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開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇木質纖維素，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
（貴州師范大學生命科學學院，貴陽 550001）
摘要：運用超聲波輔助提取、DFRC（衍生化后的還原裂解）法結合氣相色譜－質譜法（GC－MS）對竹柳（Salix maizhokunggarensis N． Chao）細胞壁綜纖維素和木質素單體進行了測定；采用差重法和Kalson法結合紫外分光光度法測定了竹柳細胞壁綜纖維素和木質素含量。結果表明，竹柳細胞壁綜纖維素單體包括D－木糖、L－阿拉伯糖、D－半乳糖、D－葡萄糖、L－巖藻糖和D－纖維二糖，木質素主要由愈創木基（G）和紫丁香基（S）組成。竹柳細胞壁綜纖維素含量為80．16％，木質素含量為19．84％。
關鍵詞 ：竹柳（Salix maizhokunggarensis N． Chao）；綜纖維素；木質素；衍生化后的還原裂解（DFRC）法
中圖分類號：S781．42文獻標識碼：A文章編號：0439－8114（2015）01－0097－03
DOI：10．14088／j．cnki．issn0439－8114．2015．01．025
Holocellulose and Lignin in Cell Wall of Bamboo Willow
LI Qiang，JIANG Shan
（School of Life Sciences， Guizhou Normal University， Guiyang 550001， China）
Abstract： The cell wall of bamboo willow（Salix maizhokunggarensis N． Chao） was extracted with ultrasonic wave－assisted technique. The monomer of holocellulose and lignin was extracted by DFRC （Derivatization Followed by Reductive Cleavage） method and analyzed via gas chromatography－mass spectrometry （GC－MS）． The total amounts of holocellulose and lignin in cell wall of bamboo willow were measured by dispersion method and Klason method combined with UV spectrophotometry． Results showed that holocellulose in cell wall of bamboo willow contained D－Xylose， L－Arabinose， D－Galactose， D－Glucose， L－Fucose and D－Cellobiose． The lignin from bamboo willow consisted of guaiacyl（G） and syringl（S） units． The total holocellulose content in cell wall of bamboo willow was 80．16％ and the total lignin content was 19．84％． The method will provide reference for qualitatively and quantitatively analyzing of other timber．
Key words： bamboo willow（Salix maizhokunggarensis N． Chao）； holocellulose； lignin； DFRC method
收稿日期：2014－05－15
基金項目：國家自然科學基金項目（30860158；31260426）
作者簡介：李 強（1981－），男，安徽樅陽人，在讀碩士研究生，主要從事植物抗病性研究，（電話）13538771922（電子信箱）
unsinkablesoul＠163．com；通信作者，姜 山，教授，博士，主要從事植物防衛反應研究，（電話）13628501176（電子信箱）
kyosan200312＠hotmail．com。
植物細胞壁主要由綜纖維素、木質素和蛋白質組成，作為植物光合作用產物的主要貯積方式，構成了地球植物生物量的主要組成部分。纖維素是無水葡萄糖以β－1，4糖苷鍵組成的長鏈分子，半纖維素是戊糖、己糖和糖酸所組成的不均一聚糖［1］，木質素是由苯丙氨酸經脫氨莖、羥基化、甲基化和氧化還原反應，生成3種主要單體香豆醇、松柏醇和芥子醇，這些單體經氧化偶聯聚合生成相應的3種木質素：對羥基苯基木質素（H）、愈創木基木質素（G）和紫丁香基木質素（S）［2］。綜纖維素和木質素是組成木材的主要成分，它們的組成及含量與木材的性質以及木材的加工利用密切相關［3］。一般情況下，纖維素含量越高，則制漿率越高；而木質素交聯在纖維素和半纖維之間形成致密的網狀結構，是木材造紙的一大難題，木質素含量越低，制漿漂白越容易，消耗的化學藥品越少［4，5］。通過基因工程方法調控木質素含量和組成類型，優化植物光合作用所生產的生物量在綜纖維素和木質素之間的分配對木材的制漿性能有很大的潛在價值［6］。測定細胞壁中綜纖維素和木質素單體成分及含量無疑為提升木材工業化應用提供了重要參考依據。
竹柳（Salix maizhokunggarensis N． Chao）為楊柳科（Salicaceae）柳屬（Salix）落葉喬木，是經選優選育出的一個柳樹品種，由于其同時具有染色體加倍實現的倍性優勢和雜種優勢，故不僅具備柳樹所有優良特性，且具有生長速度快、抗逆性強、材質好等特點，因此作為工業原料林具有一定優勢［7］。以往對于竹柳的研究主要集中在纖維質量及制漿性能方面，對于其細胞壁中綜纖維素和木質素的單體成分及含量報道非常少。為此，采用超聲波輔助提取、衍生化后的還原裂解（DFRC）法結合GC－MS分析了竹柳細胞壁綜纖維素和木質素單體成分，同時還采用差重法和Kalson法結合紫外分光光度法測定了綜纖維素和木質素含量對DFRC法結果加以驗證，以期為更好地開發利用竹柳奠定基礎。
1 材料與方法
1．1 材料
試驗材料為取自貴州省黔南地區的一年生竹柳。
儀器：QP2010c型氣相－質譜聯用儀（Shimadzu公司，數據庫為NIST27、NIST147）；LX－02多功能粉碎機；101A－3型電熱鼓風干燥箱；HHS型電熱恒溫水浴鍋；分析天平（十萬分之一，梅特勒－托利多儀器有限公司）；KQ－500DE型數控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；N－1001型EYELA旋轉蒸發儀；精密酸度計（上海大普儀器有限公司）。
試劑：乙醇、二氯甲烷、三氯甲烷、甲醇、丙酮、乙酸、溴乙酰、二氧六環、鋅粉、膽固醇，均為市售分析純。
1．2 細胞壁樣品提取
樣品粉碎后，過60～80目篩，然后每克樣品加40 mL體積分數80％的乙醇超聲處理10 min，4 000 r/min離心5 min，去上清，重復4次，再依次用氯仿／甲醇（2∶1，V∶V）和丙酮抽提1次，空氣風干［8］。
1．3 DFRC法分析細胞壁樣品
1．3．1 溴乙酰衍生和細胞壁溶解反應 準確稱量50 mg（W1）細胞壁樣品加到50 mL具塞三角瓶中，加入10 mL新鮮配制的溴乙酰溶液（溴乙酰∶乙醇=1∶4，V／V），蓋上玻璃塞于50 ℃輕輕攪拌3 h，然后在50 ℃以下負壓蒸干［9］。
1．3．2 還原斷裂反應 向具塞三角瓶中加入10 mL二氧六環／乙酸／水（5∶4∶1，V／V／V），再加入200 mg（W2）鋅粉，常溫攪拌30 min，然后用砂芯漏斗過濾，濾渣于60 ℃烘至恒重（W3），濾液全部轉入預先備有15 mL二氯甲烷和15 mL飽和氯化銨的分液漏斗中，加入200 μL內標（80 mg膽固醇溶解于2 mL二氯甲烷），水相用3％的鹽酸調到pH 3以下，充分混勻，靜置分層并收集下部二氯甲烷相。另外用15 mL二氯甲烷萃取飽和氯化銨相，重復2次，合并二氯甲烷相，低壓旋轉蒸干，乙酰化后上GC－MS分析［10］。
1．3．3 計算反應率
1．4 竹柳細胞壁綜纖維素含量測定
稱取約1．5 g細胞壁樣品，于60 ℃烘至恒重W4，再轉入250 mL碘量瓶中，加入150 mL 2 mol／L的HCl，105 ℃保溫50 min，然后用去離子水沖洗過濾至濾液pH 6．5～7．0，接下來依次用體積分數95％的乙醇、無水乙醇、丙酮各洗滌2次，殘渣轉入已恒重的坩堝（W5）中，于60 ℃干燥箱中烘至恒重（W6）。將殘渣轉入150 mL燒杯中，加入15 mL預冷過的72％的硫酸水解3 h，然后加去離子水135 mL，室溫過夜，殘渣次日用去離子水沖洗過濾至濾液pH 6．5～7．0，濾渣轉入已恒重的坩堝（W7）中，于60 ℃干燥箱中烘至恒重（W8）。按公式（2）、（3）、（4）計算半纖維素、纖維素和綜纖維素含量，平行測定樣品6份，取平均值［11，12］。
綜纖維素含量＝半纖維素含量＋纖維素含量（4）
1．5 竹柳細胞壁木質素含量測定
準確稱量1 g（W9）細胞壁樣品，加72％的硫酸15 mL，室溫攪拌4 h，轉入1 000 mL圓底燒瓶中，加560 mL去離子水稀釋硫酸濃度至3％，加熱回流2 h，再用砂芯漏斗過濾，收集濾液，殘渣用熱水洗滌至中性，轉入已恒重的坩堝（W10）于105 ℃烘干至恒重，稱量（W11）并按公式（5）計算酸不溶木質素含量，平行測定樣品6份，取平均值［12，13］。
濾液在205 nm波長下測吸光度，如果吸光度大于0．7，則用3％的硫酸溶液稀釋，當吸光度為0．2～0．7，按公式（6）和公式（7）計算，平行測定樣品6份，取平均值。
式中，B為濾液中酸溶木質素的含量（g／1 000 mL）；A為吸光度；D為樣品濾液的稀釋倍數；V為濾液總體積；110為吸光系數［L／（g·cm）］。
木質素含量＝酸不溶木質素含量＋酸溶木質素含量 （8）
2 結果與分析
2．1 DFRC法分析細胞壁成分
衍生化后的還原裂解（DFRC）法包括兩個重要步驟：①細胞壁在溴乙酰和乙酸混合溶液中溶解，②鋅粉催化還原裂解，在溴乙酰中植物細胞壁被溶解，酸性環境下細胞壁多糖進一步水解［14，15］，結合GC－MS通過查找數據庫可以確定樣品DFRC法獲得的化合物組成，進一步解析樣品細胞壁成分。通過計算反應率得出，大于95％的竹柳細胞壁參加了反應，所以試驗中DFRC法產物包含了竹柳細胞壁的主要物質組成。
表1是竹柳細胞壁DFRC降解物氣相色譜檢測到的主要化合物保留時間、名稱以及含量，除9和10是內標膽固醇及其乙酰化產物外，1~8是竹柳細胞壁DFRC法檢測到的主要產物：D－木糖乙酸酯、L－阿拉伯糖乙酸酯、D－半乳糖乙酸酯、愈創木基乙酸酯、D－葡萄糖乙酸酯、紫丁香基乙酸酯、L－巖藻糖乙酸酯和D－纖維二糖乙酸酯。根據構成綜纖維素和木質素的單體類型可知，竹柳細胞壁綜纖維素單體主要是D－木糖、L－阿拉伯糖、D－半乳糖、D－葡萄糖、L－巖藻糖和D－纖維二糖，木質素的單體主要是G型和S型，沒有檢測到H型單體。不計算內標的情況下，綜纖維素和木質素的含量分別為80.16%和19.84%。
2．2 竹柳細胞壁綜纖維素和木質素含量分析
半纖維素是戊糖、己糖和糖酸所組成的不均一聚糖，易水解，高溫下經稀酸處理幾乎可以把半纖維素全部水解成可溶性糖；纖維素是β－1，4糖苷鍵組成的長鏈分子，長鏈分子進一步形成一種具有高度結晶區的超分子穩定結構，該結構可以被濃酸溶解，在溶解過程中導致纖維素的均相水解［1］，因此依次用鹽酸、硫酸水解竹柳，準確稱量水解前后的重量并計算差重可以得出半纖維素、纖維素以及綜纖維素含量。采用Klason法和紫外分光法分別測定酸不溶木質素和酸溶木質素含量，試驗沒有檢測植物含有的少量礦質元素，結果見表2。從表2可知，綜纖維素含量為79．03％，木質素含量為20．35％，對比DFRC法測定的糖類和木質素類含量，可以得出兩種方法測得的結果基本一致，說明DFRC法檢測出的竹柳細胞壁各成分含量可靠。
3 小結
