木质纤维素“糖平台”的生物炼制与绿色化学

生物质是一种能替代化石能源的可再生碳资源，其中所富含的多糖类物质为乙醇等燃料能源生产提供了大量发酵底物，但实现这一过程的前提是原料的高效糖化，其中木质素的降解是木质纤维素原料高效糖化的主要结构屏障。由于木质素结构复杂而致密，需要高温高压或者强酸强碱才能破坏其结构，这些方法能耗高且不绿色环保。基于一直贯穿高中化学教学中的绿色化学理念，利用生物酶催化途径高效降解木质素，能提供绿色、环保和低能耗的预处理手段以克服木质纤维素的结构屏障，然后最大限度地利用木质素纤维素中的多糖组分，在生物能源的糖平台上增加糖的释放。在高中化学教学过程中，通过展示酶催化生物质能的过程，一方面将绿色化学的理念渗透在教学过程中，另一方面有助于跨学科跨情境的综合能力的培养，将生物酶法与化学催化剂对应，进而提高学生对催化领域的兴趣，培养科学精神与社会责任等化学核心素养，激发他们探索前沿科学领域并立志解决人类面临的发展问题。

随着化石资源日益枯竭和能源需求逐渐增加，木质纤维素被认为是用于生产液体燃料和化学品最有前景的化石资源替代原料。从木质纤维素原料中高效获取可发酵单糖是生物质液体燃料及生物基材料生物炼制的限速步骤，需要打破木质纤维素的酶解抗性。

1木质纤维素的酶解抗性

木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中纤维素是木质纤维素中含量最高的多糖组分，通常一条链中有10 000多个葡萄糖分子，通过β-1,4糖苷键联接。纤维素酶现在已经发展的很成熟，酶的活力单位提高，单位酶活力的生产成本不断下降，用纤维素酶可以将纤维素彻底降解成可发酵的葡萄糖。高中化学有机化学模块主题3:生物大分子及合成高分子中，就可以开展相应的纤维素这种生物大分子酶催化水解的相关实验。

但是不同于单一多糖成分的简单糖化过程，由于植物为了抵御微生物和动物的侵害，在木质纤维素长期进化过程中形成了由纤维素、半纤维素和木质素交错掺杂而成的、具有复杂的物理和化学结构的生物大分子(图1),其中木质素就好像“胶水”一样，将能够水解成可发酵单糖的纤维素和半纤维素缠绕包裹在一起，形成了木质纤维素的酶水解糖化抗性屏障。因此要想将木质纤维素高效酶解糖化，不仅仅是针对纤维素这单一组分而言，而是涉及木质纤维素中所有组分的综合转化。除了纤维素和半纤维素等多糖物质的转化，还包括木质纤维素中木质素这一关键抗性屏障的克服。木质素的存在是限制木质纤维素中多糖酶解的关键抗性结构屏障是现在普遍认同的理论，有许多实验都证明随着木质素去除的增加木质纤维素的糖化效率也会随着增加。

研究表明，木质素主要从两方面限制了木质纤维素的酶解糖化。第一，木质素大分子天然的结构错综，充当“胶水”与多糖化合物之间共价连接形成物理结构屏障，图1显示了木质纤维素中木质素的位置及其对纤维素和半纤维素的包裹。这种结构屏障阻碍了木质纤维素中的纤维素组分与纤维素酶的充分接触(即纤维素的可及性),这种空间位阻作用限制了木质纤维素的酶解糖化效率。第二，木质纤维素中的木质素组分会对纤维素酶产生吸附作用，这部分被木质素吸附的纤维素酶属于无效吸附，且这种吸附作用还是不可逆。从而导致消耗更多的纤维素酶酶负荷和木质纤维素中纤维素组分的酶解效率降低。综上所述，木质素类似“胶水”似的物理结构屏障和其对纤维素酶无效的、不可逆的吸附作用共同构成了木质纤维素酶解的抗性因素。

2解除酶解抗性的预处理方法

由于木质纤维素底物酶解抗性因素的存在，需要经过合适的预处理过程，才能高效的将木质纤维素底物转化成可发酵单糖。木质素结构复杂而致密，需要高温高压或者强酸强碱才能破坏其结构，如机械粉碎、辐照、酸碱预处理、蒸汽爆破等,但这些理化方法能耗高且非绿色环保。如图2所示，生物预处理能有效破坏木质素的天然结构抗性屏障，从而增加木质纤维素中多糖组分的酶解糖化效率。相比绿色、环境友好的生物预处理，理化预处理除去木质素面临以下挑战：(1)对反应设备要求高，耗能也高；(2)反应过程中产生的小分子化合物对贵重金属催化剂有毒害作用；(3)选择性裂解木质素中的C-O键，造成木质素严重的和不可逆转的高度缩合，缩合后的木质素更难以被化学解聚；(4)理化预处理过程中会产生糠醛、5-羟甲基糠醛等物质，这些物质对后期单糖发酵有抑制作用。而生物预处理具有能耗低、成本低、反应条件温和、环境友好以及预处理过程不会产生后期单糖发酵的抑制物等一系列优点。综上所述，生物预处理更加符合“绿色化学”生产理念。

