当前课程知识点：植物纤维化学 > 第五章 纤维素 > 5.10 纤维素酶降解 > 5.10 纤维素酶降解
同学们，大家好！随着石化资源的减少，生物能源受到了极大关注
燃料乙醇是生物质能源的一种重要产品形式，燃料乙醇是怎么生产出来的？其生产原理是什么？
要想解答这个问题，我们就要学习纤维素的酶降解
第10节 纤维素酶降解
酶的简介：酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子
是一种由生物体合成的能加快生物体内特殊化学反应的复杂化合物
特点：生命活动必不可少的生物催化剂，具有高效性、专一性、反应条件温和、使用安全
注意：酶是一种蛋白质，但不能说所有的蛋白质都是酶，只有具有催化活性的蛋白质才称为酶
酶具有蛋白质的一切理化性质
酶只是加速反应达到平衡的速率而不改变平衡点，起催化作用
酶根据其作用不同可分为多种类型
转移酶、水解酶、氧化一还原酶、裂解酶、异构酶、生合酶等
纤维素的生物分解酶
纤维素酶是降解纤维素生成葡萄糖的一组酶的总称
目前普遍认为完全降解纤维素至少需要由3种功能不同但又互补的纤维素酶的3类组分
葡聚糖内切酶(EG或Cx) 可以随机水解纤维素的β1-4苷键，使纤维素切割成许多短分子链
一般用于水解可溶性纤维素，如CMC、羟乙基纤维素、磨碎的纤维素
用浓酸或浓碱润胀的纤维素等，对结晶度高的纤维素则不起作用
葡聚糖外切酶(CBH或C1) 是结晶纤维素水解不可缺少的酶，它将分解结晶纤维素间氢键
使之无定形化，还有将非还原末端基除去纤维二糖的作用，并逐步打开苷键
纤维二糖酶或β-葡萄糖苷酶 (CB)可将β-1-4苷键水解，生成两分子葡萄糖
纤维素水解酶是由葡聚糖内切酶和葡聚糖外切酶构成的复合酶
由它们的协同作用，使结晶度高的天然纤维素水解
纤维素酶分子由催化结构域、纤维素结合结构域和一个连接桥三部分组成
不同来源的纤维素酶分子其特征和催化的活性不尽相同，酶分子大小范围很广
纤维素酶的作用机理
纤维素的降解过程：首先是纤维素酶分子吸附到纤维素表面
然后，葡聚糖内切酶在葡聚糖链的随机位点水解底物，产生寡聚糖
葡聚糖外切酶从葡聚糖链的非还原末端进行水解，主要产物为纤维二糖
而纤维二糖酶可水解纤维素二糖为葡萄糖
需要这三类酶的“协同”才能完成对纤维素的降解
其中对结晶区的作用必须有葡聚糖内切酶和葡聚糖的外切酶
对无定形区则仅葡聚糖内切酶组分就可以
由于不同的纤维材料中结晶区、无定形区所占比例不同
加上其他物理性质的影响，完全降解时所需上述3类纤维素酶的比例也各异
纤维素酶各组分的协同作用
由于植物纤维素分子的致密结构，以及半纤维素和木质素的保护层使纤维素不易被降解
打破纤维素分子的结晶结构和保护层，使材料变得蓬松，易于被纤维素酶作用
要对材料进行预处理，常用的预处理方法为物理方法和化学方法
纤维素酶活性测定
依照酶反应动力学的通则，酶活力的测定是在底物过量存在条件下
测定酶促反应的初速度用以表征酶活力
但纤维性材料均为水不溶性大分子，无法组成过量存在的反应体系
再加上纤维底物二、三级集聚结构的不均匀性，同为 1-4 糖苷键
由于在高分子中所处微环境的不同，其被酶解的感受性也不同
纤维素酶是多组分酶系，各组分间有协同作用，形成多种终产物和涉及多种反馈控制机理等
这样测初速度的原则也就难以反映底物特性，这使确定标准化酶活力测定方法非常困难
纤维素酶测酶活的方法有以下几种
棉线切断法：采用Monod恒温振荡器，将缝纫机线 (15支纱)的一端浸入含有5ml酶液的试管中
pH5.0、40℃下、72 r•min振荡测定纱线切断所需时间，以此来得到酶活力
滤纸崩溃法
采用Monod恒温振荡器，将两片滤纸(1×1cm)加入装有5ml酶液试管中，40℃、72r•min、pH4.0
计算滤纸完全崩溃所需要的时间，求得酶活力
