l u l o s ew a si nf a v o u ro fb e a t i n g d i s s o l u t i o no fh e m i c e l l u l o s eh a sl i t t l ee f f e c to nt h eo p t i c a lp r o p e r t i e so fp a p e r , i th a sa c e r t a i ne f f e c to nt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fp a p e r a n di th a dg r e a te f f e c t so nb u r s t i n g i n d e x ，t e a r si n d e xa n db r e a k i n gl e n g t ho fp a p e r t h eb u r s t i n gi n d e xa n db r e a k i n g l e n g t ho fp a p e rw e r ed e c r e a s e db y4 9 13 ，3 7 3 7 t h ed i s s o l u t i o no fh e m i c e l l u l o s e m a d et h ec h a n g eo ff i b e rm o r p h o l o g y , t h ea v e r a g el e n g t ho ff i b e rw a si n c r e a s e d ，a n d a b s t r a c t t h ea v e r a g ew i d t hg r a d u a l l yr e d u c e dw i t ht h ed i s s o l u t i o nc o n t e n to fh e m i c e l l u l o s e ， a n dt h ec o n t e n to ff r e ef i b e rw a sa l s or e d u c e d t h ep u l pp r e t r e a t e db ye n z y m e b l e a c h e dw i t hh y d r o g e np e r o x i d e ，w ea n a l y s e dt h ee f f l u e n to fb l e a c h i n g ，a n di tf o u n d t h a tt h ed i s s o l u t i o no fh e m i c e l l u l o s eh a dac e r t a i ne f f e c to nc o d c r t h ec o d o r e d u c e db y1 1 4 4 b yt h eg c - m sa n a l y s i s ，t h et o t a lo fp o l y s a c c h a r i d e s o fp u l pp r e t r e a t e db y x y l a n a s ew a sd e c r e a s e db y6 6 13 ，i ts h o w e dt h a tt h ep u l ph a db e e nd e g r a d e d e x c e s s i v e l y t h ec o n t e n to fx y l o s ew a sd e c r e a s e df r o m2 2 5 3 9 2 m g gt o6 7 8 2 1 m g g w eh a dn o td e t e c t e dm a n n o s e t h ed i s s o l u t i o no fm a n n o s ei so n eo ft h er e a s o n sf o r t h ed e c l i n ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fp a p e rp r e t r e a t e db yx y l a n a s e i no r d e rt os t u d yt h ee f f e c to ft h ed i s s o l u t i o no fh e m i c e l l u l o s eo nt h es y n e r g i e so f m o d i f i c a t i o na n dd e g r a d a t i o no fl i g n i n ，t h ep u l pw a sp r e t r e a t e db yx y l a n a s e ，l a c c a s e a n ds y n e r g i s t i co fx y l a n a s ea n dl a c c a s er e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep