木质纤维素

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木质纤维素范文第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

木质纤维素范文第2篇

    关键词:山庄树木花卉;植物造园艺术??

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    随着国内经济的迅猛发展,人们的生活质素不断提高,逐步增强向往回归大自然的心态,因而园林山庄建造雨后春笋,到处可见。其中山庄园林创造丰富多彩的树干花卉起着重要的造园艺术,对提高山庄园林艺术和功能等方面,都占一定的作用。?

    1. 树木花卉的有机布置,极大丰富了园林景色?

    在现代造园景色中,树木花卉是经济的,受地形、地势等自然条件的限制也比较小,构图灵活,空间富于变化,而且可以通过色、香、味、型等直接作用于人的感官,感染力强。所以,树木花卉历来为造园艺术的一种重要手法。?

    树干花卉是园林景色一种造园手法。如我国着名的避暑山庄在造园中,“万轩松风”是以树之声——松涛为风景主题的;“青枫绿屿”与“金莲映日”是以叶色和花色组织风景构图的。“冷香亭”、“香远益清”、“曲水荷香”等是利用荷花的芳香,作为园林风景题材的。其它,如“西岭晨霞”、“远近泉声”等,也是以树木花卉与其它园林素材相结合,组织风景构图的。这样起来,几乎山庄的每一“景”都与树木花卉有关。正是由于树木花卉为园林提供了丰富多彩的风景素材,从而大大丰富了园林景色。?

    2. 树木花卉的合理布局,提高了对园林风景的艺术欣赏?

    山庄以松树为骨干树种,强调了全园,使整个园林形成了一个宏伟的艺术整体,加强了园林风景构图的和谐强统一。同时,大量引种各地有代表性的树木花卉,展示各地自然风貌。通过园林手法,反映了在风景构图中,加强了园林艺术形式和内容的统一。树木花卉与山水等自然素材相结合,形成了森林、平原、溪流等许多自然景色,众多的树木隐蔽了楼台、亭阁等人工建筑,使园内与园外的自然山林,从空间上连成一个艺术整体。这些都有力地渲染了园林的自然风采。?

    树木花卉还有力地加强了山庄园林风景构图的节奏感。任何艺术都要有一定的韵律,要有节奏感,它对艺术品起着丰富和变化的作用。否则,艺术的统一就会变得呆板,这是形式美的法则之一,也是园林风景构图的艺术标准之一。?

    树木花卉有力地显示了地形的错综复杂变化。古人曾说:“山借树为衣,树借山而为骨”,这也适用于园林风景的布置。当山庄建造在山岭环抱的位置之中,松苍翠,峰岭滴翠,不同的树种,各具姿容,显示不同的特点,从而使人强烈感觉到山峦的起伏变化。?

    山庄园林树林花卉可以利用不同的栽植方法,以加强风景构图的节奏感。若采用行列栽植法,给人以整齐庄重的感觉。而湖岸、山峦区则采取随地势而自由散植的方法,给人以轻松闲适的感觉。?

    利用树木花卉型体、叶状的变化,加强风景构图的节奏感,也是造园惯用的一种手法。若山庄区内松树体型高大挺拔,湖岸的垂柳多姿,湖中的荷花随波荡漾于水面,平坡区的绿草平铺如织……它们不同的体态,形成了一种天然韵律。松叶如针、柳叶如眉、枫叶如掌、杨叶阔园,这样多不同的叶状,也是一种自然节奏。

    花色、叶色的变化,也是一种节奏。金莲花灿若黄金,红荷美若丹霞,敖汉白莲浩白雪,风叶如丹……这是造园用植物色彩的变幻,谱出的一部动感乐章。?

    利用树木花卉以应时令,是传统的园林手法之一。在这方面,山庄也有独到之处。梨花为山庄早报春讯,荷花怒放恰当夏炎炎,如丹枫叶为金秋添色,傲雪苍松是严冬的胜景。它们显示着季节的交替,是一种时间节奏感。?

    3. 对“宜人调养之功”的园林“小气候”的形成,起了重要的作用?

    园林是人们进行生活和休息的环境之一,应该满足人们卫生防护、文化休息等功能的基本要求。适应人们生活、休养的园林“小气候”是园林艺术的重要因素之一,树干花卉对提高山庄这方面的功能,也是有着重要的作用。 净化空气:一是吸收有害气体。呼出人类所需要的氧气。根据有关数据显示,一亩林每天约吸收60公斤二氧化碳,呼出40公斤氧气。一个山庄如果按1000亩林计算,在树木生长期内,每天约吸收65吨二氧化碳,呼出43吨氧气;二是杀死细菌。很多树木在其生长发育过程中,分泌出大量挥发性杀菌素。据测算,一亩松林一个月能分泌约60公斤杀菌素,如果按1000亩松林计算,每月可分泌约65吨杀菌素,可以杀死大量的结核、伤寒、白喉、痢疾等病菌;三是吸收灰尘。灰尘是人类健康的大敌,它吸附的许多有毒的金属籽子进入体后,可以引起各种疾病。而树木树叶多,树冠大,可以降低风速,减少飞尘,树木的枝干和叶片表面粗糙有毛细气孔,能分泌粘液和油脂,可吸附大量的灰尘。据有关资料测算,一亩林每年可吸收各种灰尘20-60公斤,如果山庄按1000亩林计算,每年可吸附各种灰尘40吨~150吨。?