浊度法：用0.03%微晶纤维素在pH5.5 40℃下经酶液作用后，用其浊度的减少代表C1酶活
羧甲基纤维素钠 (CMC-Na)为底物的粘度减少和还原力生成的测定法
影响纤维素酶活测定的因素很多，除了温度、反应时间、底物与浓度比以外
底物的质量和测定方法也将影响酶的活性
由于不同微生物产生的纤维素酶在组成和性质上不相同
作为底物的天然纤维素不溶于水，在化学结构上千差万别，对纤维素酶降解机理不甚了解
所以目前还没有一套测定纤维素酶的标准方法
酶解影响因素
纤维素结构对酶解的影响
纤维素比表面积多少影响酶解速度，比表面积大，酶解速度快
外面包着的木素多少影响酶解速度，木素多，酶解速度慢
结晶区与无定形区的比例影响酶解速度，无定区多，酶解速度快
酶和酶用量，纤维素酶是有三种酶组成的混合酶系，比例不同，效果不同
酶用量增加，降解快，但成本高
酶解温度、pH值及抑制剂
酶解适合的pH是4.5-5.5、适合的温度30-50度
植物体本身含有的酚类、单宁、黄酮、卤化物、重金属会抑制酶解速度
中间物的浓度，纤维二糖会抑制酶解速度。生成物的浓度，葡萄糖的浓度会抑制酶解速度
解决方法是添加激活剂 Mg2+、Ca2+中性盐能促进酶解速度
原料的预处理
物理法：粉碎、蒸汽爆破、微波、高能辐射和超声波处理均能破坏木材的结构，使纤维素暴露出来
化学处理：氢氧化钠、液氨及其它试剂预处理，破坏纤维素的结晶区
物理-化学法：常用有氨冷冻爆破、破坏纤维素的结晶区
酶解工艺
酶解糖化工艺
早期主要采用一次加料酶解法，后来改为分批添料酶解，提高了酶解效率
缺点：不能消除葡萄糖对反应的抑制，酶解效率只能在一定程度上得到提高
同步酵解发酵工艺
纤维素的酶降解糖化与酒精发酵在同一个反应器中连续进行的发酵方式
优点：消除了葡萄糖对反应的抑制
缺点：酶水解与酵母发酵最适温度不一致
同步产酶与酶解工艺
将纤维素酶的合成与纤维素的酶解糖化耦合在同一个反应器中进行的发酵方式
特点：工艺成本低，易于自动化连续操作，应用前景好
固定化酶糖化发酵工艺
将酶固定在载体上的发酵方式
固定化酶比游离酶有较稳定性、可以连续操作、重复使用、降低成本
利用固定化纤维素酶系统意义重大
小结
纤维素酶分为葡聚糖内切酶、外切酶及纤维素二糖酶
影响因素有：纤维素结构对酶解的影响、酶和酶用量、温度、pH值、抑制剂及酶解工艺
今天的课程就讲到这里，下节课我们将一起学习纤维素酯化，欢迎继续关注我们的课程
-绪论
--绪论
-讨论
-1.1 植物纤维原料形成与分类
-1.1 植物纤维原料形成与分类--作业
-1.2 木材的宏观结构
--木材的宏观结构
-1.2 木材的宏观结构
-1.3 针叶材与阔叶材的显微构造
-1.3 针叶材与阔叶材的显微构造--作业
-1.4 非木材原料的宏观与显微结构
-1.4 非木材原料的宏观与显微结构--作业
-1.5 纤维细胞壁超微结构
-1.5 纤维细胞壁超微结构--作业
-1.6 纤维形态学因素
-1.6 纤维形态学因素--作业
-讨论
-图文
-课程思政--中国文化自信案例1
--纸的故事（一）
-本章总结
-2.1 植物纤维原料的化学组成
-2.1 植物纤维原料的化学组成--作业
-2.2 与纤维素相关的概念及化学组成对制浆造纸的影响
-2.2 与纤维素相关的概念及化学组成对制浆造纸的影响--作业
-2.3 常用植物纤维原料的化学组成
-2.3 常用植物纤维原料的化学组成--作业
-讨论
-图文
-本章总结
-3.1水分存在形式
-3.1水分存在形式--作业
-3.2 水分对木材的影响
-3.2 水分对木材的影响--作业
-讨论
-图文
-课程思政——木材水分与干缩湿胀实例
-本章总结
-4.1木材提取物的定义、分类、结构和性质
-4.1木材提取物的定义、分类、结构和性质--作业
-4.2 芳香族化合物