竹柳細胞壁綜纖維素單體主要包括D－木糖、D－阿拉伯糖、D－半乳糖、D－葡萄糖、L－巖藻糖和D－纖維二糖，木質素單體主要為G型和S型。據文獻報道，硬木H型木質素單體含量一般很少甚至沒有，Lu等［9，14］在同是柳屬的柳樹中檢測到的H型木質素單體含量相對于G型和S型也非常低（＜1％），而試驗在竹柳細胞壁中沒有檢測到明顯的H型木質素單體，原因有可能是竹柳細胞壁中H型木質素單體的含量過低，或是沒有H型木質素單體的存在，這需要進一步的試驗論證。同時還測得綜纖維素含量為80．16％，木質素含量為19．84％。試驗中采用的DFRC法是美國威斯康星州牧草研究中心建立的用于解析細胞壁結構的新方法，具有對試驗條件要求不高、操作流程簡潔和結果可靠等優點，目前國內鮮有將該方法運用于硬木細胞壁的研究。利用該方法對竹柳細胞壁綜纖維素和木質素單體及含量的研究，將為竹柳在工業木材應用中的深入發展奠定一定的基礎，還可為其他工業木材的定性定量分析提供借鑒。
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1.秸稈資源現狀
木質纖維素類生物資源是世界上最多的可再生資源，全世界每年的產量估計為1010噸，其中秸稈占可利用生物質產量的70%左右。在中國，農作物秸稈的年產量為8.42×108噸，而且以1.3%的速度遞增，在農作物秸稈中玉米秸稈所占的比例最大，為24%，目前國內秸稈中，直接用作生活燃料的約占20%，用作肥料還田的約占15%，用作飼料的約占15%，用作工業原料的約占2%，其余被廢棄或直接燃燒的約占48%，這造成了極大的資源浪費和環境污染。國內外的專家學者對秸稈資源經濟有效的利用方法進行了大量研究，但到目前為止，國內對秸稈資源在飼料中的應用研究相對較少。
2.秸稈的生物質特性及營養組成
2.1 秸稈的生物質特性 木質纖維素由纖維素、半纖維素和木質素三大類主要的聚合物組成。一般條件下，纖維素不易溶于水、有機溶劑、堿以及稀無機酸溶液，僅在不加熱的條件下用濃無機酸處理，或者在高溫高壓條件下，用稀無機酸處理，纖維素才被分解為單糖。半纖維素是一類復雜的碳水化合物的組成結構，草類和秸稈中的主要半纖維素是木聚糖，木材中的主要半纖維素是葡甘露聚糖。在細胞壁中半纖維素位于許多纖維素和木質素之間，組成纖維素、半纖維素和木質素的緊密結構。半纖維素在酸性和堿性環境中最容易被提取，而葡甘露聚糖在酸性環境下幾乎不能被提取出來，必須在強堿的作用下才能分離。在木質纖維素的所有結構中，半纖維素是對熱化學因素最敏感的成分。木質素在植物細胞壁中的含量僅次于纖維素和半纖維素，是一類由苯丙烷結構單元組成的無定型復雜復合物，木質素在植物細胞壁中起著結構支撐，保持細胞壁的不通透性，抵抗微生物攻擊和抗氧化等作用，所有這些特性，使木質素成為植物細胞壁中最難降解的成分。木質素和半纖維素形成牢固結合層，緊緊地包圍著纖維素，阻礙酶和其他物質與纖維素的接觸。因此，在木質纖維素的預處理過程中，木質素的去除是非常重要的。
2.2 秸稈的營養組成 秸稈是脫粒后成熟植株的殘余物。當植物成熟時，在莖和葉中只剩下少量的蛋白質、脂肪、類脂肪和易消化的碳水化合物，家畜營養所必須的各種礦物質的含量顯著減少。維生素，特別是胡蘿卜素幾乎全部被破壞。未經處理的秸稈適口性較差，體積較大，且動物的消化利用率較低。秸稈的化學成分主要是纖維性物質，以干物質計，中性洗滌纖維（ND）約為70%～80%，酸性洗滌纖維（ADF）約為50%～60%，粗蛋白含量約為3%～6%。
3.秸稈資源的預處理研究進展
秸稈預處理的目的是提高秸稈的消化率，使其在水解過程中能夠釋放出較多的糖類。目前，許多秸稈預處理方法已經被研究和應用，秸稈預處理過程要求能夠有效提高秸稈的消化率并且產生較少的抑制因子。秸稈的處理方法有物理處理、化學處理、物理化學綜合處理和生物處理法，在實際生產中通常采用不同方法的組合來獲得最大的糖釋放量、最低的毒素產量和能量消耗。
3.1 物理處理 物理處理能夠降低秸稈的尺寸，提高秸稈的可接觸面積，降低秸稈纖維素的晶度和聚合度，提高后處理過程的效率。物理預處理方法包括機械粉碎處理、熱處理、微波處理等。機械粉碎是降低秸稈尺寸的最基本的預處理步驟，能夠有效提高后續處理的效率，粉碎處理通常是切斷、粉碎和磨碎等綜合處理，處理后的最終尺寸不盡相同。秸稈的水分含量、成分以及最終粉碎的尺寸均影響能量的需要和后續處理效率，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；熱處理是秸稈預處理的常用方法。熱處理的溫度超過150℃～180℃，秸稈中的物質開始溶解，半纖維素首先釋放出來，接著部分木質素也開始溶解；微波作為一種方便、高效和清潔的能源，不同于傳統的熱處理方法，對于某些化學反應可以大幅提高反應速度，已廣泛地用于有機合成、化學催化及高分子聚合等反應過程。運用微波對植物纖維原料進行預處理可降解木質素和半纖維素，改變植物纖維原料超分子結構，使纖維素結晶區尺寸發生變化，提高植物纖維素酶的水解效率。
3.2 化學處理 秸稈的化學預處理包括酸處理、堿處理以及H2O2和SO2等氧化劑的處理。在所有這些方法中稀H2SO4預處理是被廣泛應用的方法。酸處理的主要目的是轉化半纖維素，使纖維素更易被酶解。酸處理有稀酸處理和濃酸處理2種。濃酸處理可以在室溫下進行，得到較高的糖產量，但是濃縮處理過程產生抑制因子，影響后續反應，加上樣品中較高濃度的酸和設備腐蝕等，極大地限制了該處理方法在實際生產中的應用。稀酸處理使一些木糖類等主要的半纖維素溶解，并且轉化為可溶性糖類。然而，在稀酸水解過程中，半纖維素在較低的溫度下可以發生解聚，抑制后續發酵過程中微生物的生長；用于堿處理的堿包括氫氧化鈉、氫氧化鈣、氫氧化鉀和氨水等，氫氧化鈉是所有堿處理試劑中研究最多的，是玉米秸稈預處理的最佳方法。但氫氧化鈉在實際生產中的使用成本相對較高，而且對動物生產存在一定的安全隱患。氫氧化鈣也是廣泛應用的一種堿處理試劑，能夠去除秸稈中的木質素，提高秸稈的結晶度，通過去除秸稈中的木質素提高纖維素的可接近度和酶的作用效果。但實際生產研究結果表明，隨著時間的增加，經氫氧化鈣預處理的秸稈容易受到霉菌的污染；氧化劑處理。木質纖維素在H2O2和過乙酸等氧化劑的作用下能夠發生氧化降解作用，去除其中的木質素和半纖維素，使纖維素容易被酶和微生物作用。但氧化劑的作用通常沒有選擇性，在木質素被氧化的同時，纖維素和半纖維素通常也有一定的損失，并且木質素被氧化的同時也產生一些酚類化合物，抑制后續的生物轉化。
3.3 物理化學綜合處理 木質纖維素成分的降解與溫度、pH值和壓力等因素有關，是物理化學因素綜合作用的結果。許多的熱處理都屬于物理化學綜合處理，在熱處理中，如果室溫升到150℃～180℃以上，在木質纖維素的成分中，半纖維素（主要包括木聚糖和葡甘露聚糖）是對熱最敏感的成分，首先開始降解，然后是木質素開始溶解，一部分半纖維素被水解并形成酸性物質，這些酸進一步催化半纖維素的水解。熱處理在降解半纖維素的同時，會降解一部分的木質素，產生的降解復合物通常包括酚類物質，這些物質在許多情況下是細菌、酵母等其他微生物生長的抑制因子。蒸汽爆破、液體熱水處理和酸堿的熱處理是常用的物理化學綜合處理方法。
3.4 生物處理 生物處理與其他預處理方法相比，消耗較少的化學物質和能量，是一種生物安全、環境友好的秸稈處理方式，目前很多的研究都在尋求一種可控制的、快速有效的生物處理方法。微生物發酵處理。用微生物來提高秸稈的質量是很有前景的秸稈處理方法。在自然界中有許多細菌和真菌可以利用天然的木質纖維素類；酶水解處理。酶水解纖維素通常具有高度的針對性，纖維素被水解后，通常會產生葡萄糖等一些糖類物質，酶類發酵秸稈通常可以在比較溫和的條件下進行，和酸堿處理秸稈相比，成本較低且不會腐蝕機器設備。
關鍵詞：生物乙醇 纖維素酶 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
隨著石化燃料由短缺變成枯竭，能源危機是人類面臨的共同問題。1998年，Campbell和Laherrere對石油儲備和未開發的石油進行評估后認為，天然油在2010年前的產量就開始下降，到2050年全球每年石油供應量將從目前的25億桶下降到5億桶[1]。隨著石化燃料供應的減少，尋找新的能量來源關系到經濟的可持續發展乃至人類的生存問題。生物乙醇作為一種可再生的、經濟上可承受的，并且對環境安全的能源物質將逐漸成為石油的替代品[2]。生物乙醇的生產經歷了以1代淀粉原料生產乙醇和以木質纖維素為代表的非淀粉原料的2代生物乙醇工業。2代生物乙醇生產克服不與食品的供應之間存在競爭，但是纖維素酶產量低、不穩定、難以工業化導致2代生物乙醇的生產成本大大提高。本文從生物乙醇產業發展過程、木質纖維質物質生產生物乙醇的市場前景及纖維素降解酶的研究進展進行綜述，為生物乙醇生產產業的提升、纖維素工程菌的研發提供基礎。
生物乙醇產業發展過程
從上世紀80年代開始，人們就開始以谷物為原料來生產乙醇用作供氧燃料，這些被業內稱為第1代燃料乙醇的原料。在一些國家，如美國、加拿大、巴西、中國等，乙醇已經被廣泛地摻入到汽油中來代替純汽油使用，其中乙醇的體積含量可達到10%。最近美國正在實施一項混合燃油計劃E85，即汽車制造商生產一種可使用乙醇混合物E85（85% 的乙醇和15% 的汽油按體積比混合）的汽車[3]。巴西早在1929年就建立了一項利用乙醇作為發動機燃料的計劃，并在接下來幾年里安裝了第一個使用乙醇作為燃料的發動機。1984年，巴西要求新生產的汽車能使用水化生物乙醇（96%的生物乙醇+4%的水）作為燃料[3]。混合燃料的使用不僅可以減少汽油的使用量，還可以降低溫室效應氣體以及有毒氣體的釋放。
但是隨著世界人口的不斷增長，以谷物等第1代淀粉原料生產乙醇就與食品的供應之間存在競爭，這些谷物為原料生產乙醇就不能滿足全球的需求。中國在過去三十年中GDP的年平均增長量為10%，這使得中國成為世界上最大的燃料消費國之一，同時也成為世界上造成空氣污染最嚴重的國家。由于大部分的能源由燃燒化石燃料提供，中國政府正努力解決諸如國內因迅速枯竭的石油和天然氣資源而越來越依賴進口石油來滿足國內一半的實際需求[4]，以及嚴重的環境污染等問題。為了改善現狀，中國政府決定增加使用能源的種類，尤其提倡使用可再生的、排放更少溫室氣體的燃料，如乙醇這樣的生物燃料和生物柴油。由于生物燃料從諸如玉米、木薯、大豆這樣的農產品中提取而來，這對改善中國農村人口的經濟狀況有積極影響。除了向乙醇生產者發放津貼以鼓勵乙醇的生產之外，中國政府近年來也強制要求中國十個省份必須銷售濃度為10%的乙醇汽油，這些措施使得中國2008年的乙醇產量迅速達到14.6億升且在2010年達到21.5億升，一舉成為繼美國和巴西之后的世界第三乙醇生產大國。盡管中國政府之前要求到2020年國內乙醇的年消費量要達到100億升，然而由于擔心乙醇生產可能與食物生產行業形成競爭，且考慮到國內農村可用耕地數量有限，以及水資源供應短缺的問題，中國政府于2007年宣布暫停國內谷物乙醇的生產。
為了解決這個矛盾，以木質纖維素為代表的非淀粉原料成為生物乙醇生產的重要原料物質。木質纖維素，其結構復雜，有三種：纖維素35%～37%、半纖維(23-25%)和木質素(18-22%)組成。每年光合可產生大于1，500億噸的植物干物質，其中一半以上是纖維素和半纖維素[5]。另外，人類活動產生的廢棄物中也含有大量的纖維素，如農業廢物( 稻草、稻殼、麥稈、花生殼、玉米芯、棉籽殼、甘蔗渣等)、食品加工廢物(果皮、果渣等)、木材廢物(木屑、樹皮)以及城市廢棄物(40%~60% 固體廢物是垃圾和廢紙)等。如果能有效地利用生物轉化技術將這些纖維素轉化成簡單糖，再發酵產生乙醇等能源物質，不僅可以變廢為寶，而且還可以避免由于化石燃料燃燒所帶來的環境污染，更重要的是可以緩解或解決石化能源短缺乃至枯竭所帶來世界性能源危機。
木質纖維質物質生產生物乙醇的市場前景