3自然界白腐菌胞外木质素降解系统的启示及其在绿色生物炼制上的应用

自然界中木质纤维素的天然腐朽过程有望为这一难题的解决提供新思路。白腐真菌(White rot Fungus)是自然界中目前已知的最有效的木质素降解者，当前研究表明，白腐菌对木质素的降解主要依赖于其分泌的木质素酶系统包括木质素过氧化物酶(Lignin Peroxidase,LiP)、锰过氧化物酶(Manganese Peroxidase,MnP)、漆酶(Laccase,Lac)等经典木质素酶。近年研究表明，其中还可能存在一些非经典的新型木质素酶，也在木质素降解中发挥重要作用，如多功能过氧化物酶(Versatile Peroxidase,VP)等。此外，一些和自由基氧化反应相关的小分子多肽或天然介体等辅助物质也涉及木质素的协同降解作用。那么，能否基于白腐菌的胞外木质素降解系统的研究构建高效木质素复合降解酶系，实现木质素的高效降解呢?

白腐真菌及其相关木质素降解酶能够在环境友好的条件下有效降解木质素，是生物质“糖平台”预处理的重要途径。早在90年代，就有研究利用黄孢原毛平革菌及其产生木质素酶进行木质素的降解。真菌中的漆酶在木材、造纸工业等领域都有广泛的应用，对于木材有一定的脱木素能力。Rodrigue等利用白腐真菌分泌的胞外酶液降解麦秆中的木质素，通过打破木质素结构屏障提高了麦秆的纤维素利用率。还有许多研究利用白腐真菌分泌的木质素酶作用能使木质素纤维素中木质素降解5.2%～25.2%不等。还有一些研究发现不同类型木质素酶之间存在协同作用，能够提高木质素降解效率。如Galliano等发现利用Lac与MnP同时作用于木质素，其木质素降解率要高于单独酶的降解;王海磊、曾光明等也先后发现木质素的降解与降解体系中木质素酶活比值密切相关;因此，通过挖掘不同类型白腐菌胞外木质素降解系统中木质素酶资源并基于其木质素酶的协同作用策略，能够实现木质素的复合高效降解。2013年，宋丽丽等通过培养条件优化，首次使生物预处理的效果与传统理化方法的效果相当，在最佳培养条件下，白腐菌预处理后使玉米秸秆的葡萄糖转化率达到了91.41%,而之前Wang等人采用高温、稀碱预处理木质素纤维素后葡萄糖的转化效率为90.43%。2016年基于绿色化学理念的生物和酶催化法也在进一步的研究和发展之中，在保留生物和酶催化环保无污染、能耗低等优点的同时，又进一步提高了其处理和催化效率。

本文简单介绍了低能耗、环境友好的生物质能源“糖平台”生物炼制预处理技术，以及能在生物质能源“糖平台”上的应用生物酶催化剂。比起传统的化学催化剂，生物酶催化剂有着低能耗和绿色环保的优点，但是也存在容易失活、催化效率不高等问题。所以需要进一步研究，可以通过定向进化、固定化酶、分子改造等手段提高生物酶的催化稳定性和效率，从而扩大和发展生物酶在化学催化中的应用。

在高中化学教学过程中，可以把本文内容和化学催化剂结合起来，将绿色化学的理念渗透在教学过程中。在人教版高中化学教材也有很多地方体现了“绿色化学”的理念，如：必修2第四章第二节“化学与资源综合利用、环境保护”中涉及了环境保护与绿色化学。而催化剂的概念早在人教版初中化学教材中就已明确提出，学生也都耳熟能详。高中化学必修1第四章第四节通过“氨的合成”主题学习活动，要求了解合成氨的原理、原料、重要设备、流程和意义，认识到催化剂的研制对促进化学工业发展的重大意义，认识化工生产对人类环境的可持续发展可能产生的影响。让学生体会到化学反应的催化剂可能不止一种，选择催化效果更好的催化剂能最大量地提高化学工业效率、降低能源消耗、进而减少对环境的不利影响。提高学生对催化领域和生物化学交叉学科的兴趣，培养科学精神与社会责任的化学核心素养，激发他们探索前沿科学领域并立志解决人类面临发展问题的社会责任感。

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