木质纤维素范文第3篇

1.秸秆资源现状

木质纤维素类生物资源是世界上最多的可再生资源，全世界每年的产量估计为1010吨，其中秸秆占可利用生物质产量的70%左右。在中国，农作物秸秆的年产量为8.42×108吨，而且以1.3%的速度递增，在农作物秸秆中玉米秸秆所占的比例最大，为24%，目前国内秸秆中，直接用作生活燃料的约占20%，用作肥料还田的约占15%，用作饲料的约占15%，用作工业原料的约占2%，其余被废弃或直接燃烧的约占48%，这造成了极大的资源浪费和环境污染。国内外的专家学者对秸秆资源经济有效的利用方法进行了大量研究，但到目前为止，国内对秸秆资源在饲料中的应用研究相对较少。

2.秸秆的生物质特性及营养组成

2.1 秸秆的生物质特性 木质纤维素由纤维素、半纤维素和木质素三大类主要的聚合物组成。一般条件下，纤维素不易溶于水、有机溶剂、碱以及稀无机酸溶液，仅在不加热的条件下用浓无机酸处理，或者在高温高压条件下，用稀无机酸处理，纤维素才被分解为单糖。半纤维素是一类复杂的碳水化合物的组成结构，草类和秸秆中的主要半纤维素是木聚糖，木材中的主要半纤维素是葡甘露聚糖。在细胞壁中半纤维素位于许多纤维素和木质素之间，组成纤维素、半纤维素和木质素的紧密结构。半纤维素在酸性和碱性环境中最容易被提取，而葡甘露聚糖在酸性环境下几乎不能被提取出来，必须在强碱的作用下才能分离。在木质纤维素的所有结构中，半纤维素是对热化学因素最敏感的成分。木质素在植物细胞壁中的含量仅次于纤维素和半纤维素，是一类由苯丙烷结构单元组成的无定型复杂复合物，木质素在植物细胞壁中起着结构支撑，保持细胞壁的不通透性，抵抗微生物攻击和抗氧化等作用，所有这些特性，使木质素成为植物细胞壁中最难降解的成分。木质素和半纤维素形成牢固结合层，紧紧地包围着纤维素，阻碍酶和其他物质与纤维素的接触。因此，在木质纤维素的预处理过程中，木质素的去除是非常重要的。

2.2 秸秆的营养组成 秸秆是脱粒后成熟植株的残余物。当植物成熟时，在茎和叶中只剩下少量的蛋白质、脂肪、类脂肪和易消化的碳水化合物，家畜营养所必须的各种矿物质的含量显著减少。维生素，特别是胡萝卜素几乎全部被破坏。未经处理的秸秆适口性较差，体积较大，且动物的消化利用率较低。秸秆的化学成分主要是纤维性物质，以干物质计，中性洗涤纤维（ND）约为70%～80%，酸性洗涤纤维（ADF）约为50%～60%，粗蛋白含量约为3%～6%。

3.秸秆资源的预处理研究进展

秸秆预处理的目的是提高秸秆的消化率，使其在水解过程中能够释放出较多的糖类。目前，许多秸秆预处理方法已经被研究和应用，秸秆预处理过程要求能够有效提高秸秆的消化率并且产生较少的抑制因子。秸秆的处理方法有物理处理、化学处理、物理化学综合处理和生物处理法，在实际生产中通常采用不同方法的组合来获得最大的糖释放量、最低的毒素产量和能量消耗。

3.1 物理处理 物理处理能够降低秸秆的尺寸，提高秸秆的可接触面积，降低秸秆纤维素的晶度和聚合度，提高后处理过程的效率。物理预处理方法包括机械粉碎处理、热处理、微波处理等。机械粉碎是降低秸秆尺寸的最基本的预处理步骤，能够有效提高后续处理的效率，粉碎处理通常是切断、粉碎和磨碎等综合处理，处理后的最终尺寸不尽相同。秸秆的水分含量、成分以及最终粉碎的尺寸均影响能量的需要和后续处理效率，原料的水分含量越高，粉碎的尺寸越小，需要消耗的能值越高；热处理是秸秆预处理的常用方法。热处理的温度超过150℃～180℃，秸秆中的物质开始溶解，半纤维素首先释放出来，接着部分木质素也开始溶解；微波作为一种方便、高效和清洁的能源，不同于传统的热处理方法，对于某些化学反应可以大幅提高反应速度，已广泛地用于有机合成、化学催化及高分子聚合等反应过程。运用微波对植物纤维原料进行预处理可降解木质素和半纤维素，改变植物纤维原料超分子结构，使纤维素结晶区尺寸发生变化，提高植物纤维素酶的水解效率。

3.2 化学处理 秸秆的化学预处理包括酸处理、碱处理以及H2O2和SO2等氧化剂的处理。在所有这些方法中稀H2SO4预处理是被广泛应用的方法。酸处理的主要目的是转化半纤维素，使纤维素更易被酶解。酸处理有稀酸处理和浓酸处理2种。浓酸处理可以在室温下进行，得到较高的糖产量，但是浓缩处理过程产生抑制因子，影响后续反应，加上样品中较高浓度的酸和设备腐蚀等，极大地限制了该处理方法在实际生产中的应用。稀酸处理使一些木糖类等主要的半纤维素溶解，并且转化为可溶性糖类。然而，在稀酸水解过程中，半纤维素在较低的温度下可以发生解聚，抑制后续发酵过程中微生物的生长；用于碱处理的碱包括氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾和氨水等，氢氧化钠是所有碱处理试剂中研究最多的，是玉米秸秆预处理的最佳方法。但氢氧化钠在实际生产中的使用成本相对较高，而且对动物生产存在一定的安全隐患。氢氧化钙也是广泛应用的一种碱处理试剂，能够去除秸秆中的木质素，提高秸秆的结晶度，通过去除秸秆中的木质素提高纤维素的可接近度和酶的作用效果。但实际生产研究结果表明，随着时间的增加，经氢氧化钙预处理的秸秆容易受到霉菌的污染；氧化剂处理。木质纤维素在H2O2和过乙酸等氧化剂的作用下能够发生氧化降解作用，去除其中的木质素和半纤维素，使纤维素容易被酶和微生物作用。但氧化剂的作用通常没有选择性，在木质素被氧化的同时，纤维素和半纤维素通常也有一定的损失，并且木质素被氧化的同时也产生一些酚类化合物，抑制后续的生物转化。