到2020年，全世界從木質纖維素物質生產生物乙醇的產量大約是165億加侖（合計約625億升），美國將占有63.9%的市場，歐洲和中國分別將占有10.4%和11.5%的市場[3]。目前，生物乙醇的產業，尤其是非淀粉類的生物乙醇產業主要在于政府的補貼和維持，其原因在于利用木質纖維生產生物乙醇的生產成本較高。第1代淀粉類原料與第2代非淀粉類原料發酵生產生物乙醇不同之處在于前面的預處理和酶解糖化過程。淀粉類原料很容易被酶接觸到，就被淀粉酶和糖化酶酶解為葡萄糖(C6糖)，然后葡萄糖再被普通的酵母發酵生產出乙醇，這樣，生產工藝環節少，流程短，成本就非常低。但是木質纖維素物質經過自然選擇和漫長進化，木質素將半纖維素和纖維素緊密包裹在內部，形成緊密結構，被天然“設計”成可以抵御酶進攻的分子結構。因此與淀粉乙醇不同的是首先要有高溫高壓蒸汽或結合加酸堿等化學品的預處理技術將緊密結構打開，讓酶能夠接觸到纖維素和半纖維素。纖維素和半纖維素酶解后發酵可以生產出乙醇[6]。纖維素酶解后可得到葡萄糖(C6糖)，半纖維素酶解后可得到木糖(C5糖)，淀粉類和纖維素都是由葡萄糖聚合成的長鏈結構，只是結合的方式不同而已，因此酶解過程需要的酶是不同的；而半纖維素是由C5糖聚合而成的長鏈結構，也需要特定的酶。纖維素及半纖維酶的成本更高，這也是導致木質纖維素乙醇成本比淀粉乙醇高的重要原因之一。在每加侖生物乙醇的生產中，利用木質纖維生產，纖維素酶的成本大約是15-20美分，而利用淀粉類生產，淀粉酶的費用僅僅只占到了2－4美分[7]。因此要想提高纖維素生產生物乙醇的市場的競爭力，提高纖維素酶的產量，降低纖維素酶的成本成為解決問題的關鍵因素。我國是纖維素酶的需求大國，由于纖維素酶的廣泛應用，我國市場需求量將以每年25%～35%的速度上升，用纖維素酶產業化生產生物乙醇的關鍵技術將在未來幾年內得到解決，那時我國纖維素酶年需求量將增加到25-40萬噸，每年將為我國節省生產燃料乙醇用糧500-1，000萬噸[8]。由于產酶菌種落后，產率低，成本高，嚴重影響我國纖維素酶工業發展，從而阻礙了以木質纖維素為原料的2代生物乙醇工業的發展。
木質纖維素及纖維素降解酶
木質纖維素，其結構復雜，有三種：纖維素(35%～37%)、半纖維(23%-25%)和木質素(18%-22%)組成[9]。纖維素屬于可再生自然資源，是生物界最重要的碳源物質，每年由光合作用產生的植物干質量約1，500億噸，其中纖維素占850億噸[5]。
纖維素酶(cellulase)是指能夠水解纖維素β-1，4-D-葡萄糖苷鍵，使纖維素變成纖維二糖和葡萄糖的一組酶的總稱。纖維素酶是一種具有很高活力的木聚糖酶，是一種復合酶，屬生物催化劑[10]。纖維素酶主要是指三類關鍵酶:（1）外切型纖維素酶，系統命名為外切β-1，4-D-葡聚糖酶，又稱纖維二糖水解酶(EC3.2.1.91，也稱Cl酶)。這類酶作用于纖維素線狀分子末端，水解β-1，4-糖苷鍵，每回依次從纖維素分子中切下一個纖維二糖分子，所以又稱纖維二糖水解酶(簡稱CBH)。（2）內切型纖維素酶，系統命名為內切β-l，4-D-葡聚糖酶(EC3.2.1.4，也稱Cx酶或CMCase)。這類酶是纖維素酶中最重要的酶，它作用于纖維素分子內部的非結晶區，隨機水解β-1，4-糖苷鍵，將長鏈纖維素分子截短，產生大量帶有非還原末端的小分子纖維素。（3）纖維二糖酶，系統命名為β-葡萄糖苷酶(EC2.1.21，也稱CB酶)，這類酶將纖維二糖水解成葡萄糖分子。當以上三種纖維素酶的關鍵酶的活性比例適當時，就能協同作用完成對纖維素的降解，但各個酶組分單獨作用時效果極差。所以說纖維素酶降解纖維素時一個協同表達和作用的過程[11-12]。
不同來源的纖維素酶分子特征和催化活性都不盡相同。細菌產生的纖維素酶量少，主要是內切酶，大多數對結晶纖維素沒有活性，而且不能分泌到細菌細胞外，常常聚集形成多酶復合體[13]。真菌能產生大量的纖維素酶，產生的酶組分，能分泌到菌體外，一般不聚集成多酶復合體，但可以相互發生強烈的協同作用。纖維素酶分子的大小因來源不同也有明顯的差異，變化范圍很廣。多數真菌和少數細菌的纖維素酶都受到糖基化，所含碳水化合物的比率不同在很大程度上決定了酶的多型性，表現為分子量的差別[14]。纖維素酶的酶活力一般都很低，因而酶生產成本高。據報道，纖維素水解成葡萄糖所需的酶蛋白要比淀粉相應水解所需的大100倍，這是影響纖維素酶實際應用的重要原因之一[3]。
迄今為止，人們已從40多種細菌和數種真菌中克隆到了多種纖維素酶基因，有一百多種基因可在大腸桿菌中表達，大多數克隆的纖維素酶基因能產生信號肽，從而使表達產物部分或全部轉移至E.coli的細胞質間隙[15]。雖然克隆到大腸桿菌的基因，不需要載體的啟動子就可表達，但表達水平很低，推測可能是其啟動子不能完全被識別的緣故。但在大腸桿菌中表達纖維素酶基因存在兩個主要問題:一是提取有很大困難，二是表達水平低、酶蛋白不能分泌，離工業化應用的目標還有一定的距離，所以在纖維素酶基因的表達方面人們將目光轉向了真核表達系統[16]。
木霉屬是研究最廣泛的纖維素酶產生菌[6]，世界纖維素酶市場中的纖維素酶20%是來自木霉屬和曲霉屬[17]。綠色木霉是一種在各種氣候帶的土壤中能夠普遍存在的一種多細胞絲狀真菌，能夠分泌完全的纖維素酶系，其中產量較高并且穩定，是目前纖維素酶商業化生產的主要生產菌株[18]。對于綠色木霉的研究直到九十年代初僅有CBHⅠ基因克隆的報道，王建榮、張曼夫利用里氏木霉的基因序列同源片段做探針，構建了綠色木霉基因文庫，并克隆了CBHⅠ、CBHⅡ基因，并對其基因結構進行了研究[19]。
纖維素酶的合成一般受纖維素誘導及葡萄糖降解物的阻遏，多數菌株纖維素酶的合成既受纖維二糖、山梨糖等的誘導，又為葡萄糖、甘油等易利用碳源的阻遏，還受菌體生長速度的影響[6]。在綠色木霉中，纖維素酶屬誘導型酶類，其多個酶組分的表達經過嚴密的調控。在綠色木霉中能產生分泌型的纖維素酶，當CBHⅡ基因缺失時，會影響纖維素酶系其他酶的表達，而缺失其他基因時，只單獨影響自身的表達。另有研究表明CBHⅡ是纖維素酶系統中最先表達的酶，其表達產物進一步誘導其他纖維素酶基因的表達，但CBHⅡ基因的表達受纖維素降解產物葡萄糖的抑制[20]。
隨著基因工程技術的發展，定點突變和基因重排技術在纖維素酶的生產工業中的應用越來越廣泛。在里氏木霉 (T.reesei) 中，需要產生至少14種酶協同作用才能水解未經化學處理過的植物干物質。為了降低纖維素酶的復雜性，將里氏木霉的CBH1、嗜酸耐熱菌的葡聚糖內切酶EI 以及曲霉(Aspergillus niger)的β- 葡萄糖苷酶以90∶9∶1(質量比)混合形成一個三元復合物，此三元復合物在120 小時內水解預處理過的纖維素的能力與李氏木霉中纖維素酶體的水解能力相當。為了提高此三元復合物水解纖維素的活力，利用定點突變的方法對葡聚糖內切酶EI的活性位點進行修飾，結果與突變前的三元復合物相比，其水解纖維素的活性提高了12%[21]。Zinnia R等在里氏木霉菌中應用同源重組技術將外切β－葡萄糖苷酶整合到egl3和xyn3基因啟動子的下游，增強了纖維素酶的表達量4倍到7.5倍，這些重組菌株能有效的降解纖維素物質[22]。
生物乙醇及纖維素降解酶的未來發展趨勢
隨著石化燃料供應的減少，尋找新的能量來源關系到經濟的可持續發展乃至人類的生存問題。生物乙醇作為一種可再生的、經濟上可承受的，并且對環境安全的能源物質將逐漸成為石油的替代品[2]。由于產酶菌種落后，產率低，成本高，嚴重影響我國纖維素酶工業發展，從而阻礙了以木質纖維素為原料的2代生物乙醇工業的發展。因此要想提高纖維素生產生物乙醇的市場的競爭力，提高纖維素酶的產量，降低纖維素酶的成本成為解決問題的關鍵因素。目前纖維素酶工程菌株中不穩定、產酶量不高、難應用于大規模產業化大規模生產等三大難題。利用基因工程技術改造菌種，尤其是纖維素酶基因啟動子的改造，在發酵過程中其酶形成過程不受主要代謝產物葡萄糖的抑制，促進其他纖維素酶基因的協同表達，大幅度提高菌株在發酵過程中的產纖維素酶的能力，將是工程菌柱構建的方向，構建不受葡萄糖抑制、穩定、高效的表達纖維素酶工程菌。可以解決本項目的實施將會大大提高纖維素酶的產量，降低木質纖維素生產生物乙醇時纖維素降解成本，從而促進木質纖維素生產生物乙醇產業的發展。
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關鍵詞 煙草；煙桿；纖維素酶；協同降解作用
中圖分類號 Q93 文獻標識碼 A 文章編號 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
煙草不僅是一種極具經濟價值的作物，而且也是具有科研價值的一年生模式植物[1]。我國的煙草種植量和生產量穩居世界首位，在煙草采收和運輸的過程中，大量的煙桿會被放棄或焚燒，即污染環境又造成資源浪費[2-3]。如何再充分利用這些廢棄煙桿，成為目前迫切需要研究解決的課題。楊政明[4]、詹其厚[5]、張從軍[6]等利用煙桿中含有大量的氮、磷、鉀及微量元素的特性，利用廢棄煙草生產有機復合肥分別在核桃、夏玉米、水稻上施用取得了較好的肥效，并使農作物產量顯著增加。但是又因煙桿中含有77.4%纖維素和半纖維素、18.63%木質素[7]，顯著高于禾本科作物秸稈中木質素含量，因此其難以被充分利用[8]。張楠[8]、周熠[9]對煙桿中纖維素進行了降解并取得了不錯的效果，但纖維素的降解率不到40%，理論上還有一定的提升空間。因此，本研究通過組合高效的好氧纖維素、半纖維素、木質素降解組合菌群，考察其對煙桿的降解效果并優化其組合比例，以便開發能夠利用廢棄煙桿制作高溫好氧堆肥的高效微生物菌劑[10]。
1 材料與方法
1.1 試驗材料
本試驗所有煙桿由中南煙草試驗站提供。培養基：細菌培養基為0.5% NaCl，0.5%牛肉膏，1%蛋白胨，蒸餾水100 mL，pH=7；真菌培養基為綜合PDA瓊脂培養基（20%馬鈴薯提取液，2%葡萄糖，0.3% KH2PO4，0.15% MgSO4?7H2O，0.02%維生素B1，蒸餾水100 mL，pH=7）。煙桿選擇培養基為10%煙桿，蒸餾水100 mL，瓊脂粉2.0%，調pH值至7。煙桿液體發酵培養基為10%煙桿，蒸餾水100 mL，調pH值至7。
1.2 試驗方法
1.2.1 菌種初步篩選。從土壤、腐熟的煙桿、剛屠宰的牛的胃部以及實驗室現有的纖維素降解菌中篩選能降解煙桿的菌種。將各菌株分別接種1環到2種種子液培養基擴大培養，培養溫度分別為25、37 ℃，搖床轉速為180 r/min，發酵24 h后，各取種子液0.1 mL涂布在煙桿選擇培養基上，分別在25、37 ℃培養，3 d后觀察菌種生長情況。選擇能在煙桿選擇培養基上生長的菌種進行下一步煙桿液體發酵試驗。
1.2.2 不同菌株煙桿液體發酵試驗。將各菌株種子液以10%的接種量接種到煙桿液體發酵培養基培養，發酵10 d后以4 000 r/min離心10 min，取上清液1 mL適量稀釋，用DNS法測定還原糖，選取還原糖含量較高的菌株進行下一步試驗。
1.2.3 各菌拮抗性試驗。將活力較高的菌株進行兩兩拮抗性試驗，利用抑菌圈法在蛋白胨、牛肉膏培養基（37 ℃）和PDA培養基（25 ℃）上培養24 h后，觀察菌株相互拮抗的情況。
1.2.4 不同組合菌煙桿液態發酵試驗。將無明顯拮抗性作用的菌株做三菌種組合和四菌種組合發酵試驗，把混合種子液于37 ℃、180 r/min擴大培養24 h，按接種量10%的煙桿液體發酵15 d，測定發酵液中纖維素、半纖維素、木質素降解率，選出降解效率較高的4組菌種進行下一步試驗。
1.2.5 組合菌酶活力與發酵時間的關系。將選取的最佳組合菌在37 ℃、180 r/min條件下進行煙桿液體發酵15 d，間隔測定發酵過程中的纖維素酶活力。
1.2.6 組合菌酶活力與發酵溫度的關系。將選取的最佳組合菌分別在40、50、60 ℃及其他條件不變的條件下發酵11 d，測定纖維素酶活力，判斷所選組合菌是否具有耐高溫性。
1.3 分析方法
1.3.1 纖維素、半纖維素、木質素定量分析方法。通過測定還原糖的增加量可以初步挑選出更能高效降解煙桿的菌種，但是為了更詳細地了解煙桿中主要成分的降解情況[11]，下一步試驗以纖維素、半纖維素、木質素的降解率為主要試驗指標[12]。圖1為纖維素、半纖維素、木質素定量分析方法。
1.3.2 纖維素酶活性測定方法。取10 mL發酵液用離心機4 000 r/min離心10 min，取上清液1 mL稀釋25倍制成待測酶液。取4支25 mL刻度具塞試管（2支平行管、1支空白管）。分別向所有管中加入CMC-Na溶液2.00 mL，再加入稀釋好的待測酶液0.50 mL（空白管不加），用漩渦混勻器混勻，蓋塞。（50.0+0.1）℃水浴30 min后，加入DNS試劑3.0 mL，于空白管中加入待測酶液0.50 mL，搖勻。沸水浴10 min后，迅速冷卻至室溫，用水定容至25 mL，以空白管調儀器零點，在分光光度計波長540 nm下，用10 mm比色杯分別測量樣品管中樣液的吸光度，取平均值。通過用線性回歸方程求出纖維素酶活[13]。
2 結果與分析
2.1 煙桿化學組成分析
首先對提供的樣品進行了部分化學組成的檢測，尤其是對于纖維素類的物質成分進行了定量分析。在提供的煙桿樣品中，總纖維素含量達到77.44%，木素含量大約為18.63%，果膠含量為3.89%，苯-醇溶出物含量為3.21%，另外還有5%左右的灰分。可見，煙桿中含有豐富的纖維素類物質資源，如果能夠對這些纖維素降解后加以利用，完全可以提高煙桿廢棄物的利用價值。