u l p p r e t r e a t e db yt h e t h r e e d i f f e r e n te n z y m e sh a dg o o de f f e c t s t h e s ew e r en o to n l y r e d u c e dt h er e f i n i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n , b u ta l s oi n c r e a s e dt h ed i s s o l u t i o no fl i g n i n a n dt h es y n e r g i e so fx y l a n a s ea n dl a c c a s eh a dg o o de f f e c t so nt h er e f i n i n ge n e r g y c o n s u m p t i o na n dt h ed i s s o l u t i o no fl i g n i n t h ed i s s o l u t i o no fl i g n i nw a s8 8 1 a f t e r as e r i e so fe x p e r i m e n t s ，w eg o tt h eb e s tp r e t r e a t m e n tc o n d i t i o no fx y l a n a s ea n d l a c c a s es y s t e m ( l x s ) ：p u l pc o n s i s t e n c y1 0 ，t e m p e r a t u r e5 0 c ，p h5 5 ，e n z y m e d o s a g e8i u ga n dt r e a t m e n tt i m e1 5h c o m p a r e dt ol a c c a s ea n dx y l a n a s es y s t e ma n d l a c c a s e m e d i a t o rs y s t e mp r e t r e a t e db yo n es t a g ea p m bl a c c a s ea n dx y l a n a s es y s t e m s t i l lc a nn o tc o m p l e t e l yr e p l a c eo ft h el a c c a s e m e d i a t o rs y s t e m i ta l s on e e d e df u r t h e r s t u d ya n de x p l o r a t i o n k e yw o r d s ：a p m p , p r e t r e a t m e n t , h e m i c e l l u l o s e ，s y n e r g y 山东轻工业学院硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 造纸工业是全球仅次于电信和钢铁的第三大产业。造纸原料主要是利用现有 纤维原料，而且绝大多数纤维性的资源都具有递耗性的特点，如果资源的后续补 给不足必然会出现资源短缺的问题，因此造纸工业是典型的资源约束型产业l l j 。 造纸工业在整个生产过程中对水资源有较大污染，主要是产生大量废水，还会产 生废渣、废气、粉尘和噪声，另外生产过程中使用的化学助剂所造成的污染也不 可忽视。 2 0 0 7 年国家颁布的关于造纸产业发展的相关政策中对造纸工业中各类纤维 原料的结构比例进行了调整，通过提高木浆的比重、扩大废纸的回收、合理利用 非木浆的途径，使我国造纸工业能够实现木浆、废纸浆和非木浆结构合理化。在 木浆构成中实现进一步扩大建设造纸林基地面积、进一步提高木浆生产能力。 2 0 1 0 年国产木浆已提高到5 5 4 的产量，国内废纸的利用率提高了6 。在今年 的国家“十二五 规划中以“坚持建设资源节约型、环境友好型社会作为加快转 变经济发展方式 为重要着力点。深入贯彻资源节约和环境保护的基本国策，通 过节约能源，降低温室效应来进一步发展循环型经济，推广低碳观念，积极应对 气候的变化，促进社会、经济的发展与人口资源、环境的协调一致，走可持续发 展之路。国家发改委表示，“十二五 期间要实现节能减排目标就要进一步实现 降低能耗强度和二氧化碳强度，进一步加大节能减排工作的力度。这就要求我国 制浆造纸工业必须担负起保护环境的责任，坚持走科技含量高、经济效益好、资 源消耗低、环境污染少的新型工业化道路【l j 。 1 2 生物制浆的机理及研究进展 生物制浆以其低能耗、低污染的优点逐渐成为现代制浆造纸工业的研究热 点，主要是利用微生物所具有的分解木素的能力来去除原料中或者是浆料中的木 素，从而使植物纤维彼此分离成浆【2 训。 1 2 1 降解纤维原料的微生物 目前应用降解木质纤维的微生物主要有真菌类、放线菌类和细菌类等，很多 微生物并不能单独降解木质纤维原料，例如真菌主要是通过孢子来降解木质纤 维，也可以通过菌丝进行，其主要表现是木材的腐朽。