3.3 物理化学综合处理 木质纤维素成分的降解与温度、pH值和压力等因素有关，是物理化学因素综合作用的结果。许多的热处理都属于物理化学综合处理，在热处理中，如果室温升到150℃～180℃以上，在木质纤维素的成分中，半纤维素（主要包括木聚糖和葡甘露聚糖）是对热最敏感的成分，首先开始降解，然后是木质素开始溶解，一部分半纤维素被水解并形成酸性物质，这些酸进一步催化半纤维素的水解。热处理在降解半纤维素的同时，会降解一部分的木质素，产生的降解复合物通常包括酚类物质，这些物质在许多情况下是细菌、酵母等其他微生物生长的抑制因子。蒸汽爆破、液体热水处理和酸碱的热处理是常用的物理化学综合处理方法。

3.4 生物处理 生物处理与其他预处理方法相比，消耗较少的化学物质和能量，是一种生物安全、环境友好的秸秆处理方式，目前很多的研究都在寻求一种可控制的、快速有效的生物处理方法。微生物发酵处理。用微生物来提高秸秆的质量是很有前景的秸秆处理方法。在自然界中有许多细菌和真菌可以利用天然的木质纤维素类；酶水解处理。酶水解纤维素通常具有高度的针对性，纤维素被水解后，通常会产生葡萄糖等一些糖类物质，酶类发酵秸秆通常可以在比较温和的条件下进行，和酸碱处理秸秆相比，成本较低且不会腐蚀机器设备。

木质纤维素范文第4篇

关键词：生物乙醇 纤维素酶 工程菌株

The study and development progress of Bio-ethanol and cellulase production

Liping Yang1 Shuiwen Cai1 Ling Luo1 Hui Liu1，2

1. Changsha Environmental Protection and Professional technique College, 410004 2 Hunan

2. Agricultural university, 410128, Changsha, China

Abstract: With the fossil fuels from shortage to exhaustibility, the humanity is facing toward a common problem in energy crisis. Finding new energy sources is important to sustainable economic development and even human survival. Bio-ethanol, as an energy source that is renewable, affordable, and environmentally safe, will become a substitute for oil. Elevation of cellulase production and reduction of the cellulase production cost are the key factor for enhancing the market competitiveness of cellulosic bioethanol. In this paper, we discussed the development progress of bio-ethanol and cellulose industry to provide a basis for the future upgrading of bio-ethanol production industry and the development of gene engineering strain.

Keywords: bio-ethanol cellulose engineering strain

随着石化燃料由短缺变成枯竭，能源危机是人类面临的共同问题。1998年，Campbell和Laherrere对石油储备和未开发的石油进行评估后认为，天然油在2010年前的产量就开始下降，到2050年全球每年石油供应量将从目前的25亿桶下降到5亿桶[1]。随着石化燃料供应的减少，寻找新的能量来源关系到经济的可持续发展乃至人类的生存问题。生物乙醇作为一种可再生的、经济上可承受的，并且对环境安全的能源物质将逐渐成为石油的替代品[2]。生物乙醇的生产经历了以1代淀粉原料生产乙醇和以木质纤维素为代表的非淀粉原料的2代生物乙醇工业。2代生物乙醇生产克服不与食品的供应之间存在竞争，但是纤维素酶产量低、不稳定、难以工业化导致2代生物乙醇的生产成本大大提高。本文从生物乙醇产业发展过程、木质纤维质物质生产生物乙醇的市场前景及纤维素降解酶的研究进展进行综述，为生物乙醇生产产业的提升、纤维素工程菌的研发提供基础。

生物乙醇产业发展过程

从上世纪80年代开始，人们就开始以谷物为原料来生产乙醇用作供氧燃料，这些被业内称为第1代燃料乙醇的原料。在一些国家，如美国、加拿大、巴西、中国等，乙醇已经被广泛地掺入到汽油中来代替纯汽油使用，其中乙醇的体积含量可达到10%。最近美国正在实施一项混合燃油计划E85，即汽车制造商生产一种可使用乙醇混合物E85（85% 的乙醇和15% 的汽油按体积比混合）的汽车[3]。巴西早在1929年就建立了一项利用乙醇作为发动机燃料的计划，并在接下来几年里安装了第一个使用乙醇作为燃料的发动机。1984年，巴西要求新生产的汽车能使用水化生物乙醇（96%的生物乙醇+4%的水）作为燃料[3]。混合燃料的使用不仅可以减少汽油的使用量，还可以降低温室效应气体以及有毒气体的释放。