2.2 纖維素菌的篩選
在篩選出來的微生物中有11組菌種能利用煙桿生長，將其分別編號為H2568、H1249、H1348、H1764、H4479、B1、M1、N1、Y1、Y2、Y3。進行下一步煙桿液體發酵試驗以確定所需纖維素菌。
2.3 纖維素菌的確定
初步篩選的11組菌株在降解煙桿多糖生成還原糖的能力上差異較為顯著。從圖2可以看出，這些微生物生成還原糖的量從高到低的順序依次為B1、M1、H2568、N1、H1249、H1348、Y3、H1764、H4479、Y2、Y1。選取其中降解能力最強的5株菌H1249、H2568、B1、M1、N1，作為下一步菌種協同降解作用的基礎進行拮抗試驗。
2.4 不同菌種拮抗結果
有很多試驗研究表明，復合菌群較單一菌的降解能力強，特別是針對纖維素、木質素等需多種酶協同降解的物質，不同菌種組合起來可以起到補充和加強分解的作用。但在同一生長環境下，不同菌株之間產生拮抗性作用會抑制其自身生長和產酶活力。利用菌株之間不相容性，進行拮抗性試驗，從表1可以看出：H1249與B1拮抗，選取相對降解能力更強的B1。得到所需的4株無明顯拮抗性的菌株H2568、B1、M1、N1，可用于下一步菌種組合研究。
2.5 半纖維素、木質素和纖維素的降解情況
在多菌株協同降解試驗中發現H2568、B1和M1這3種菌種以等量進行組合時能夠取得較好的降解效果（圖3），纖維素、半纖維素、木質素的降解率分別達到了47%、63%、26%。因此，對煙桿纖維素降解效果最為理想的協同菌群組合確定為H2568+B1+M1。
2.6 組合菌酶活力與發酵時間的關系
將上述試驗中確定的最佳組合菌H2568-B1-M1煙桿液體發酵15 d[14]，觀察其發酵過程中酶活力的變化情況（圖4），發酵第11天時，發酵體系中纖維素酶的活力最高，達到625.44 U/mL，隨后酶活力開始逐步降低。
2.7 組合菌酶活力與發酵溫度的關系
高溫對菌株的生長與產酶不利，但由于現階段煙桿大多處理方式為堆肥，那么固態發酵所需升溫過程不能避免，因此需要篩選出的組合菌能夠耐高溫來適應固態堆肥。從圖5可以看出，在發酵11 d后，H2568-B1-M1的纖維素酶活不可避免的受到高溫影響，但是即使在60 ℃下仍能達到250.47 U/mL。組合菌耐高溫試驗證明了H2568-B1-M1能長期保持較高的纖維素酶活力且耐高溫。
2.8 菌量比例對協同降解作用的影響
確定H2568、B1與M1為最佳的菌種組合后，對其接種時的比例進行優化試驗。從圖6可以看出，H2568、B1與M1以1.0∶1.0∶1.5的比例組成煙桿發酵種子液時，取得了最佳效果。其纖維素降解率、半纖維素降解率、木質素降解率分別達到56%、70%、33%，較1.0∶1.0∶1.0配比時的降解能力顯著提升。
3 結論與討論
煙葉產量的增加同時產生了大量的廢棄煙桿。由于煙桿不易腐爛也不能直接用于肥田，因而絕大部分都是作為廢棄物被丟棄或焚燒，這不僅不同程度地污染了當地的生活生產環境，也造成了資源的浪費。經試驗證明通過微生物發酵將煙桿中的大分子物質降解，將纖維素、半纖維素、木質素降解為小分子的單糖，使卷煙制造產生的廢棄物轉化為農業生產中急需的有機肥，具備廣闊的生產應用前景。而煙桿中有機質的降解依賴于微生物是否產生多種酶系和產各種酶系活力的強弱。基于纖維素酶的復雜性，大量試驗證明，復合菌液體發酵產纖維素酶活力高于單菌株，在同一生長環境下，相互依賴，共同生長，達到良好的協調作用。因此，篩選出無明顯拮抗、耐高溫、長時間具備高酶活且能高效降解煙桿的組合菌是試驗的基礎。在自然環境中常見的纖維素分解細菌大多為食纖維菌屬、生孢食纖維菌屬、多囊菌屬、鐮狀纖維菌屬與纖維弧菌屬。具有很強的纖維素分解能力的真菌主要有木霉、鐮刀霉、青霉、曲霉、毛霉、葡萄孢霉等屬的菌種。本試驗前期篩選了多種能降解纖維素的細菌、真菌用于進一步測試它們對煙桿的降解能力。因此，確定最佳的降解煙桿組合菌是為下一步研究提供了根本的基礎。本試驗中纖維素酶活力和還原糖的生成量能說明菌種自身降解能力的強弱，從另一角度總纖維素、半纖維素、木質素的變化情況反映了組合菌的降解效率。H2568-B1-M1以1.0∶1.0∶1.5的比例進行煙桿液體發酵，11 d后其纖維素降解率、半纖維素降解率、木質素降解率分別達到56%、70%、33%，說明經H2568-B1-M1產生多種酶系，促進了有機質的降解，對煙桿的降解取得了較顯著效果，進一步提高纖維素酶活力，增加還原糖的生成量，提高纖維素、半纖維素、木質素的降解率，為進一步進行煙桿固體發酵奠定基礎。
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關鍵詞：生物法降解;秸稈;木質素
秸稈是一種豐富的纖維素可再生資源,我國農作物秸稈年產量逾6億t,除少量被用于造紙、紡織等行業或用作粗飼料、薪柴外,大部分以堆積、荒燒等形式直接傾入環境,造成極大的污染和浪費[1]。能源緊張、糧食短缺及環境污染日趨嚴重是目前世界各國所面臨的難題。而可再生資源的轉化利用,能在有利于生態平衡的條件下緩解或解決問題。
木質素又稱木素,是植物界中含量僅次于纖維素的一類高分子有機物質,是一種極具潛力的可再生資源[2-4],每年全世界由植物可生長1 500億t木質素,且木質素總與纖維素伴生,具有無毒、價廉、較好的可熱塑和玻璃化特性。木質素是由苯丙烷結構單元組成的復雜的、近似球狀的芳香族高聚體,由對羥基肉桂醇(phydroxy cinamylalcohols)脫氫聚合而成,一般認為木質素共有3種基本結構(非縮合型結構),即愈創木基結構、紫丁香基結構和對羥苯基結構。木質素結構單元之間以醚鍵和碳-碳鍵連接,連接部位可發生在苯環酚羥基之間,或發生在結構單元中3個碳原子之間,或是苯環側鏈之間。木質素由于分子量大,溶解性差,沒有任何規則的重復單元或易被水解的鍵,因此木質素分子結構復雜而不規則[5,6]。
從20世紀開始,國內外學者一直在尋找降解木質纖維素的最佳途徑,研究內容主要包括以下幾方面:物理法、化學法、物理化學法、生物降解法[7]。物理法包括輻射、聲波、粉碎、整齊爆破等[8,9]。化學法包括無機酸(硫酸、乙酸、鹽酸等)、堿(氫氧化鈉、氨水等)和有機溶劑(甲醇、乙醇)等。物理化學法,即化學添加法和氣爆法相結合。此3種方法,可在一定程度上降解秸稈中的木質纖維素,但都存在條件苛刻、設備要求高的特點,從而使預處理成本增加,且污染嚴重。生物降解法是從20世紀20年代起開始研究的,采用降解木質素的微生物在培養過程中可以產生分解的酶類,從而可以專一性降解木質素。此法具有作用條件溫和、專一性強、無環境污染、處理成本低等優點。
1降解秸稈木質素的微生物
在自然界中,木質素的完全降解是由于真菌、細菌及相應的微生物群落共同作用的結果。從20世紀起,國內外學者對木質素降解的研究從白腐真菌開始。白腐真菌是指一類具有相同功能引起木質白色腐爛的絲狀真菌的集合,憑借其選擇性降解木質素的能力,白腐真菌的菌絲穿入木質,侵入木質細胞腔內,釋放降解木質素的酶,導致木質腐爛為淡色的海綿狀團塊。目前,用于木質素降解研究的白腐菌主要有黃孢原毛平革菌(Phanerochete chrysosporium)、雜色云芝(Coridus versicolor)、香菇(Lentinula edodes)、變色栓菌(Thametes Versicolor)、朱紅密孔菌(Pycnoporus cinnabarinus)等[10,11]。杭怡瓊等[12]以稻草秸稈加20%棉籽殼為培養基質,接入3種側耳菌株,經研究發現,從接種到子實體形成過程中,培養物的木質素呈不斷下降水平,木質素降解率與酶活變化趨勢基本相似。王宏勛等[13]通過傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析和木質纖維素組分含量變化,研究了3株白腐菌在50d培養期內降解稻草秸稈中木質纖維素的降解規律,結果表明:3株白腐菌對稻草秸稈中木質纖維素降解具有一定的順序和選擇性,先降解半纖維素和木質素,再同時降解半纖維素、纖維素和木質素,并且對木質素有很好的降解優勢。畢鑫等[14]研究白腐菌產木質素過氧化物酶發酵條件,利用Lip粗酶液在體外直接降解稻草,3d后Klason木質素的降解率為8.7%。戴永鑫等[15]研究了白腐菌及其產生的木質素降解酶系對秸稈的木質素生物降解方法,采用黃孢原毛平革菌和雜色云芝雙菌聯合固態培養可使木質素降解率達到47.64%。鞠洪波[16]以香菇、金針菇、杏鮑菇等9種食用菌對云杉木質素的降解進行研究,試驗表明:杏鮑菇對木質素的降解能力最強,其次是木耳、茶樹菇、柳菇、榆黃菇對木質素降解能力較高,其余4種食用菌降解木質素能力較弱。
20世紀80~90年代的研究表明細菌可以代謝低分子的磺化木質素、Kraft木質素片斷等,細菌能夠使木質素結構發生改性,成為水溶性的聚合產物;另外,細菌與真菌協同作用使木質素易于受到真菌的攻擊,且可去除對腐朽真菌有毒性的物質[17]。降解木質素的細菌種類很多,其中放線菌是公認降解能力較強的細菌,包括鏈霉菌(Strptomyces)、節桿菌(Arthrobacter)、小單胞菌(Micromonospra)等。Tuomela M等[18]研究表明鏈霉屬的絲狀細菌降解木質素最高可達20%,放線菌對木質素的降解主要在于增加木質素的水溶性[18]。其他降解木質素的細菌主要是非絲狀細菌,能夠在一定程度上引起木質素的降解,如微球菌屬(Micrococcussp)、假單胞菌屬(Pseudomona ssp.)、黃單胞菌屬(Xanthomonas sp.)等。非絲狀細菌降解木質素的能力較差,只能降解小分子量或者木質素的降解產物,其中假單胞菌屬是最有效的降解菌[17-19]。張甲耀等[20]通過對一嗜堿細菌對麥草木質素降解能力的研究,發現在最佳綜合培養條件下該菌株10d對木質素降解率可達49.84%。
2秸稈木質素降解酶系
目前認為最重要的木質素降解酶有3種,即木質素過氧化物酶(Lignin Peroxidase,Lip)、錳過氧化物酶(Man-dependent Peroxidase,Mnp)和漆酶(Laccase,Lac)。木質素過氧化物酶和錳過氧化物酶可使木質素分子中碳—碳鍵斷裂成苯氧殘基,漆酶對木質素有降解和聚合的雙重作用[21]。
Lip是最早發現的木質素降解酶,存在于大多數降解菌中,它是一種糖蛋白,分子量約41 000,有1個血紅素構成其活性中心,可連接至少1個黎蘆醇。Lip能催化木質素中富含電子的酚型或非酚型芳香化合物發生氧化,從而使木質素形成活性基團,然后發生一系列的非酶促裂解反應,實現對底物的部分氧化或徹底的氧化[22]。
Abstract：Six typical imidazolium＼|based ionic liquids were prepared and used as green solvents in the dissolution of the model compound of hemicellulose xylan.The result showed that chloride salts had higher dissolving capacity of xylan.The solubility of xylan could be as high as 12.09 g at 373.2 K.When containing the same anions， the ionic liquids with hydroxyethyl groups had highest dissolving capacity， followed by the ones with allyl and butyl groups.Based on IR spectra measurements，the composition and structure change before and after regeneration of xylan were studied.It was confirmed from microcosmic angle that the hydrogen bonding network in xylan had been partly destroyed by ionic liquids.This process was the main reason why xylan could be dissolved in ionic liquids.