已经有文献报道的木腐真 第1 章绪论 菌共有1 6 0 0 1 7 0 0 种，多数为担子菌和子囊菌，也有部分半知菌【5 1 。 细菌能缓慢对纤维物料进行降解，主要发生在物料表面含水多的地方，细菌 的渗透能力很差，故它可以跟霉菌一起侵入纤维物料的细胞。它们通过自身的生 长繁殖来降解针叶木材和阔叶木材。细菌还可以直接作用于纤维、管胞和导管， 只有少数的菌株可以降解所有的细胞壁成分，细菌对木素的降解主要表现在可以 利用被降解的木素中间产物，主要菌类是放线菌和链霉菌，放线菌通过以分支菌 丝生长，穿过木质纤维的培养基进行降解。链霉菌在降解木素的同时也会降解一 部分碳水化合物，为自身的生长发育提供碳源，它们在初级代谢阶段主要是通过 脱甲基、芳环断裂和木素单体侧链的氧化等方式来降解木素，其它细菌可以降解 木素的中间产物。细菌对于木素的降解主要是对木素大分子及其单元结构的修 饰，能够直接把木素降解为二氧化碳等物质的细菌很少【5 1 。 根据木材被降解后的表观状态不同，真菌主要可分为白腐菌、褐腐菌和软腐 菌三大类，细菌在植物纤维原料中的腐朽降解的过程中有着一定的作用。引起木 材软腐的真菌主要有黑曲霉、里氏木霉、纤维水解毛壳菌和各种拟青霉、镰孢、 梭孢壳、微紫青霉等，它们能明显降解碳水化合物，但对木素的降解作用却很少， 主要是引起木素的去甲基化和少量的侧链和芳香环的降解。引起木材褐腐的真菌 有洁丽香菇、茯苓、粉孢革菌、香干酪菌和松生拟层孔菌等，它们首先作用于纤 维素和半纤维素，但是不能直接降解和利用纯的纤维素，对木素只发生少量降解。 白腐菌是自然界中唯一一类能够独立降解细胞壁木素成分的微生物，是目前研究 最多的木材降解菌，主要有黄孢原毛平革菌、杂色木云芝、粪生黑蛋巢菌、二梭 多孔菌、射脉菌、灰腐质霉以及焦菌等睁8 】。 上世纪初已有很多文献报道有关白腐菌的形态学、生理学、发育生物学、酶 学和分子生物学的研究，对白腐菌降解纤维原料的研究逐渐成为生物学、木材化 学和制浆化学等多学科交叉渗透的例子。在所有的能够降解木质纤维原料的微生 物中，白腐菌是目前被研究最多的真菌【9 。1 3 1 。白腐菌对纤维原料的降解过程有不 同的降解模式的，主要有两种降解模式即同步降解( s y n c h r o n o u sd e g r a d a t i o n ) 和差 异降解( d i f f e r e n t i a ld e g r a d a t i o n ) 。所谓同步降解模式是指在白腐菌对纤维原料进 行降解的同时会对纤维素、半纤维素和木素等所有的成分同时产生作用的一种降 解模式，而差异降解是指在白腐菌对纤维原料降解时主要进攻原料中的木素和半 纤维素，对纤维素的降解很少或者几乎不发生降解。 1 2 2 白腐菌对纤维原料的降解 白腐菌在木质纤维原料上生长时，不但能够分泌木素降解酶对木素产生一定 的降解作用，也会对纤维素和半纤维素产生一定的影响。在生长繁殖的初期主要 是以低分子的糖类、单糖类或者是其它简单的有机物作为营养源，同时由于白腐 2 山东轻工业学院硕士学位论文 菌在自身生长繁殖时会需要一些辅酶因子n a d p h 2 、能量因子a t p 等，为此也 会消耗多糖类物质，因此在整个生物制浆过程中必然会对碳水化合物产生一定程 度的降解【1 4 】。 ( 1 ) 纤维素的降解 绝大多数微生物分泌的纤维素酶都属于糖蛋白，连接到天冬酰胺酸( n 连接) 或者是丝氨酸和苏氨酸( 0 连接) 的残基上，n 连接的糖基可以生成一种特有 的结构并使纤维素酶稳定性得到提高，同时在分泌活性纤维素酶时，o 连接的糖 基可以保护纤维素酶不被水解f 1 4 】。表1 1 中列出的是具有降解纤维素能力的微生 物的种类。 表1 i 具有降解纤维素能力的微生物 软腐菌好氧细菌白腐菌放线菌纲 、_ r环状芽孢杆菌黄孢原毛平革菌链霉菌 c h a e t o m i u m 枯草芽孢杆菌侧孢霉耐热放线菌 c e l l u l o l y t i c u m 粪肥纤维单胞菌杂色木云芝菌黑耐热放线菌 镰孢纤维弧菌 瘤胃( 厌氧) 真菌 粗糙脉孢菌 双孢小双孢菌 c a e c o m y c e s ( s p h a e r o m o n a s ) 嗜松青霉 荧光假单胞菌 c o n n u n i s 里氏木霉 n e o c a l l i m a s t i x f r o n t a i l i s n e o c a l l i m a s t i xp a t r i c i a r u m 褐腐菌厌氧细菌 p i r o m y c e sc o m m u n i s 粉孢革菌 纤维水解醋弧菌 革裥菌纤维梭菌 卧孔菌 热纤梭菌 瘤盖干酪菌 纤维素水解酶主要是由c l 外切酶( 伊1 ，4 葡聚糖外切酶) 和c x 内切酶( 伊l ，4 葡聚糖内切酶) 构成的复合酶。c l 酶使纤维二糖从链的非还原性末端裂开使纤 维素降解。c x 可以水解几种不同形式的纤维素( 可溶性的纤维素如羧甲基纤维 素、磨碎的纤维素和润胀后的纤维素) ，但是不能水解天然存在的纤维素。