但是随着世界人口的不断增长，以谷物等第1代淀粉原料生产乙醇就与食品的供应之间存在竞争，这些谷物为原料生产乙醇就不能满足全球的需求。中国在过去三十年中GDP的年平均增长量为10%，这使得中国成为世界上最大的燃料消费国之一，同时也成为世界上造成空气污染最严重的国家。由于大部分的能源由燃烧化石燃料提供，中国政府正努力解决诸如国内因迅速枯竭的石油和天然气资源而越来越依赖进口石油来满足国内一半的实际需求[4]，以及严重的环境污染等问题。为了改善现状，中国政府决定增加使用能源的种类，尤其提倡使用可再生的、排放更少温室气体的燃料，如乙醇这样的生物燃料和生物柴油。由于生物燃料从诸如玉米、木薯、大豆这样的农产品中提取而来，这对改善中国农村人口的经济状况有积极影响。除了向乙醇生产者发放津贴以鼓励乙醇的生产之外，中国政府近年来也强制要求中国十个省份必须销售浓度为10%的乙醇汽油，这些措施使得中国2008年的乙醇产量迅速达到14.6亿升且在2010年达到21.5亿升，一举成为继美国和巴西之后的世界第三乙醇生产大国。尽管中国政府之前要求到2020年国内乙醇的年消费量要达到100亿升，然而由于担心乙醇生产可能与食物生产行业形成竞争，且考虑到国内农村可用耕地数量有限，以及水资源供应短缺的问题，中国政府于2007年宣布暂停国内谷物乙醇的生产。

为了解决这个矛盾，以木质纤维素为代表的非淀粉原料成为生物乙醇生产的重要原料物质。木质纤维素，其结构复杂，有三种：纤维素35%～37%、半纤维(23-25%)和木质素(18-22%)组成。每年光合可产生大于1，500亿吨的植物干物质，其中一半以上是纤维素和半纤维素[5]。另外，人类活动产生的废弃物中也含有大量的纤维素，如农业废物( 稻草、稻壳、麦秆、花生壳、玉米芯、棉籽壳、甘蔗渣等)、食品加工废物(果皮、果渣等)、木材废物(木屑、树皮)以及城市废弃物(40%~60% 固体废物是垃圾和废纸)等。如果能有效地利用生物转化技术将这些纤维素转化成简单糖，再发酵产生乙醇等能源物质，不仅可以变废为宝，而且还可以避免由于化石燃料燃烧所带来的环境污染，更重要的是可以缓解或解决石化能源短缺乃至枯竭所带来世界性能源危机。

木质纤维质物质生产生物乙醇的市场前景

到2020年，全世界从木质纤维素物质生产生物乙醇的产量大约是165亿加仑（合计约625亿升），美国将占有63.9%的市场，欧洲和中国分别将占有10.4%和11.5%的市场[3]。目前，生物乙醇的产业，尤其是非淀粉类的生物乙醇产业主要在于政府的补贴和维持，其原因在于利用木质纤维生产生物乙醇的生产成本较高。第1代淀粉类原料与第2代非淀粉类原料发酵生产生物乙醇不同之处在于前面的预处理和酶解糖化过程。淀粉类原料很容易被酶接触到，就被淀粉酶和糖化酶酶解为葡萄糖(C6糖)，然后葡萄糖再被普通的酵母发酵生产出乙醇，这样，生产工艺环节少，流程短，成本就非常低。但是木质纤维素物质经过自然选择和漫长进化，木质素将半纤维素和纤维素紧密包裹在内部，形成紧密结构，被天然“设计”成可以抵御酶进攻的分子结构。因此与淀粉乙醇不同的是首先要有高温高压蒸汽或结合加酸碱等化学品的预处理技术将紧密结构打开，让酶能够接触到纤维素和半纤维素。纤维素和半纤维素酶解后发酵可以生产出乙醇[6]。纤维素酶解后可得到葡萄糖(C6糖)，半纤维素酶解后可得到木糖(C5糖)，淀粉类和纤维素都是由葡萄糖聚合成的长链结构，只是结合的方式不同而已，因此酶解过程需要的酶是不同的；而半纤维素是由C5糖聚合而成的长链结构，也需要特定的酶。纤维素及半纤维酶的成本更高，这也是导致木质纤维素乙醇成本比淀粉乙醇高的重要原因之一。在每加仑生物乙醇的生产中，利用木质纤维生产，纤维素酶的成本大约是15-20美分，而利用淀粉类生产，淀粉酶的费用仅仅只占到了2－4美分[7]。因此要想提高纤维素生产生物乙醇的市场的竞争力，提高纤维素酶的产量，降低纤维素酶的成本成为解决问题的关键因素。我国是纤维素酶的需求大国，由于纤维素酶的广泛应用，我国市场需求量将以每年25%～35%的速度上升，用纤维素酶产业化生产生物乙醇的关键技术将在未来几年内得到解决，那时我国纤维素酶年需求量将增加到25-40万吨，每年将为我国节省生产燃料乙醇用粮500-1，000万吨[8]。由于产酶菌种落后，产率低，成本高，严重影响我国纤维素酶工业发展，从而阻碍了以木质纤维素为原料的2代生物乙醇工业的发展。

木质纤维素及纤维素降解酶

木质纤维素，其结构复杂，有三种：纤维素(35%～37%)、半纤维(23%-25%)和木质素(18%-22%)组成[9]。纤维素属于可再生自然资源，是生物界最重要的碳源物质，每年由光合作用产生的植物干质量约1，500亿吨，其中纤维素占850亿吨[5]。