0引言
相對于煤和石油等不可再生能源，以綠色植物為代表的生物質能源具有儲量大、可再生、綠色環保、價格低廉等優點，是制備氫氣和乙醇等清潔能源的理想原料.綠色植物的主要成分是木質纖維素，它主要由纖維素、半纖維素和木質素三部分組成[1].
由于木質纖維素的成分比較復雜，通常情況下，木質纖維素難溶于常見溶劑，也難以有效分離.因此如何設計合適的溶劑，將木質纖維素各組分進行溶解并分離，是實現其綠色應用的突破口.以往溶解和分離木質纖維素多用酸、堿溶液和有機溶劑，這些溶劑體系普遍存在著污染重、成本高、回收率低等問題[2].
室溫離子液體對纖維素良好的溶解性能為木質纖維素的溶解和分離提供了可能.因此，近年來利用室溫離子液體溶解和分離木質纖維素引起了學術界和產業界的高度重視，并取得了一些階段性成果.其中，R.P.Swatloski等[3-5]國內外學者在溶解纖維素方面做了大量研究，為后續工作開辟了道路.I.KilpelLnen等[6]以[Bmim]Cl（1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽）、[Amim]Cl（1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽）和陽離子上含芐基的離子液體為溶劑，研究了富含木質素的木材在離子液體中的溶解.Y.Q.Pu等[7]從南方松硫酸鹽漿中提取了木質素，并測定了這些樣品在[Mmim][CH3SO4]和[Bmim][CF3SO3]等離子液體中的溶解度.
半纖維素是由木聚糖等戊糖和己糖構成的高聚糖分子，結構較為復雜，自然界不存在半纖維素的純品.相對于纖維素和木質素，目前對于半纖維素的溶解之研究很少，對此缺乏系統的認識.近年來的工作一般集中在通過有機溶劑、酸和堿試劑來進行半纖維素的提取和改性等[8-9]，鮮有文獻報道離子液體對半纖維的溶解研究之進展.
為了進一步研究離子液體對半纖維素的溶解性能和過程，本課題以半纖維素的主要成分木聚糖（結構如圖1所示）作為半纖維素的模擬化合物的代表進行研究.本文擬先后測定[Bmim]Cl，[Amim]Cl，[Hemim]Cl（1-羥乙基-3-甲基咪唑氯鹽），[Bmim][N（CN）2]（1-丁基-3-甲基咪唑雙氰胺鹽），[Amim][N（CN）2]（1-烯丙基-3-甲基咪唑雙氰胺鹽）和[Hemim][N（CN）2]（1-羥乙基-3-甲基咪唑雙氰胺鹽）6種離子液體在不同溫度下對木聚糖的溶解情況，比較不同離子液體對木聚糖溶解性能的差異，探討木聚糖的再生問題.
1材料與方法
1.1試劑與純化
木聚糖（純度約90%），美國Sigma公司產，研磨后置于真空干燥箱中于-0.1 MPa，333 K下干燥48 h；N-甲基咪唑、氯代正丁烷、烯丙基氯、2-氯乙醇、乙酸乙酯、丙酮、二氯甲烷，均為分析純，北京化學試劑公司產，使用前通過蒸餾提純，并經分子篩進行干燥；二氰胺鈉（分析純），營口三征有機化工股份有限公司產，置于真空干燥箱中，于333 K下干燥48 h.
1.2主要實驗儀器
RET basic型高精度恒溫磁力攪拌器，德國IKA公司產；XYJ-802型離心沉淀機，江蘇醫療器械廠產；RE-58型旋轉蒸發儀，上海亞榮生化儀器廠產；DZF-6020型
真空干燥箱，DHG-9036A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海精宏實驗設備有限公司產；FA2104型
電子分析天平，上海恒平科學儀器有限公司產；
Nicolet 380型紅外光譜儀，美國Nicolet公司產；
BX51型偏光顯微鏡，日本Olympus公司產；
AC-400M核磁共振儀，瑞士Bruker公司產；
MicrOTOF-Q II型質譜儀，德國Bruker公司產；
787 KF Titrino型卡爾費休水分測定儀，瑞士Metrohm公司產.
1.3離子液體的合成與表征
所有離子液體的合成均按照Y.Zheng等[10]的方法進行，產物的結構和純度通過核磁共振譜、紅外光譜、質譜和水分測定儀等進行系統測試，合成的離子液體質量純度>99.5%，水含量低于0.05%，可以滿足高精度實驗的需要.
1.4木聚糖溶解度的測定
溶解度的測定方法參照文獻[10].首先將約為溶劑質量0.1%的木聚糖加入待測離子液體，并在干燥的氣氛下加熱至溶解（控溫精度為±0.5 K）.待溶液在偏光顯微鏡下變澄清后，按照上述方式繼續加入0.1%的木聚糖，直至在既定的溫度下達到飽和.離子液體具有不同的熔點，測定溶解度時，溫度需要保持在其熔點以上，即液體狀態下才能完成.[Bmim]Cl的熔點約為338 K，[Hemim]Cl的熔點約為333 K，其他離子液體的熔點低于298 K.如果溫度太低，受熱力學和動力學因素的控制，木聚糖幾乎不溶解.同時，考慮到過高溫度下木聚糖溶液呈膠狀的情況，實驗溫度也不能太高.根據上述實際情況，選擇實驗溫度范圍為330～390 K，并在該范圍內各選取5個典型的溫度點測定木聚糖的溶解度，在每個溫度下，木聚糖在1 h之內完全溶解.由于[Bmim]Cl和[Hemim]Cl的熔點較高，因此分別加熱至343.2 K和 338.2 K 后開始測定溶解度，溫度間隔均為10 K.溶解度最后按照每100 g離子液體所能溶解的木聚糖質量計算，溶解度的相對誤差
2結果與討論
2.1木聚糖在不同離子液體中的溶解度
不同溫度下，木聚糖在呋唑氯鹽型、咪唑雙氰胺鹽型離子液體中的溶解度，分別見圖2和圖3.顯然，木聚糖在6種離子液體中均有一定的溶解度，相同溫度下接近于纖維素在相同離子液體中的溶解度[11].其中，在373.2 K時，木聚糖在[Amim]Cl中的溶解度可達12.09 g.
由此可知，木聚糖在6種離子液體中的溶解度有以下規律.
1）在所測溫度范圍內，隨著溫度的升高，木聚糖在離子液體中的溶解度呈曲線上升.但溫度再升高時，往往隨著體系黏度的增大，木聚糖逐漸達到表觀的飽和，溫度的升高很難使木聚糖繼續溶解于離子液體中.
2）在353.2 K，363.2 K的實驗溫度下，木聚糖在離子液體中的溶解度大小順序都為：[Hemim]Cl>[Amim]Cl>[Bmim]Cl>[Hemim][N（CN）2]>[Amim][N（CN）2]>[Bmim][N（CN）2].
3）在同等實驗溫度條件下，陰離子為氯離子的離子液體對木聚糖的溶解能力一般較陰離子為二氰胺根的離子液體強，這是由于氯離子形成氫鍵的能力較雙氰胺根強，能夠有效地破壞木聚糖中的氫鍵，從而促進木聚糖的溶解[10，12].當陰離子相同時，陽離子上含有羥乙基的離子液體對木聚糖的溶解能力最強，其次是陽離子上含有烯丙基和丁基的離子液體，這是因為羥乙基與木聚糖之間形成氫鍵的能力比烯丙基、丁基強，能夠有效破壞木聚糖內部的氫鍵網絡，從而促進木聚糖的溶解.
4）相同條件下，與文獻[3-5，10]中報道的微晶纖維素、β-環糊精、葡萄糖等含有六碳糖成分的物質相比，木聚糖的溶解度較低.這是因為木聚糖主要由五碳糖聚合而成，分子中羥基所占程度較少，導致離子液體難以通過氫鍵效應促進其大幅溶解.
2.2木聚糖的再生
在溶解的基礎上，在溶液體系中加入適量的水或乙醇，可以實現木聚糖的再生，此為促進木聚糖分離和綠色應用的重要步驟.通過測定并比較木聚糖在溶解前和析出后的紅外光譜，可研究其化學組成和結構的變化規律.木聚糖經離子液體[Bmim]Cl處理前后的紅外光譜見圖4.由圖4可知，在溶解前，木聚糖的O―H伸縮振動吸收峰位于3 367 cm-1，而其析出后的O―H伸縮振動吸收峰位于3 415 cm-1，發生了明顯的藍移；同時，析出后木聚糖的O―H伸縮、振動，使吸收峰的寬度變窄，這表明離子液體破壞了木聚糖中的氫鍵體系，使木聚糖分子中和分子間的氫鍵作用減弱[13].其他離子液體體系中的再生木聚糖樣品，結論相同.
另一方面，根據實際需要，可以使木聚糖以模狀、線狀和塊狀等形式析出.再生后的產物具有較低的聚合度、較弱的分子間氫鍵作用，這十分有利于木聚糖的催化轉化，特別是水解制備單糖和乙醇等物質.