-4.2 芳香族化合物--作业
-4.3 脂肪族化合物和无机物
-4.3 脂肪族化合物和无机物--作业
-4.4 提取物的分布、提取和分离
-4.4 提取物的分布、提取和分离--作业
-4.5 提取物对加工利用的影响
-4.5 提取物对加工利用的影响--作业
-讨论
-课程思政——提取物的高效利用实现绿水青山就是金山银山
--松脂采集
--松脂加工利用案例
-本章总结
-5.1糖化学基础
-5.1糖化学基础--作业
-5.2纤维素的存在、结构、性质
-5.2纤维素的存在、结构、性质--作业
-5.3纤维素物理结构
-5.3纤维素物理结构--作业
-5.4纤维素晶体结构
-5.4纤维素晶体结构--作业
-5.5纤维素结晶度及测定方法
-5.5纤维素结晶度及测定方法--作业
-5.6 纤维素润胀、溶解
-5.6 纤维素润胀、溶解--作业
-5.7 纤维素双电层及热解
-5.7 纤维素双电层及热解--作业
-5.8 纤维素酸水解和碱降解
-5.8 纤维素酸水解和碱降解--作业
-5.9 纤维素的氧化
-5.9 纤维素的氧化--作业
-5.10 纤维素酶降解
-5.10 纤维素酶降解--作业
-5.11纤维素酯化
-5.11纤维素酯化--作业
-5.12 纤维素醚化
-5.12 纤维素醚化--作业
-5.13纤维素接枝共聚与交联
-5.13纤维素接枝共聚与交联--作业
-5.14纤维素物理改性
-5.14纤维素物理改性--作业
-5.15细菌纤维素
-5.15细菌纤维素--作业
-讨论1
-讨论2
-图文
-拓展学习资料
--纸张结构
--纤维角质化定义
--纤维角质化机理
-课程思政--文化自信案例2（中国古名纸）
-课程思政——国家能源战略：生物质能源
-课程思政——文化自信案例3（纤维素与纺织）
-本章总结
-思维导图
-6.1半纤维素的命名、存在
-6.1半纤维素的命名、存在--作业
-6.2半纤维素提取
-6.2半纤维素提取--作业
-6.3半纤维素分离及糖基测定
-6.3半纤维素分离及糖基测定--作业
-6.4半纤维素的化学性质
-6.4半纤维素的化学性质--作业
-6.5半纤维素与纸张的关系
-6.5半纤维素与纸张的关系--作业
-6.6半纤维素利用
-6.6半纤维素利用--作业
-讨论
-图文
-拓展学习-功能性低聚糖
--功能性低聚糖
--常见功能性低聚糖
--木糖醇的食用
-本章总结
-7.1 绪论-木素的研究现状
-7.1 绪论-木素的研究现状
-7.2 木素的存在及其生物合成
-7.2 木素的存在及其生物合成--作业
-7.3 木素概念及化学结构
-7.3 木素概念及化学结构
-7.4 木素的分离
-7.4 木素的分离--作业
-7.5 木素碳水化合物复合体
-7.5 木素碳水化合物复合体
-7.6 木素化学结构的研究方法
-7.6 木素化学结构的研究方法
-7.7 木素的紫外及红外光谱
-7.7 木素的紫外及红外光谱
-7.8 木素的显色反应
-7.8 木素的显色反应
-7.9 木素化学结构与化学反应的关系
-7.9 木素化学结构与化学反应的关系
-7.10 木素的亲核反应1-氢氧化钠脱木素
-7.10 木素的亲核反应1-氢氧化钠脱木素
-7.11 木素的亲核反应2-硫酸盐法脱木素
-7.11 木素的亲核反应2-硫酸盐法脱木素
-7.12 木素的亲核反应3-亚硫酸盐法脱木素
-7.12 木素的亲核反应3-亚硫酸盐法脱木素
-7.13 木素的亲电反应
-7.13 木素的亲电反应
-7.14 木素的物理性质及特性
-7.14 木素的物理性质及特性
-7.15 木素的利用
-7.15 木素的利用
-讨论1
-讨论2
-图文
-植物纤维化学实验资料
--植物纤维化学实验
-课程思政——文化自信案例3：中国造纸技术的贡献
-本章总结
-考试