纤维素酶(cellulase)是指能够水解纤维素β-1，4-D-葡萄糖苷键，使纤维素变成纤维二糖和葡萄糖的一组酶的总称。纤维素酶是一种具有很高活力的木聚糖酶，是一种复合酶，属生物催化剂[10]。纤维素酶主要是指三类关键酶:（1）外切型纤维素酶，系统命名为外切β-1，4-D-葡聚糖酶，又称纤维二糖水解酶(EC3.2.1.91，也称Cl酶)。这类酶作用于纤维素线状分子末端，水解β-1，4-糖苷键，每回依次从纤维素分子中切下一个纤维二糖分子，所以又称纤维二糖水解酶(简称CBH)。（2）内切型纤维素酶，系统命名为内切β-l，4-D-葡聚糖酶(EC3.2.1.4，也称Cx酶或CMCase)。这类酶是纤维素酶中最重要的酶，它作用于纤维素分子内部的非结晶区，随机水解β-1，4-糖苷键，将长链纤维素分子截短，产生大量带有非还原末端的小分子纤维素。（3）纤维二糖酶，系统命名为β-葡萄糖苷酶(EC2.1.21，也称CB酶)，这类酶将纤维二糖水解成葡萄糖分子。当以上三种纤维素酶的关键酶的活性比例适当时，就能协同作用完成对纤维素的降解，但各个酶组分单独作用时效果极差。所以说纤维素酶降解纤维素时一个协同表达和作用的过程[11-12]。

不同来源的纤维素酶分子特征和催化活性都不尽相同。细菌产生的纤维素酶量少，主要是内切酶，大多数对结晶纤维素没有活性，而且不能分泌到细菌细胞外，常常聚集形成多酶复合体[13]。真菌能产生大量的纤维素酶，产生的酶组分，能分泌到菌体外，一般不聚集成多酶复合体，但可以相互发生强烈的协同作用。纤维素酶分子的大小因来源不同也有明显的差异，变化范围很广。多数真菌和少数细菌的纤维素酶都受到糖基化，所含碳水化合物的比率不同在很大程度上决定了酶的多型性，表现为分子量的差别[14]。纤维素酶的酶活力一般都很低，因而酶生产成本高。据报道，纤维素水解成葡萄糖所需的酶蛋白要比淀粉相应水解所需的大100倍，这是影响纤维素酶实际应用的重要原因之一[3]。

迄今为止，人们已从40多种细菌和数种真菌中克隆到了多种纤维素酶基因，有一百多种基因可在大肠杆菌中表达，大多数克隆的纤维素酶基因能产生信号肽，从而使表达产物部分或全部转移至E.coli的细胞质间隙[15]。虽然克隆到大肠杆菌的基因，不需要载体的启动子就可表达，但表达水平很低，推测可能是其启动子不能完全被识别的缘故。但在大肠杆菌中表达纤维素酶基因存在两个主要问题:一是提取有很大困难，二是表达水平低、酶蛋白不能分泌，离工业化应用的目标还有一定的距离，所以在纤维素酶基因的表达方面人们将目光转向了真核表达系统[16]。

木霉属是研究最广泛的纤维素酶产生菌[6]，世界纤维素酶市场中的纤维素酶20%是来自木霉属和曲霉属[17]。绿色木霉是一种在各种气候带的土壤中能够普遍存在的一种多细胞丝状真菌，能够分泌完全的纤维素酶系，其中产量较高并且稳定，是目前纤维素酶商业化生产的主要生产菌株[18]。对于绿色木霉的研究直到九十年代初仅有CBHⅠ基因克隆的报道，王建荣、张曼夫利用里氏木霉的基因序列同源片段做探针，构建了绿色木霉基因文库，并克隆了CBHⅠ、CBHⅡ基因，并对其基因结构进行了研究[19]。

纤维素酶的合成一般受纤维素诱导及葡萄糖降解物的阻遏，多数菌株纤维素酶的合成既受纤维二糖、山梨糖等的诱导，又为葡萄糖、甘油等易利用碳源的阻遏，还受菌体生长速度的影响[6]。在绿色木霉中，纤维素酶属诱导型酶类，其多个酶组分的表达经过严密的调控。在绿色木霉中能产生分泌型的纤维素酶，当CBHⅡ基因缺失时，会影响纤维素酶系其他酶的表达，而缺失其他基因时，只单独影响自身的表达。另有研究表明CBHⅡ是纤维素酶系统中最先表达的酶，其表达产物进一步诱导其他纤维素酶基因的表达，但CBHⅡ基因的表达受纤维素降解产物葡萄糖的抑制[20]。

随着基因工程技术的发展，定点突变和基因重排技术在纤维素酶的生产工业中的应用越来越广泛。在里氏木霉 (T.reesei) 中，需要产生至少14种酶协同作用才能水解未经化学处理过的植物干物质。为了降低纤维素酶的复杂性，将里氏木霉的CBH1、嗜酸耐热菌的葡聚糖内切酶EI 以及曲霉(Aspergillus niger)的β- 葡萄糖苷酶以90∶9∶1(质量比)混合形成一个三元复合物，此三元复合物在120 小时内水解预处理过的纤维素的能力与李氏木霉中纤维素酶体的水解能力相当。为了提高此三元复合物水解纤维素的活力，利用定点突变的方法对葡聚糖内切酶EI的活性位点进行修饰，结果与突变前的三元复合物相比，其水解纤维素的活性提高了12%[21]。Zinnia R等在里氏木霉菌中应用同源重组技术将外切β－葡萄糖苷酶整合到egl3和xyn3基因启动子的下游，增强了纤维素酶的表达量4倍到7.5倍，这些重组菌株能有效的降解纤维素物质[22]。