3結論
本文從解決木質纖維素的綠色溶解和分離問題出發，以離子液體為新型溶劑，研究了木聚糖的模擬化合物木聚糖的溶解和再生過程.在不同的溫度下測定了木聚糖在6種典型咪唑類離子液體中的溶解度，結果表明：氯鹽型離子液體對木聚糖的溶解能力較強，373.2 K時，木聚糖在[Amim]Cl中的溶解度可達 12.09 g；當陰離子相同時，陽離子上含有羥乙基的離子液體對木聚糖的溶解能力最強，其次是陽離子上含有烯丙基和丁基的離子液體.通過紅外光譜研究了木聚糖再生前后的組成和結構變化，從微觀角度證明離子液體破壞了木聚糖中的氫鍵體系，使木聚糖分子中和分子間的氫鍵作用減弱，該過程是實現木聚糖溶解的主要原因.該研究對解決木聚糖的溶解和改性問題，以及木質纖維素的綠色應用將會起到積極的推動作用.未來，還需要加深對木聚糖溶解機理的認識，進一步提高木聚糖的溶解度，通過離子液體結構和性能的優化來實現木質纖維素中纖維素、木聚糖、木質素的高效分離，從而為各組分的綠色轉化創造更為有利的條件.參考文獻：
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關鍵詞：甘薯渣;超聲波;Lewis酸;發酵;乙醇
中圖分類號：S531 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）23-5820-03
DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2014.23.050
隨著工業化程度的提高和世界人口的增加，能源的消耗也在逐步增加，而主要能源石油是有限的，因此開發石油替代能源引起科學家們廣泛的興趣[1]。乙醇是一種可以通過糖發酵獲得的可再生資源。車用乙醇汽油作為機動車未來的主要動力燃料，已成為國際上普遍公認可降低環境污染和取代化石燃料的主要能源。在美國，乙醇已經被廣泛地作為特殊的石油替代品。截至2009年，美國、巴西和歐盟的生物燃料產量分別占世界總產量的45%、29%和15%[2，3]。
目前，工業化生產的燃料乙醇絕大多數是以糧食作物為原料。但是由于中國人多地少，糧食安全仍是頭等大事，在中國不可能大量使用玉米、小麥等糧食作物生產生物乙醇。適合中國國情的燃料乙醇生產只能通過甜高粱、木薯和甘薯等[4]以木質纖維素為原料進行。它們又被稱為第二代生物燃料乙醇，是決定未來大規模替代石油的關鍵。甘薯渣含淀粉、纖維素、半纖維素、木質素、粗脂肪等，其主要成分為纖維素，因此成為生產第二代生物燃料乙醇的重要原料來源。降解纖維素效果最好的是纖維素酶[5]。當采用纖維素酶水解甘薯渣制造乙醇[6-8]時，纖維素酶必須接觸吸附到纖維素底物才能使反應進行，因此，纖維素對纖維素酶的可及性是決定水解速度的關鍵因素。木質纖維素將纖維素包裹其中，影響纖維素的水解[9]。纖維素的結晶結構以及表面狀態、多組分結構、木質素對纖維素的保護作用以及纖維素被半纖維素覆蓋等結構與化學成分的因素致使甘薯渣難以降解。因此，必須經過預處理，使纖維素、半纖維素、木質素分離開，切斷它們的氫鍵，破壞晶體結構，降低聚合度[10-12]。可用纖維素酶將甘薯渣中的纖維素和半纖維素分解成葡萄糖、木糖等五碳糖和六碳糖，也可考慮以發酵的方式進行。由于普通乙醇酵母無法利用五碳以上的糖發酵制備乙醇，而熱帶假絲酵母可以用來發酵生產乙醇。在具體生產過程中可以同時使用熱帶假絲酵母和乙醇酵母，使它們共同作用，同時將五碳糖和六碳糖發酵生產乙醇[13-15]。
本研究通過超聲波和超聲波輔助金屬氯化物Lewis酸預處理甘薯渣，使其中的木質纖維素[16-18]分解后，再在熱帶假絲酵母和乙醇酵母的共同作用下將其發酵生產乙醇，利用甘薯渣中大量的纖維素生產乙醇并優化其發酵工藝參數，以期提高甘薯深加工產品的附加值，延長產業鏈，緩解化石能源燃燒產生的環境污染問題。
1 材料與方法
1.1 試驗材料、試劑
甘薯渣來源于黃梅縣明發薯業有限公司制取淀粉后的甘薯殘渣，熟料釀酒酵母由湖北省武穴市二里半酒廠生產;纖維素酶產生菌由山東泰安信得利生物工程有限公司生產;熱帶假絲酵母由廣州工業微生物檢測中心提供;硫酸、CuCl2由天津市福晨化學試劑廠生產;乙醇由廣東省廣州化學試劑廠生產。
1.2 試驗儀器
恒溫水浴鍋、簡易蒸餾裝置、KQ-500DB型超聲波發生器、槽式超聲清洗儀、恒溫培養箱、HP4890D型氣相色譜儀。
1.3 試驗方法
1.3.1 常規方法 將甘薯渣洗凈后研碎、篩分（ 過0.40 mm篩孔）備用， 取100 g甘薯渣粉于1 000燒瓶中， 加入適量蒸餾水， 攪拌均勻，在100 ℃恒溫水浴鍋中加熱30 min之后，冷卻至30 ℃左右。按0.75%的接種量（質量比，下同）接入一定比例的熟料釀酒酵母和熱帶假絲酵母，加35 IU/g的纖維素酶。在無菌條件下， 放入無菌恒溫培養箱內，30 ℃下發酵7 d，設空白對照[19]。
1.3.2 超聲波預處理方法 超聲波預處理薯渣發酵制乙醇工藝[20-22]：前面的步驟與常規方法相同，冷卻至30 ℃左右，再利用超聲功率為40 kHz的KQ-500DB型超聲波清洗器，在額定功率下處理規定時間。按0.75%的接種量接入一定比例的熟料釀酒酵母和熱帶假絲酵母，加35 IU/g的纖維素酶。在無菌條件下， 放入無菌恒溫培養箱內，30 ℃下發酵7 d。
1.3.3 Lewis酸預處方法 Lewis酸CuCl2預處理薯渣發酵制乙醇工藝：前面的步驟與常規方法相同，冷卻至30 ℃左右，分別在100 mL燒杯中加入150 mL的不同濃度的CuCl2溶液，處理30 min。處理后濾干，蒸餾水洗滌殘渣至中性，按0.75%的接種量接入一定比例的熟料釀酒酵母和熱帶假絲酵母，加35 IU/g的纖維素酶。在無菌條件下， 放入無菌恒溫培養箱內，30 ℃下發酵7 d。
1.3.4 超聲波Lewis酸預處方法 超聲波Lewis酸CuCl2預處理薯渣發酵制乙醇工藝與“1.3.3”的方法相同，但在加入不同濃度的CuCl2溶液后，以超聲功率250 W，處理30 min。
1.4 乙醇提取及分析
反應殘渣中含有其他雜質，需要將乙醇提取出來，采用簡單蒸餾法提取乙醇。提取后的乙醇濃度利用HP4890D型氣相色譜儀測定（填料Porapak-Q， 粒度80～100目， 長2 m， 外徑3 mm， 內徑2 mm。氣化室、色譜柱及熱導檢測器的溫度分別為170、130、170 ℃）。
1.5 單因素試驗
根據李平等[23]的試驗結果，利用超聲波結合稀酸或堿預處理甘薯渣然后發酵制備乙醇的工藝中，最佳因素水平組合為固液比為1∶15（質量比，下同），纖維素酶用量為35 IU/g 底物， 熱帶假絲酵母與釀酒酵母的接種比為1∶1， 酵母菌接種量0.75%。在此基礎上，進一步對超聲波結合Lewis酸預處理甘薯渣后發酵制乙醇工藝進行研究。
2 結果與分析
2.1 預處理時間對薯渣發酵制乙醇產率的影響
由表1可知，預處理時間為0時，未經任何處理的常規方法發酵制乙醇的產率為0.188 g/g;Lewis酸CuCl2、超聲波和超聲波結合Lewis酸CuCl2預處理甘薯渣后發酵制乙醇的產率，都隨預處理時間的增加而增加，當預處理時間為30 min時，再繼續增大預處理時間，乙醇的產率變化不大，所以最佳的超聲波加熱甘薯渣的時間為30 min。上述3種預處理方法都能使乙醇產率提高，超聲波結合Lewis酸CuCl2預處理甘薯渣后發酵制乙醇的產率最高，達0.214 g/g。
2.2 超聲波預處理功率對薯渣發酵制乙醇產率的影響
從表2中可以看出，超聲波和超聲波結合Lewis酸CuCl2預處理甘薯渣后發酵制乙醇的產率，都隨超聲波加熱功率的增加而增加，當加熱功率為250 W時，再繼續增大加熱功率，乙醇的產率變化不大，所以最佳的超聲波加熱甘薯渣的功率為250 W。上述2種預處理方法都能使乙醇產率提高，超聲波結合Lewis酸CuCl2預處理甘薯渣后發酵制乙醇的產率較高。
2.3 Lewis酸CuCl2濃度對薯渣發酵制乙醇產率的影響
從表3可以看出，未經超聲波處理和超聲波處理的乙醇產率都隨CuCl2濃度的增大而增大，當CuCl2濃度為1.0%時，乙醇產率最高，CuCl2濃度再繼續增大時，乙醇的產率沒有變化，故最佳的CuCl2濃度為1.0%。
3 結論
結果表明，Lewis酸CuCl2預處理后的乙醇產率高于未經處理的薯渣發酵制乙醇的產率，超聲波預處理后的乙醇產率高于Lewis酸CuCl2預處理后的薯渣發酵制乙醇的產率， 超聲波結合Lewis酸預處理后的薯渣發酵制乙醇的產率最高。用最佳水平比較，未經任何處理的乙醇產率為0.188 g/g，Lewis酸CuCl2預處理后的乙醇產率0.197 g/g ，超聲波預處理后的乙醇產率為0.203 g/g，超聲波結合Lewis酸預處理后的乙醇產率為0.214 g/g。與未經任何處理的乙醇產率比較，Lewis酸CuCl2預處理后的乙醇產率提高4.8%，超聲波預處理后的乙醇產率提高7.9%，超聲波結合Lewis酸預處理后的乙醇產率提高13.8%。超聲波結合Lewis酸CuCl2處理與未加超聲波的Lewis酸CuCl2處理相比較，超聲波能有效增加CuCl2與半纖維素的反應性，也能增加其與木質素的反應性。
將干甘薯渣通過粉碎（過0.40 mm的篩孔），加水蒸煮，超聲波結合Lewis酸CuCl2預處理后， 經纖維素酶轉化， 利用混合菌發酵生產乙醇，獲得最佳的工藝條件為固液比為1∶15、超聲波預處理功率為250 W、時間為30 min，Lewis酸CuCl2為1.0%，纖維素酶用量為35 IU/g底物， 熱帶假絲酵母與釀酒酵母的接種比1∶1， 酵母菌接種量為0.75%。在該條件下乙醇產率達到21.4%（重量）， 與常規工藝相比， 產率提高13.8%，有工業推廣價值。
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不同于工藝日趨成熟的竹漿粘膠纖維和竹炭纖維，竹原纖維作為一種新型原纖維素纖維，其獨特的殺菌、除臭、抗紫外線等理化性能在紡織行業中有著廣泛的應用。其細度、可紡性方面的改善在近年也有了相關進展，竹原纖維和改性竹原纖維的各種新制備方法等加工工藝與應用也逐漸成為紡織行業研究的新焦點。
關鍵詞： 竹原纖維；理化性能；制備工藝
1 前言
不同于近年來市場上所見的竹漿粕纖維和竹炭纖維，竹原纖維是一種真正意義上的環保天然纖維。竹原纖維吸放濕性能優異，具有天然抗菌和抗紫外線等保健功能。竹中含有一種天然物質“竹醌”，“竹醌”具有天然的抗菌、抑菌、防螨、防蟲及能產生大量負離子的特性。經中國紡織纖維質量檢測中心及上海微生物研究所檢測，“竹醌”在24h內能殺滅75%的大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和巨大芽孢桿菌。另外，竹原纖維中還含有葉綠素銅鈉，具有良好的除臭功能，因此，竹原纖維有著良好的技術與市場發展前景，可廣泛應用于紡織品服裝領域。竹纖維是以數百根單纖維聚集成纖維束的形式分散在竹莖內，單獨將單纖維分離出來較為困難。原生竹纖維的一般提取過程：（1）先去除竹節部分，將其分割成適當長度，再去掉外皮；（2）用壓榨機將竹片壓碎，破壞其柔細胞組織；（3）用2%～3%的NaOH水溶液煮沸2h；（4）水洗后再行壓榨，破壞柔軟的柔細胞組織，便于與纖維束分離；（5）在水槽中充分水洗，使纖維束與柔細胞分離；（6）過濾后即得漿粕狀竹纖維，干燥后用攪拌機短時間攪拌便開纖成單纖維。竹原纖維制取過程中為避免單纖維發生脆化，必須確保原竹未經干燥，整個制取過程必須維持濕潤狀態[1-3]。