c x 随 机的从纤维素链上降解伊l ，4 葡糖苷键，使纤维素链变短并且产生许多还原性末 端基。纤维素酶具体的降解过程如图1 1 所示。纤维素首先被降解成低聚糖，然 后成为纤维二糖，最后被降解成葡萄糖，通过进一步的新陈代谢被利用。 第1 章绪论 纤维素 低霖糖 图1 1 纤维素的酶降解过程 水解酵：一内切一1 4 ，口一葡聚糖酪一外切一l ，4 一卢一葡聚糖酶 圆一卢一葡萄糖糖苷酶 氧化酶：固葡萄糖氧化醇 一纤维二锗醇 一纤维二糖醒氧化还原酶 ( 2 ) 半纤维素的降解 降解半纤维素的微生物的分布十分的广泛，例如真菌、细菌、酵母和藻类等， 其中真菌和某些细菌分泌酶属于胞外半纤维素酶，同时发现也有一些胞内降解 酶。纤维物料中的半纤维素的主链是由木糖和甘露糖组成的，半纤维素本身的结 构非常的复杂，进行酶降解时需要不同的酶的协同作用，其中内切1 ，4 伊d 木糖 酶和内切1 ，4 伊d 甘露糖酶是主要的半纤维素降解酶，首先经过这两种酶的协同 作用将半纤维素的骨架断开，形成一些水溶性的低聚糖物质，再经过l ，4 毋d 木 糖苷酶降解，同时经过a 阿拉伯糖苷酶、a 匍糖苷酸酶、a 半乳糖苷酶、乙基木 聚糖酯酶和乙基半乳糖葡萄糖甘露糖酯酶协同作用后这些非均一聚合物才能完 全降解【1 4 】。 ( 3 ) 木素的降解 自然界中存在许多能降解木素成分的微生物，主要有真菌类和一些细菌类。 具有分解木素能力的菌类有真菌门中的担子菌纲、子囊菌纲和半知菌纲。如表 1 2 所示。不同种类的微生物降解木素的能力不同，最有效的是白腐菌，它首先 会降解一些阔叶木，同时也能降解针叶木。白腐菌能够产生一系列胞外氧化酶， 4 山东轻工业学院硕士学位论文 研究最多的主要有木素过氧化物酶( l i p ) ，锰过氧化物酶( m a p ) 和漆酶( l a c c a s e ) 。 表1 2 降解木素的微生物 微生物种类 担子菌白腐菌：黄孢原毛平革菌，木云芝，香菇， 侧耳 植物遗体分解菌：金线菌，小菇 褐腐菌：卧孔菌，孢革菌 半知菌软腐菌：镰孢( 土壤) ，拟青霉 子囊菌软腐菌：毛壳 放线菌诺卡菌( 土壤) ，链霉素( 土壤) 首先木素过氧化物酶是一种含有亚铁血红素的糖基蛋白质，它以低浓度的过 氧化氢为氧化剂，分别经过两个步骤即双电子的氧化和单电子的还原，将非酚型 的木素氧化成阳离子游离基，然后该游离基会进行一系列的非酶反应，使得脂肪 侧链的键断开和芳环裂开，同时一部分甲基化的木素发生解聚，木素过氧化物酶 将酚型木素氧化成酚氧游离基。同时在催化过程中所产生的阳离子游离基和酚氧 游离基成为木素过氧化物酶反应体系中的反应介体。木素过氧化物酶可以将木素 中富含伊o _ 4 和伊o 1 的烷基键氧化，使这两种结构的c = - o 键结构裂开。其次 是锰过氧化物酶，它是一种血红素糖蛋白，以m n 3 + 作为氧化剂、m n 2 + 作为还原 剂分别作用于酚型木素，锰过氧化物酶在氧化谷胱甘肽和二羟基苹果酸时会产 生过氧化氢，这种酶在过氧化氢存在的条件下氧化木素时，需要一定量的螯合剂 参与，白腐菌所产生的苹果酸、草酸和丙酮酸等均可以作为螯合剂使用。首先将 m 1 1 2 + 氧化成m n 3 + ，然后m n 3 + 跟螯合剂形成复合物后将酚型木素氧化，这种m n ” 复合物在酶和聚合物之间起着介体的作用，酚氧自由基是中间体，使得c 旷c 8 键 断开或是烷基酚基解聚。最后一种是漆酶，学名酚氧氧化还原酶或p _ - 酚氧化 酶，含铜酚氧化酶。所有的漆酶都是一种糖蛋白，含有四个铜离子，在催化过程 中都有重要的作用。漆酶以分子氧为催化剂，能将酚型木素结构单元氧化成酚氧 游离基，同时将分子氧还原成水分子。漆酶的氧化还原电位为5 0 0m v - 6 0 0m v 较低，不能氧化电位较高的非酚型木素结构单元，只有在加入介体的情况下才能 将非酚型木素单元氧化。在氧气存在的条件下漆酶将催化酚型木素发生氧化形成 苯氧自由基，然后将4 个电子传递给氧气，苯氧自由基之间会发生脱甲氧基、脱 羟基和c c 键的断裂等一些非酶反应，最后从木素大分子脱除单体，并接着进 行下面的降解反应。 1 2 3 木素降解与纤维素和半纤维素降解的关系 在纤维物料的生物降解过程中，存在多糖降解和木素降解两条不同的降解途 5 第l 章绪论 径，两条代谢途径是相互联系，相互影响的。多糖降解途径是由纤维素酶和半纤 维素酶对纤维素、半纤维素等多糖的降解，然后在糖苷酶的催化作用下形成葡萄 糖、木糖、甘露糖和阿拉伯糖等单糖物质，这些单糖可以给微生物提供生长所需 的碳源和能源，还可成为木素降解酶系统提供合成的底物，多糖降解产物经过各 种酶氧化后可以产生过氧化氢和内酯类物质，形成的内酯类物质通过戊糖磷酸途 径途径( 简称p p 途径) 进入三羧酸循环，参与微生物的基本新陈代谢过程。如 图1 2 所示在纤维物料中木素和纤维素、半纤维素降解之间的关系。 木素j 幽缝蔓低聚体木索分子幽监t - 木素分子单俸 自由 双加曩一i + 葡萄糖馥；木糖酸，纤维二糖酸内瞎 图1 2 木素降解与纤维素半纤维素降解的关系 1 3 半纤维素的研究 半纤维素是高等植物细胞壁中非纤维素、非果胶类物质的总称，在自然界中 是仅次于纤维素的第二大