生物乙醇及纤维素降解酶的未来发展趋势

随着石化燃料供应的减少，寻找新的能量来源关系到经济的可持续发展乃至人类的生存问题。生物乙醇作为一种可再生的、经济上可承受的，并且对环境安全的能源物质将逐渐成为石油的替代品[2]。由于产酶菌种落后，产率低，成本高，严重影响我国纤维素酶工业发展，从而阻碍了以木质纤维素为原料的2代生物乙醇工业的发展。因此要想提高纤维素生产生物乙醇的市场的竞争力，提高纤维素酶的产量，降低纤维素酶的成本成为解决问题的关键因素。目前纤维素酶工程菌株中不稳定、产酶量不高、难应用于大规模产业化大规模生产等三大难题。利用基因工程技术改造菌种，尤其是纤维素酶基因启动子的改造，在发酵过程中其酶形成过程不受主要代谢产物葡萄糖的抑制，促进其他纤维素酶基因的协同表达，大幅度提高菌株在发酵过程中的产纤维素酶的能力，将是工程菌柱构建的方向，构建不受葡萄糖抑制、稳定、高效的表达纤维素酶工程菌。可以解决本项目的实施将会大大提高纤维素酶的产量，降低木质纤维素生产生物乙醇时纤维素降解成本，从而促进木质纤维素生产生物乙醇产业的发展。

参考文献：

[1] C. J. C. a. J. H. Laherrère, Scientific American 3, 78 (1998).

[2] F. W. Bai, W. A. Anderson, M. Moo-Young, Biotechnol Adv 26, 89 (Jan-Feb, 2008).

[3] S. I. Mussatto et al., Biotechnol Adv 28, 817 (Nov-Dec, 2010).

[4] T. Tan, F. Shang, X. Zhang, Biotechnol Adv 28, 543 (Sep-Oct, 2010).

[5] S. B. Leschine, Annu Rev Microbiol 49, 399 (1995).

[6] Y. Sun, J. Cheng, Bioresour Technol 83, 1 (May, 2002).

[7] C. Schubert, Nat Biotechnol 24, 777 (Jul, 2006).

[8] 2, (2010).

[9] D. T. Yin et al., Bioresour Technol, (Feb 2, 2010).

[10] 孙俊良, 北京:科学出版社, (2004).

[11] W. S. Adney, C. J. Rivard, S. A. Ming, M. E. Himmel, Appl Biochem Biotechnol 30, 165 (Aug, 1991).

[12] Y. Wang, M. Radosevich, D. Hayes, N. Labbe, Biotechnol Bioeng, (Dec 29, 2010).

[13] T. Liu, L. Lin, Z. Sun, R. Hu, S. Liu, Biotechnol Adv 28, 602 (Sep-Oct, 2010).

[14] H. Chen, W. Qiu, Biotechnol Adv 28, 556 (Sep-Oct).

[15] A. I. Osadchaia, L. A. Safronova, L. V. Avdeeva, V. M. Iliash, Mikrobiol Z 71, 41 (Sep-Oct, 2009).

[16] C. M. Lo, Q. Zhang, N. V. Callow, L. K. Ju, Bioresour Technol 101, 717 (Jan, 2010).

[17] C. S. Goh, K. T. Tan, K. T. Lee, S. Bhatia, Bioresour Technol 101, 4834 (Jul, 2010).

[18] 刘北东，杨谦，周麒, 环境科学 25, 127~132 (2004).

[19] 王建荣，张曼夫, 真菌学报 13, 235~240 (1994).

[20] .T. Kotake et al., Biochem J 377, 749 (Feb 1, 2004).

木质纤维素范文第5篇

关键词 烟草；烟杆；纤维素酶；协同降解作用

中图分类号 Q93 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）11-0225-03

Abstract In order to reuse the waste tobacco stalk，several microbial strains can use waste tobacco rod high-temperature aerobic composting were screened，preliminary detection of several decomposed strains was conducted，and the further testing for strains synergistic effect of the combination and proportion was carried out.The results showed that three groups of degradation of tobacco stalk cellulose strains can grow in the culture medium which with tobacco stems as the sole source of nutrition，and has strong cellulose degradation ability，number of strains were H2568，B1，M1.Synergistic test indicated when biomass ratios of H2568，B1，M1 with 1.0∶1.0∶1.5，combination with the strongest degradation of the cigarette rod ability，the degradation rate of cellulose，hemicellulose degradation rate，lignin degradation rate reached 56%，70%，33%，the highest fiber prime enzyme activity reached 625.44 U/mL.

Key words tobacco；tobacco stalk；cellulase；synergistic degradation

烟草不仅是一种极具经济价值的作物，而且也是具有科研价值的一年生模式植物[1]。我国的烟草种植量和生产量稳居世界首位，在烟草采收和运输的过程中，大量的烟杆会被放弃或焚烧，即污染环境又造成资源浪费[2-3]。如何再充分利用这些废弃烟杆，成为目前迫切需要研究解决的课题。杨政明[4]、詹其厚[5]、张从军[6]等利用烟杆中含有大量的氮、磷、钾及微量元素的特性，利用废弃烟草生产有机复合肥分别在核桃、夏玉米、水稻上施用取得了较好的肥效，并使农作物产量显著增加。但是又因烟杆中含有77.4%纤维素和半纤维素、18.63%木质素[7]，显著高于禾本科作物秸秆中木质素含量，因此其难以被充分利用[8]。张楠[8]、周熠[9]对烟杆中纤维素进行了降解并取得了不错的效果，但纤维素的降解率不到40%，理论上还有一定的提升空间。因此，本研究通过组合高效的好氧纤维素、半纤维素、木质素降解组合菌群，考察其对烟杆的降解效果并优化其组合比例，以便开发能够利用废弃烟杆制作高温好氧堆肥的高效微生物菌剂[10]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验所有烟杆由中南烟草试验站提供。培养基：细菌培养基为0.5% NaCl，0.5%牛肉膏，1%蛋白胨，蒸馏水100 mL，pH=7；真菌培养基为综合PDA琼脂培养基（20%马铃薯提取液，2%葡萄糖，0.3% KH2PO4，0.15% MgSO4・7H2O，0.02%维生素B1，蒸馏水100 mL，pH=7）。烟杆选择培养基为10%烟杆，蒸馏水100 mL，琼脂粉2.0%，调pH值至7。烟杆液体发酵培养基为10%烟杆，蒸馏水100 mL，调pH值至7。