目前，有關竹纖維束應用于紡織上已有大量報道，并有相關產業應用，竹纖維用于復合材料制備也進入了起步階段。但天然竹纖維成分中半纖維素和木質素含量很高，且單纖維較短，脫膠難度較大，影響了纖維的可紡性，此外在滿足機械性能的條件下，竹纖維束的提取即是影響竹纖維復合材料應用開發的技術難點之一。針對可紡性的改善、細度改善以及各種制備與改性竹原纖維的方法也正在成為行業研究的新焦點。
2 竹原纖維的相關研究進展
2.1 新方法與工藝制備竹原纖維和改性竹原纖維
黃慧[4]等人采用10%堿處理、軟化+1%堿煮和酸+1%堿煮等3種不同的預處理工藝提取獲得竹纖維束，利用光學顯微鏡和X射線衍射法分別比較3種工藝下竹纖維束的微觀形態和結晶結構。證明了竹材組織結構呈一定規律性，通過較低堿預處理后采用機械工藝可提取竹材中的纖維束。提取竹纖維束為黃褐色絲狀物，并有一定柔韌性，長可達30cm以上，直徑范圍100μm～200μm。堿處理濃度高有利于竹纖維束分離。研究結果表明，低堿處理可分離提取竹纖維束，提取的竹纖維束為黃褐色絲狀，直徑范圍為100μm～200μm；微觀形態下，竹纖維束橫截面呈蜂窩狀，縱面呈多根柱形緊密排列狀。3種工藝中，10%堿常溫處理分離竹纖維最易，分離效果最好，殘留基質粘附最少。由竹材經3種工藝提取的竹纖維束，結晶結構未改變，但相對結晶度均較原竹材有所提高。
張袁松[5]等人用閃爆—堿煮聯合工藝的天然竹纖維提取，對閃爆壓力、保壓時間、堿濃度、堿煮時間這4個因素的單因素試驗均采用聯合脫膠，經研究表明閃爆—堿煮聯合脫膠技術對天然竹纖維脫膠效果明顯，纖維表面比較光滑，纖維直徑明顯減小。閃爆壓力、保壓時間和堿濃度是影響閃爆—堿煮聯合脫膠效果的重要因素。在閃爆壓力為0.8MPa、保壓時間為15min、NaOH質量濃度為4g/L、堿煮90min的條件下，脫膠效果比較理想，纖維得率為77.16%，纖維的半纖維素和木質素含量分別下降41.61%和31.94%，纖維素含量從40.51%提高到63.59%，處理后纖維分散程度高，柔軟性好，纖維拉伸強度接近麻類工藝纖維。
同時，張袁松[6]團隊還以慈竹為研究對象，對常壓下乙酸脫除天然竹纖維中的木質素進行了探討。以反應溫度、乙酸體積分數、催化劑硫酸體積分數和反應時間為單因子，考察這些因素對天然竹纖維木質素脫除率的影響。結果表明：影響因素從大到小依次為反應溫度、催化劑硫酸體積分數、乙酸體積分數和反應時間。正交試驗結果表明，乙酸在脫除天然竹纖維木質素的過程中也脫除了部分半纖維素和纖維素。在乙酸脫除天然竹纖維木質素的過程中，脫除木質素的同時也脫除了部分半纖維素和纖維素，脫除率為木質素脫除率>半纖維素脫除率>纖維素脫除率，木質素被大部分脫除而纖維素只脫除了一小部分。結合木質素脫除率、半纖維脫除率和纖維素脫除率，得到了最佳工藝條件，即90℃、乙酸體積分數88%、硫酸體積分數0.3%、反應時間3h，在該條件下木質素的脫除率達到55.84%。
關明杰[7]等人，從紡織材料學[8]出發，研究了竹纖維的性能。用實驗室自制，細度范圍為793tex～1445tex的竹纖維對幾種不同仿生螺旋結構竹纖維束的縱向拉伸性能進行測試分析，結果表明：平行均布、單螺旋、雙螺旋A、雙螺旋B 型竹纖維束的拉伸強度分別為11.5MPa、51.7MPa、52.2MPa和56.1MPa；螺旋結構能夠消除纖維束中的強度薄弱點，改善纖維束中各根纖維的結合，同時纖維束各層螺旋角的逐漸變化也有利于拉伸強度的提高。單螺旋、雙螺旋A、雙螺旋B型竹纖維束的拉伸彈性模量分別為9659MPa、5265MPa和491MPa，單螺旋竹纖維束的拉伸彈性模量優于雙螺旋竹纖維束。宏觀仿生螺旋結構提高了竹纖維束的拉伸強度，卻降低了彈性模量。由螺旋纖維束的內層到外層，螺旋角的逐漸變化使得相鄰層間的結合強度大為改善，避免了不同層面纖維力學性能的突變。
樓利琴[9]等人以自制平均線密度16.8dtex的竹原纖維為原料，用堿、漆酶、精練酶通過正交設計試驗對竹原纖維進行纖細化處理，測定了處理后的竹原纖維細度變化率、木質素含量及強度。結果表明：精練酶去除木質素的效果比堿和漆酶處理好，木質素含量從原來的18.98%降為7.27%，處理后竹原纖維強度幾乎沒有損傷；堿去除木質素的效果比漆酶好，但強度損傷比漆酶處理大；生物酶脫膠方法有望成為竹原纖維脫膠加工的實際生產方法。
生物技術可以改變傳統化學改性因大量使用化學助劑而嚴重污染環境的局面，同時使纖維性能得到改善，如纖維素酶對天然纖維織物進行拋光整理可改善其手感和柔軟性。金文俊[10]等利用化學預處理結合纖維素酶的作用對竹原纖維進行改性，借助于掃描電鏡、傅里葉紅外吸收光譜、X-射線衍射等試驗技術，研究處理前后竹原纖維的形態和內部結構變化。研究結果表明：酶處理切斷并還原纖維素分子鏈為葡萄糖，同時也降解了部分半纖維素，使竹原纖維的結晶度降低；酶處理后的竹原纖維橫截面微孔變大，縱面出現明顯的侵蝕，裂紋有所增加；熱穩定性基本不變。
2.2 竹原纖維在紡織中應用
用摩擦紡紗機紡織竹原纖維包芯紗具有芯紗與外包纖維雙組分的特點，既可解決竹原纖維可紡性差的問題，又可提高竹原纖維紗的強力，提高產品的耐磨性。王顯方[11]等人探討竹原纖維摩擦紡包芯紗紡制方法及工藝優化，分析闡述了竹原纖維的特性，通過原料預處理，合理配置工藝參數，在摩擦紡紗機上開發出竹原纖維滌綸包芯紗，并利用正交試驗優選了摩擦紡工藝參數。結果表明：竹原纖維滌綸48.6tex（68dtex）摩擦紡包芯紗較優的紡紗工藝參數為：分梳輥速度5000r/min，紡紗速度150m/min，摩擦輥速度5500r/min。毛雷[12]等針對纖維粗硬、可紡性差的特點，通過竹原纖維的預處理，提高其可紡性。采用原料混合的方式，各工序采用重定量、重加壓、低速度的工藝路線，合理配置工藝參數，解決了梳棉成網困難、并條靜電纏繞等問題，并注意保持各工序較高的相對濕度，使生產正常進行，成功試制出竹原/棉50/50的9.7tex混紡紗。
史麗敏[13]等人以線密度6.01dtex、長度80mm的竹原纖維和細度19.71μm～20.5μm（4.03dtex～4.27dtex）、長度70mm～120mm的羊毛為原料，在保證竹原纖維一定回潮率的前提下，成功紡制毛、竹（50/50）混紡紗線，并且依據針織面料流行趨勢，結合毛、竹混紡織物優勢互補的特點，設計并開發出了適合春夏季穿著的男裝流行針織面料。面料色彩搭配與圖案機理的設計不僅豐富了大眾視覺，還打破了以往設計毛、竹混紡針織物的局限性。此外，還對毛、竹（50/50）混紡紗線的染色工藝進行了探討，可為毛、竹混紡面料下游產品的進一步開發提供理論參考。此外，隨著竹原纖維工藝的進步和紡織工業的發展，更加復雜的絹/苧麻/竹原纖維混紡物，如緯珠地平針組織、珠地平針橫條組織、緯珠地組織、灰藍珠地組織和緯平針組織的針織物的織造也有了相關報道[14]。
竹原纖維有著很好的抗菌性能，天然竹在制成竹漿粘膠纖維過程中經受了一系列化學和物理的加工，性能與竹原纖維有較大改變，原有的一些天然特性也必然遭到破壞，纖維的除臭、抗菌、防紫外線功能會有不同程度的下降。池田善光[15]對竹漿粘膠纖維的抗菌性能進行了研究，結果表明：竹漿粕試樣并不具有抗菌性能。張慧等人[16]以巨大芽孢桿菌（革蘭氏陽性菌）和黑曲霉（真菌中的霉菌）為菌種原料對竹原纖維抑菌性能的影響因素做了系統研究。采用吸收法對所制取的竹原纖維進行單因子試驗，并通過計算抑菌率來評價其抑菌效果，研究對抑菌性能產生影響的因素。試驗得出：回潮率、接種后培養時間及竹屑都對竹原纖維的抑菌性能有很大影響。
3 結語
當前粘膠纖維工藝已基本成熟，市場上所謂的竹纖維面料、服裝也多是竹漿粕纖維產品或竹漿粕纖維混紡產品，同時由于大量使用化學助劑，導致所生產出的“竹纖維”發生改性，使其不再具有或基本不具備天然竹原纖維的優良特性。因此竹原纖維的技術發展趨勢表現為：一是改善可紡性，這是竹原纖維應用的根本和前提；二是改善細度，向細旦或超細旦方向發展， 并改善均勻度，為紡高支紗打下基礎；三是混紡，特別是與天然纖維、差別化化纖混紡，生產出具有特色的高檔新型面料。在可預見的將來，竹原纖維、改性竹原纖維的制備和竹原纖維入紗紡織依然是紡織行業亟待解決的問題。不僅如此，竹原纖維的產業化還存在技術和市場兩方面的風險，因為是一項新產品，其生產標準和質量標準有待探討；新產品的問世，在消費者市場仍需要有一個認識和接受的過程，并且在價格上將受到價格相對低廉的化纖等產品的激烈挑戰。
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引言
SMA路面混合料具有“三多一少”的特點，即粗集料多、瀝青用量多、礦粉多及細骨料少，是一種具有間斷級配的緊密嵌擠骨架密實結構的瀝青路面面層，在高速路及城市主干道多有應用。使用性能優點在于具有強度高、耐磨耗、抗車轍能力強、抗疲勞開裂及良好的高低溫穩定性。由碎石骨架和瀝青瑪蹄脂結合料組成，但造價較高。試驗中采用纖維穩定劑對SMA路面的使用性能進行研究，以驗證兩種纖維穩定劑對SMA路面路用性能的影響。
SMA混合料試驗及測試
1.試驗準備
SMA路面必須采用纖維穩定劑，因為SMA使用較多的礦粉和瀝青結合料，纖維具有加筋、分散、吸附及穩定和增粘等作用，可以防止瀝青析漏目前，通常采用的纖維摻用量一般為瀝青混合料總質量的0.3%，不高于1%，本次摻加量定位0.4%，并采用玄武巖礦物纖維和木質素纖維作對比。其中木質素纖維易受潮成團，應控制其含水率小于5%，試驗測試其含水率為2%，并將其保持在干燥環境中，基本符合試驗條件的要求。試驗采用改性瀝青，溫度控制在150℃～160℃，控制油石比5.5%，采用石灰巖粗集料及石灰巖礦粉，按照標準馬歇爾試驗制作馬歇爾試件。
2.試驗數據及分析
經過室內系列實驗，兩種纖維分別采用做兩組試件，每組做10個標準馬歇爾試件，其中車轍為每組2個試件作對比，得到的試驗數據取均值結果如表1所示。
由表1可知，各項測試指標均符合規范要求，摻纖維索后，SMA路面的使用性能均有所提高。摻木質素纖維的路面密度更小，但二者在性能方面卻并不呈完全向一方的傾向優勢。摻木質素纖維的SMA路面在干燥路面條件下，強度明顯優于摻玄武巖礦物纖維的路面，以馬歇爾穩定度來衡量；路面在濕潤條件下，摻木質素纖維的SMA路面強度雖然仍舊比摻玄武巖礦物纖維效果好，但優勢已經不夠明顯。在有水損害條件下，摻木質素纖維的SMA路面強度降低，而摻玄武巖礦物纖維的SMA路面強度卻有所升高；摻木質素纖維的SMA材料抗剪切變形的能力遠遠低于摻玄武巖礦物纖維的SMA路面，二者相差達46.6%。對SMA瀝青混合料輪碾成型后，進行車轍試驗，結果發現車轍結果遠高于規范要求，說明摻纖維素后確實對SMA路面的使用性能有較大影響，摻木質素纖維的SMA路面抗車轍能力比摻玄武巖礦物纖維效果差，二者相差高達52.4%。
含纖維素SMA混合料的施工建議
1.SMA混合料的結構特點
SMA組成結構比較特殊，具有以下特點：