1.2 试验方法

1.2.1 菌种初步筛选。从土壤、腐熟的烟杆、刚屠宰的牛的胃部以及实验室现有的纤维素降解菌中筛选能降解烟杆的菌种。将各菌株分别接种1环到2种种子液培养基扩大培养，培养温度分别为25、37 ℃，摇床转速为180 r/min，发酵24 h后，各取种子液0.1 mL涂布在烟杆选择培养基上，分别在25、37 ℃培养，3 d后观察菌种生长情况。选择能在烟杆选择培养基上生长的菌种进行下一步烟杆液体发酵试验。

1.2.2 不同菌株烟杆液体发酵试验。将各菌株种子液以10%的接种量接种到烟杆液体发酵培养基培养，发酵10 d后以4 000 r/min离心10 min，取上清液1 mL适量稀释，用DNS法测定还原糖，选取还原糖含量较高的菌株进行下一步试验。

1.2.3 各菌拮抗性试验。将活力较高的菌株进行两两拮抗性试验，利用抑菌圈法在蛋白胨、牛肉膏培养基（37 ℃）和PDA培养基（25 ℃）上培养24 h后，观察菌株相互拮抗的情况。

1.2.4 不同组合菌烟杆液态发酵试验。将无明显拮抗性作用的菌株做三菌种组合和四菌种组合发酵试验，把混合种子液于37 ℃、180 r/min扩大培养24 h，按接种量10%的烟杆液体发酵15 d，测定发酵液中纤维素、半纤维素、木质素降解率，选出降解效率较高的4组菌种进行下一步试验。

1.2.5 组合菌酶活力与发酵时间的关系。将选取的最佳组合菌在37 ℃、180 r/min条件下进行烟杆液体发酵15 d，间隔测定发酵过程中的纤维素酶活力。

1.2.6 组合菌酶活力与发酵温度的关系。将选取的最佳组合菌分别在40、50、60 ℃及其他条件不变的条件下发酵11 d，测定纤维素酶活力，判断所选组合菌是否具有耐高温性。

1.3 分析方法

1.3.1 纤维素、半纤维素、木质素定量分析方法。通过测定还原糖的增加量可以初步挑选出更能高效降解烟杆的菌种，但是为了更详细地了解烟杆中主要成分的降解情况[11]，下一步试验以纤维素、半纤维素、木质素的降解率为主要试验指标[12]。图1为纤维素、半纤维素、木质素定量分析方法。

1.3.2 纤维素酶活性测定方法。取10 mL发酵液用离心机4 000 r/min离心10 min，取上清液1 mL稀释25倍制成待测酶液。取4支25 mL刻度具塞试管（2支平行管、1支空白管）。分别向所有管中加入CMC-Na溶液2.00 mL，再加入稀释好的待测酶液0.50 mL（空白管不加），用漩涡混匀器混匀，盖塞。（50.0+0.1）℃水浴30 min后，加入DNS试剂3.0 mL，于空白管中加入待测酶液0.50 mL，摇匀。沸水浴10 min后，迅速冷却至室温，用水定容至25 mL，以空白管调仪器零点，在分光光度计波长540 nm下，用10 mm比色杯分别测量样品管中样液的吸光度，取平均值。通过用线性回归方程求出纤维素酶活[13]。

2 结果与分析

2.1 烟杆化学组成分析

首先对提供的样品进行了部分化学组成的检测，尤其是对于纤维素类的物质成分进行了定量分析。在提供的烟杆样品中，总纤维素含量达到77.44%，木素含量大约为18.63%，果胶含量为3.89%，苯-醇溶出物含量为3.21%，另外还有5%左右的灰分。可见，烟杆中含有丰富的纤维素类物质资源，如果能够对这些纤维素降解后加以利用，完全可以提高烟杆废弃物的利用价值。

2.2 纤维素菌的筛选

在筛选出来的微生物中有11组菌种能利用烟杆生长，将其分别编号为H2568、H1249、H1348、H1764、H4479、B1、M1、N1、Y1、Y2、Y3。进行下一步烟杆液体发酵试验以确定所需纤维素菌。

2.3 纤维素菌的确定

初步筛选的11组菌株在降解烟杆多糖生成还原糖的能力上差异较为显著。从图2可以看出，这些微生物生成还原糖的量从高到低的顺序依次为B1、M1、H2568、N1、H1249、H1348、Y3、H1764、H4479、Y2、Y1。选取其中降解能力最强的5株菌H1249、H2568、B1、M1、N1，作为下一步菌种协同降解作用的基础进行拮抗试验。

2.4 不同菌种拮抗结果

有很多试验研究表明，复合菌群较单一菌的降解能力强，特别是针对纤维素、木质素等需多种酶协同降解的物质，不同菌种组合起来可以起到补充和加强分解的作用。但在同一生长环境下，不同菌株之间产生拮抗性作用会抑制其自身生长和产酶活力。利用菌株之间不相容性，进行拮抗性试验，从表1可以看出：H1249与B1拮抗，选取相对降解能力更强的B1。得到所需的4株无明显拮抗性的菌株H2568、B1、M1、N1，可用于下一步菌种组合研究。

2.5 半纤维素、木质素和纤维素的降解情况

在多菌株协同降解试验中发现H2568、B1和M1这3种菌种以等量进行组合时能够取得较好的降解效果（图3），纤维素、半纤维素、木质素的降解率分别达到了47%、63%、26%。因此，对烟杆纤维素降解效果最为理想的协同菌群组合确定为H2568+B1+M1。

2.6 组合菌酶活力与发酵时间的关系

将上述试验中确定的最佳组合菌H2568-B1-M1烟杆液体发酵15 d[14]，观察其发酵过程中酶活力的变化情况（图4），发酵第11天时，发酵体系中纤维素酶的活力最高，达到625.44 U/mL，随后酶活力开始逐步降低。

2.7 组合菌酶活力与发酵温度的关系

高温对菌株的生长与产酶不利，但由于现阶段烟杆大多处理方式为堆肥，那么固态发酵所需升温过程不能避免，因此需要筛选出的组合菌能够耐高温来适应固态堆肥。从图5可以看出，在发酵11 d后，H2568-B1-M1的纤维素酶活不可避免的受到高温影响，但是即使在60 ℃下仍能达到250.47 U/mL。组合菌耐高温试验证明了H2568-B1-M1能长期保持较高的纤维素酶活力且耐高温。

2.8 菌量比例对协同降解作用的影响

确定H2568、B1与M1为最佳的菌种组合后，对其接种时的比例进行优化试验。从图6可以看出，H2568、B1与M1以1.0∶1.0∶1.5的比例组成烟杆发酵种子液时，取得了最佳效果。其纤维素降解率、半纤维素降解率、木质素降解率分别达到56%、70%、33%，较1.0∶1.0∶1.0配比时的降解能力显著提升。

3 结论与讨论

烟叶产量的增加同时产生了大量的废弃烟杆。由于烟杆不易腐烂也不能直接用于肥田，因而绝大部分都是作为废弃物被丢弃或焚烧，这不仅不同程度地污染了当地的生活生产环境，也造成了资源的浪费。经试验证明通过微生物发酵将烟杆中的大分子物质降解，将纤维素、半纤维素、木质素降解为小分子的单糖，使卷烟制造产生的废弃物转化为农业生产中急需的有机肥，具备广阔的生产应用前景。而烟杆中有机质的降解依赖于微生物是否产生多种酶系和产各种酶系活力的强弱。基于纤维素酶的复杂性，大量试验证明，复合菌液体发酵产纤维素酶活力高于单菌株，在同一生长环境下，相互依赖，共同生长，达到良好的协调作用。因此，筛选出无明显拮抗、耐高温、长时间具备高酶活且能高效降解烟杆的组合菌是试验的基础。在自然环境中常见的纤维素分解细菌大多为食纤维菌属、生孢食纤维菌属、多囊菌属、镰状纤维菌属与纤维弧菌属。具有很强的纤维素分解能力的真菌主要有木霉、镰刀霉、青霉、曲霉、毛霉、葡萄孢霉等属的菌种。本试验前期筛选了多种能降解纤维素的细菌、真菌用于进一步测试它们对烟杆的降解能力。因此，确定最佳的降解烟杆组合菌是为下一步研究提供了根本的基础。本试验中纤维素酶活力和还原糖的生成量能说明菌种自身降解能力的强弱，从另一角度总纤维素、半纤维素、木质素的变化情况反映了组合菌的降解效率。H2568-B1-M1以1.0∶1.0∶1.5的比例进行烟杆液体发酵，11 d后其纤维素降解率、半纤维素降解率、木质素降解率分别达到56%、70%、33%，说明经H2568-B1-M1产生多种酶系，促进了有机质的降解，对烟杆的降解取得了较显著效果，进一步提高纤维素酶活力，增加还原糖的生成量，提高纤维素、半纤维素、木质素的降解率，为进一步进行烟杆固体发酵奠定基础。

4 参考文献

[1] 刘国顺.烟草栽培学[M].北京：中国农业出版社，2003：67.

[2] 董二慧，谭红，包娜，等.我国烟叶中烟碱的研究现状[J].广州化工，2012，40（15）：33-35.

[3] 张承龙.烟杆的资源化利用技术现状[J].云南环境科学，2002，21（3）：56-57.

[4] 杨政明，尚海丽.烟草废弃物生产新型生物有机肥、有机无机复混肥对核桃生长的影响[J].云南农业科技，2012（6）：4-6.

[5] 詹其厚，马友华，汪建飞，等.烟草废弃物有机复混肥在夏玉米上的施用效果研究[J].安徽农学通报，2012，18（12）：109.

[6] 张从军，王德生，邹长明.烟草有机复混肥在水稻上的施用效果[J].安徽农学通报，2012，18（15）：83-84.

[7] VARGAS-GARCIA M C，SUAREZ-ESTRELLA F，LOPEZ M J，et al.Effect of inoculation in composting processes：Modifications in lignocellulosic fraction[J].Waste Management，2007，27：1099-1108.

[8] 张楠，刘东阳，杨兴明，等.2010.分解纤维素的高温真菌筛选及其对烟杆的降解效果[J].环境科学学报，2010，30（3）：549-555.

[9] 周熠，冯波，林元山，等.烟杆鸡粪堆肥发酵生物菌肥工艺研究[J].现代农业科技，2014，18（3）：208.

[10] 迟建国.白腐菌对烟叶木质素含量的影响[J].贵州农业科学，2013（7）：138-139.

[11] 范鹏程，田静，黄静美，等.花生壳中纤维素和木质素含量的测定方法[J].重庆科技学院学报（自然科学版），2008（5）：64-65.

[12] 王玉万，徐文玉.木质纤维素固体基质发酵物中半纤维素、纤维素和木素的定量分析程序[J].微生物学通报，1987（2）：81-84.