（1）由于SMA粗集料較多，粗集料形成嵌擠作用，使得SMA路面具有高溫抗變形能力、抗車轍的能力，能夠適應重載交通
（2）SMA路面表面粗糙，構造深度大，抗滑性能好
3.礦粉含量高，增強了集料間瀝青的粘結裹覆能力，為結構強度的穩定起到重要作用
（3）SMA混合料加入纖維穩定劑后，SMA路面抗低溫、抗疲勞開裂性能得到提高，抗老化、抗水損害以及耐久性能均得到加強：
2.含纖維素SMA混合料的施工補充建議
（1）瀝青混合料的拌制
瀝青混合料的拌制以瀝吉均勻裹覆集料為準，一般拌制不低于45s，本次施工對象為摻纖維的改性瀝青SMA瀝青混合料，拌合時間應延長5s以上，以保證纖維在混合料中充分分散、拌勻，SMA混合料限拌合后應當天使用。
（2）瀝青混合料的運輸
對于SMA混合料的運輸，除正常運輸外，如發現瀝吉混合料沿車廂板滴漏時，應立即采取措施予以避免。
（3）瀝青混合料的攤鋪
攤鋪機攤鋪速度應緩慢均勻，速度放慢至1～3m/min，如發現混合料出現離析、波浪、裂縫、拖痕時，應予以消除。特別是本次油較多，應注意泛油現象。
小麥秸稈餐具耐高溫。小麥秸稈餐具是通過小麥秸稈經過纖維提取、漿水混合后模壓成型的一種可降解的新型環保餐具。具有耐高溫、成本低，可降解，韌性好，不含重金屬等特點。
小麥秸稈的主要成分有纖維素、半纖維素、木質素、聚糖醛酸、蛋白質及礦物質，其中纖維素、半纖維素、木質素的含量高達35%～40%。
秸稈餐具：
秸稈餐具是由小麥、蘆葦、甘蔗等可再生植物秸稈經過纖維提取、漿水混合后模壓成型的一種可降解的新型環保餐具。生產工程無毒無害、環保健康。該餐具環保一方面是利用了可再生的秸稈資源，解決了燃燒污染等問題；另一方面環保的意義是因為該餐具可以在自然狀態下經過45-90天完全降解成有機質。另外該產品還具有防水、防油、可冷藏、可放在微波爐加熱等特點，目前主要生產集中在中國的山東、浙江、廣東等地。
秸稈餐具的生產、使用不僅僅解決了秸稈的綜合利用，有效的減少了焚燒污染，還給當地農民創收打開了一條新的出路，屬于國家鼓勵倡導的可持續發展的產業。
（來源：文章屋網 ）
關鍵詞：黑液綜合利用 木質素磺酸鈉 水質達標排放 經濟效益 社會效益
我公司在加快推進師市新型工業化進程中，以科技為核心，以資源為紐帶，不斷加大產業結構調整力度，加大科技投入，實施節能提速技術改造和項目建設，產品質量穩步提升，企業實力不斷增強。在完成黑液資源化治污環保工程建設，徹底實現達標排放的同時，著力實施堿木素及其衍生品木質素磺酸納、高效減水劑的開發和生產取得成功。
堿法造紙所產生的草漿蒸煮黑液的主要成分是木質素及其衍生物，半纖維素以及殘留在黑液中的堿。制漿黑液所含COD及色度污染約占造紙廠污染負荷的90%，所以制漿廢液的治理是解決造紙廠排水污染的關鍵。
我公司主要是以蘆葦及麥草原料堿法制漿，制漿黑液存在粘度大、硅含量高、發熱量低等問題而難于治理。目前堿回收技術在草漿治理方面雖然有一定的進展，但回收率仍然較低（草漿黑液在70%以下，木漿黑液在95%以上），也無法對草漿黑液進行有效的治理。
近年來，國內多家造紙廠先后投產了一批生產木質素產品的工程裝置。人們已經開始從單一的環境治理，逐漸認識到多種資源的合理利用。從纖維素類單一造紙業的生產過渡到多種產品的開發，多元的產品結構擴大了企業的生存空間，增強了競爭力，不僅達到了污染治理的目的，而且產生了良好的經濟效益，使工廠走上可持續發展之路。
本著“開發適用新技術，提高資源綜合利用率，將污染消除在生產過程中，實現清潔生產”的指導思想，公司采用國內先進成熟的工藝技術和設備，新增黑液提取、濃縮、蒸發、噴霧干燥、生產反應實驗等設備，形成年處理30萬噸造紙黑液的規模，生產出年產3.0萬噸的木質素系列產品市場已逐步打開，在減少污染的同時使廢液得到綜合利用，提高環境效益，并產生可觀的經濟效益。
研究概況及成果
1、研究概況
我廠多年來一直使用堿法草漿蒸煮，蒸煮黑液的達標排放一直是困擾我廠的技術難題。隨著社會對環保意識的不斷加強，治理制漿造紙廢水污染成為迫在眉睫的問題。近年來有很多企業從資源化入手，不僅把制漿造紙廢液的污染問題從源頭上解決了，而且還帶來一定的經濟效益。黑液資源化處理技術就是集治理與再利用為一體，在對造紙黑液污染進行有效治理的同時，又通過聯產工藝技術，將其內部有效成分改造成可利用資源，為企業帶來一定的經濟效益。
2、研究結果
我公司為了適應生產要求，將原來的燒堿法制漿改為亞硫酸鈉法制漿，亞硫酸鈉是一種無機氧化性蒸煮助劑，在蒸煮中與木素起磺化作用，降解和溶出木素，同時將纖維素、半纖維素的還原性末端基氧化成羧基，起到抑制剝皮反應的作用。加之亞硫酸鈉法制漿的蒸煮液堿性較弱（與燒堿法制漿相比），大大降低了纖維素和半纖維素在堿性條件下的剝皮反應和堿性水解。
亞硫酸鈉蒸煮關鍵是保證磺化的順利進行，防止縮合發生。根據木質素磺酸鈉成品控制標準，采用堿性亞硫酸鹽法蒸煮，控制PH值≥10，蒸煮液中包含亞硫酸鹽離子（SO32-）和氫氧離子（OH-）或硫氫離子（SH-），有利于木質素的磺化反應，使木素溶解到蒸煮脫除木素比較容易。
木質素磺酸鈉作為化工改性產品，可用于石油開采助劑和水泥減水劑的生產工藝技術。形成該項目完整的成套技術，成果的整體水平達到國內先進水平。并填補疆內空白。
木質素磺酸鈉的技術指標及應用領域
1、技術指標
現在生產出的木質素磺鈉產品為了能夠滿足后續加工的需要，現生產的木質素磺酸鈉產品均滿足下列指標：
木鈉含量： ≥40%；
PH值： 9.0±0.5；
鈣鎂含量： ≤0.5%
氯離子含量：0.1%
容重： 0.40―0.55g/cm3
水不溶解含量≤4%
水分： ≤6%
2、應用領域
木質素磺酸鈉因其含有較多的磺酸基和羧基等活性基團，具有較好的溶解性能及較高的表面活性和分散性能，具有助磨性好、表面活性高、分散性好、熱穩定性高、高溫分散穩定性好等特點。木質素磺酸鈉是天然木質素改性產品，呈棕黃色粉末狀物體，無毒可燃，化學穩定性好。
我國木質素磺酸鈉制品主要用于普通混凝土減水劑、石油鉆井液稀釋劑、農藥分散劑和礦粉粘合劑、耐火材料粘合劑等，只有少量經過精加工制成染料分散劑等高附加值產品。因此目前木質素產品品種仍較為單一，還有很多用途有待開發，因此今后木質素系列產品的開發、品質的提高和應用領域及市場的開拓將會帶來新的經濟增長點。為此公司已了建立新疆木質素產品研發中心，以促進木質素產品的研究開發與產業化，加速科學技術轉化為生產力。
木質素磺酸鈉的社會效益
關鍵詞：纖維素；光合作用；葡萄糖；纖維素降解
中圖分類號：G632 文獻標識碼： C 文章編號：1672-1578（2014）6-0260-01
1838年法國農業學家佩因（A. Payen）從植物中提取某種化合物時分離出一種物質，由于該物質是在破壞細胞組織后得到的，并且幾乎在所有植物體內都存在，因此，佩因把它用cell（細胞）和lose（遭受破壞）合成了一個新名詞，稱為“cellulose”，意思是細胞“破裂”后的產物[1]。
地球上，植物通過光合作用，每年產生約1000億噸纖維
素[2]，是地球上最重要的資源之一，將在后石油時揮更大的作用，將是一切化學工業的基礎原料。
纖維素主要存在于棉花、樹木、苧麻、亞麻、竹、草和花中，是植物細胞壁的主要組成部分，這些植物通過光合作用將空氣中的二氧化碳和水轉化為纖維素，其主要化學反應過程為[3]：
CO2+H2OCH2O+O2（反應條件：光能和葉綠體）
6H2O + 6CO2+陽光C6H12O6（葡萄糖）+6O2（與葉綠素產生化學作用）
H2O2H+2e-+1/2O2（水的光解）
NADP+ +2e-+H+NADPH（遞氫）
ADP+Pi+能量ATP（遞能）
CO2+C5化合物2C3化合物（二氧化碳的固定）
2C3化合物+4NADPHC3糖（有機物的生成或稱為C3的還原）
C3（一部分）C5化合物（C3再生C5）
C3（一部分）儲能物質（如葡萄糖、蔗糖、淀粉，有的還生成脂肪）
因此，植物合成纖維素的同時，還伴隨合成木質素、半纖維素和淀粉等，不能產生純纖維素。
事實上，除了植物外，動物界也產生纖維素，如被囊綱（Tunicata class）內有些海洋生物的外膜中就有動物纖維素（tunicin）。還有某些微生物也產生纖維素，如醋酸桿菌屬、無色桿菌屬（Achromobacter）、根瘤桿菌屬（Rhizobium）、產堿菌屬
（Alcaligenes）、八疊球菌屬（Sarcina）、土壤桿菌屬（Agrobacterium）、氣桿菌屬（Aerobacter）、固氮菌屬（Azotobacter）和假單胞菌屬（Pseudomounas），都能產生纖維素[4]，而且微生物合成的纖維素中99%是纖維素，基本上沒有半纖維素和木質素。
這些微生物合成纖維素主要經歷4個酶促反應步驟：（1）在葡萄糖激酶的作用下將葡萄糖轉化為6-磷酸葡萄糖；（2）在變位酶作用下將6-磷酸葡萄糖通過變位作用轉化為1-磷酸葡萄糖；（3）在焦磷酸化酶（UDPG）的作用下將1-磷酸葡萄糖轉化為尿苷二磷酸葡萄糖（UDP-Glc）；（4）由纖維素合成酶將UDP-Glc合成為β-1，4-葡萄糖苷鏈，再裝配形成纖維素[5]。
纖維素酶不僅能合成纖維素，在不同的生物環境下，也能分解纖維素。能產生纖維素酶的微生物可以將稻草、秸稈等植物經過初級水解和次級水解，把纖維素長分子鏈截斷為小分子多糖，進一步分解為葡萄糖，供人類和動物食用后，代謝出水和二氧化碳，而這些水和二氧化碳正是植物光合作用的原料，在植物體內轉化為葡糖糖和纖維素，整個循環如圖1所示。
從圖1上可以看出，植物利用太陽能將二氧化碳和水合成葡萄糖，是整個循環的關鍵，而太陽能才是地球上取之不盡、用之不竭的能源，其他諸如石油、天然氣、煤炭等資源，按照人類當前消費速度，不出二百年，這些資源將枯萎甚至消失，太陽能是人類最可靠的能源，通過植物光合作用將太陽能固定，纖維素是主要的載體。因此，我們從中學階段教育學生，要愛護植物，保護自然環境，通過植物實現地球上二氧化碳的循環，避免溫室效應給地球帶來的災難，實現人類可持續發展。
參考文獻：
[1]Brauns F E.The chemistry of Ligin[J].New York：Academic Press Inc.， 1852. 5.
[2]Astley O M，Chanliaud E， Donald A M， et al. Structure of Acetobacter cellulose composites in the hydrated state[J]. International Journal of Biological Macromolecules， 2001，29（3）： 193～202.[37]Tonouchi N， Tsuchida T，Yoshinaga F， et al. Characterization of the biosynthetic pathway of cellulose from glucose and fructose in Acetobacter xylinum. Bioscience Biotechnology and Biochemistry， 1996，60（8）：1377～1379.
[3]周云龍主編.植物生物學（第三版）[M].高等教育出版社，北京，2011.
