林业工程学报，２０２０，５（４）：１２－１９ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ＤＯＩ：１０．１３３６０／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９６－１３５９．２０１９０９０２６
收稿日期：２０１９－０９－２０㊀㊀㊀㊀修回日期：２０２０－０１－０８基金项目：国家自然科学基金（３１７３０１０６，２１７０４０４５）㊂李叔正
作者简介：金永灿，男，教授，研究方向为生物质资源化学与工程㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｊｉｎｙｏｎｇｃａｎ＠ｎｊｆｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
水溶性木质素对纤维原料酶水解的影响研究进展
金永灿，陈慧，吴文娟，尉慰奇
（南京林业大学，江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室，江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心，南京２１００３７）摘㊀要：木质纤维素具有储量大㊁可再生等特点，是生物质精炼的重要原料㊂通过酶水解将高聚糖转化为葡萄糖㊁木糖等单糖，是目前木质纤维素生物质精炼的重要途径㊂传统观点认为，酶水解体系中的底物木质素和溶解木质素都会阻碍木质纤维原料中纤维素的酶水解，主要表现为木质素阻碍了纤维素酶对纤维素的可及性㊁木质素对纤维素酶的非生产性吸附和溶解的木质素或类木质素结构（木质素衍生的酚类分子）对纤维素酶的抑制作用㊂但是近几年的研究表明，在酶水解体系中加入适量的水溶性木质素可有效促进含木质素底物中纤维素的酶水解㊂笔者总结了近年来水溶性木质素对木质纤维素生物质酶水解的研究进展，从纤维素酶⁃木质素相互作用的角度探讨了水溶性木质素对纤维素酶水解的促进作用，提出了水溶性木质素与纤维素酶之间的作用机理，即水溶性木质素与底物木质素对纤维素酶存在竞争吸附，水溶性木质素与纤维素酶的吸附域结合形成木质素⁃纤维素酶复合物，可有效减少底物木质素对纤维素酶的非生产性吸附，从而提高木质纤维素生物质的酶水解转化效率
㊂关键词：木质纤维素；水溶性木质素；纤维素酶；酶水解；糖化效率；作用机理中图分类号：ＴＱ３５３㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀㊀㊀开放科学（资源服务）标识码（ＯＳＩＤ）：
文章编号：２０９６－１３５９（２０２０）０４－００１２－０８
Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｗａｔｅｒ⁃ｓｏｌｕｂｌｅｌｉｇｎｉｎｏｎ
ｅｎｚｙｍａｔｉｃｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓｏｆｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅ
ＪＩＮＹｏｎｇｃａｎ，ＣＨＥＮＨｕｉ，ＷＵＷｅｎｊｕａｎ，ＷＥＩＷｅｉｑｉ
（ＪｉａｎｇｓｕＫｅｙＬａｂｏｆＰｕｌｐａｎｄＰａｐｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＪｉａｎｇｓｕＣｏ⁃ＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒｏｆＥｆｆｉｃｉｅｎｔＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＦｏｒｅｓｔＲｅｓｏｕｒｃｅｓ，ＮａｎｊｉｎｇＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００３７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆａｂｕｎｄａｎｃｅａｎｄｒｅｎｅｗａｂｌｅ，ｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅｉｓａｐｏｔｅｎｔｉａｌｒａｗｍａｔｅｒｉａｌｆｏｒｂｉｏｍａｓｓｒｅｆｉｎｉｎｇ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｌｉｇｎｏｃ
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ｅｒ⁃ｓｏｌｕｂｌｅｌｉｇｎｉｎｗｉｔｈｃｅｌ⁃ｌｕｌａｓｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｅｎｚｙｍａｔｉｃｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｉｔｗａｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｔｈｅｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｏｃｃｕｒｒｅｄｂｅ⁃ｔｗｅｅｎｗａｔｅｒ⁃ｓｏｌｕｂｌｅａｎｄｒｅｓｉｄｕａｌｌｉｇｎｉｎ．Ｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｒｅａｃｔｉｏｎｍｉｇｈｔｏｃｃｕｒｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｗａｔｅｒ⁃ｓｏｌｕｂｌｅｌｉｇｎｉｎａｎｄｔｈｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｄｏｍａｉｎｏｆｃｅｌｌｕｌａｓｅ，ｆｏｒｍｉｎｇｌｉｇｎｉｎ⁃ｃｅｌｌｕｌａｓｅｃｏｍｐｌｅｘｕｎｄｅｒｃｅｒｔａｉｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｗａｔｅｒ⁃ｓｏｌｕｂｌｅｌｉｇｎｉｎｂｌｏｃｋｅｄｔｈｅｃｅｌｌｕｌａｓｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｄｏｍａｉｎ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｃａｎｅｆｆｅｃｔｕａｌｌｙｐｒｅｖｅｎｔｆｒｏｍｔｈｅｎｏｎ⁃ｐｒｏ⁃ｄｕｃｔｉｖｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｌｉｇｎｉｎｏｎｃｅｌｌｕｌａｓｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｔｈａｔｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｃｏｎｔａｉｎｅｄｌｉｇｎｉｎ，ｉｔｗａｓｖｅｒｙｌｉｋｅｌｙｔｈａｔ，ｂｙｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｎｏｎ⁃ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆｃｅｌｌｕｌａｓｅａｎｄｓｕｂｓｔｒａｔｅｌｉｇｎｉｎ，ｔｈｅｅｎｚｙｍｅｈｙｄｒｏｌ⁃
㊀第４期金永灿，等：水溶性木质素对纤维原料酶水解的影响研究进展
ｙｓｉｓｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｗａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｉｓｗａｓｔｈｅｋｅｙｍｅｃｈａｎｉｓｍｆｏｒｗａｔｅｒ⁃ｓｏｌｕｂｌｅｌｉｇｎｉｎｔｏｐｒｏｍｏｔｅｃｅｌｌｕｌａｓｅｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｌｉｇｎｉｎｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｍｏｄｅｒａｔｅｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｃｅｌｌｕｌａｓｅａｎｄｅｘｏｇｅｎｏｕｓｌｉｇｎｉｎａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｗｉｔｈｅｎｄｏｇｅｎｏｕｓｌｉｇｎｉｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｅｎｚｙｍａｔｉｃｓａｃｃｈａｒｉｆｉ⁃ｃａｔｉｏｎｏｆｐｒｅｔｒｅａｔｅｄｓｕｂｓｔｒａｔｅｓｗｉｔｈｔｈｅｐｒｅｓｅｎｃｅｏｆｒｅｓｉｄｕａｌｌｉｇｎｉｎｗａｓｅｎｈａｎｃｅｄｂｙａｄｄｉｎｇｗａｔｅｒ⁃ｓｏｌｕｂｌｅｌｉｇｎｉｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅ；ｗａｔｅｒ⁃ｓｏｌｕｂｌｅｌｉｇｎｉｎ；ｃｅｌｌｕｌａｓｅ；ｅｎｚｙｍａｔｉｃｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ；ｓａｃｃｈａｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
㊀㊀木质纤维原料的糖平台技术作为一种非粮食性生物炼制过程，是目前生物质资源科学领域的研究热点［１－２］㊂木质纤维原料含量丰富且可再生，通过酶水解可将木质纤维原料中的碳水化合物降解为纤维二糖或葡萄糖，并且可以进一步转化为生物燃料，如转化成的乙醇燃料可缓解全球变暖及对石油燃料的过度依赖，是一种可持续发展的生产方式［３］㊂但是，由于其紧密和复杂的细胞壁结构
引起的物理和化学屏障，使木质纤维素生物质对微生物和酶促降解具有天然的顽固性㊂通常，即使使用较高酶载量或较长的反应时间，直接进行酶水解的木质纤维素生物质的葡聚糖转化的理论最大产率也不能大于２０％㊂因此，需要对木质纤维原料进行预处理，破坏木质素的密封性，增加纤维素酶对纤维素的可及性㊂
自２０世纪９０年代以来，木质素作为一种多酚聚合物，其对木质纤维素酶糖化的抑制作用已被广泛研究［４］㊂主要体现在３个方面：一是物理障碍，即木质素在空间上阻碍了纤维素酶和纤维素之间的物理接触［５］；二是纤维素酶和木质素之间的无效（或非生产性）吸附作用［６］；三是溶解的木质素或类木质素结构（木质素衍生的酚类分子）对纤维素酶的抑制作用［７］㊂多数学者认为前两种作用是主要的［８］，并且这两种作用相互依存［９］㊂已有大量研究阐述底物木质素与纤维素酶的非生产性结合是降低纤维素酶活性的主要原因，并提出了多种预处理技术以脱除木质纤维原料中的部分木质素，从而增加了木质纤维原料水解过程中纤维素酶对纤维素的可及性，进而有效提高酶水解效率㊂也有相关研究表明，在酶水解体系中添加一定量的水溶性木质素可提高预处理木质纤维素的酶水解效率［１０］㊂
笔者总结了近年来木质纤维素酶水解的研究进展，归纳了纤维素酶和木质素之间存在的相互作用，并阐述了对水溶性木质素的结构进行定向调控的方法以及水溶性木质素对酶水解的影响机制㊂１㊀木质纤维素酶水解过程
１．１㊀木质纤维原料的预处理
植物细胞壁是含有纤维素原纤维网格和复杂 基质 聚合物的复合材料，在植物细胞壁中，木质素的含量仅低于纤维素和半纤维素，其复杂的三维立体网状结构阻碍了纤维素酶在纤维素大分子上的吸附，最终影响纤维素水解成糖和其他有机化合物［４］㊂木质纤维原料的预处理在生物质精炼中起着至关重要的作用，破坏木质纤维原料紧密的天然结构，脱除部分半纤维素，使结构改性的木质素或木质素衍生分子释放到预处理液中，从而使纤维素易于水解以转化为生物燃料［１１－１２］㊂目前广泛应用的预处理方法见表１，主要包括物理法㊁化学法㊁物理化学法及微生物法等㊂预处理温度㊁ｐＨ㊁木质素与纤维素的保留与脱除㊁预处理产物及这些因素的协同作用，对木质素与纤维素酶的相互作用具有重要影响，甚至会得到相互矛盾的结果㊂一般而言，碱性或有机溶剂预处理对木质素有不同程度的降解溶出作用，而酸性或蒸汽爆破预处理则主要溶解半纤维素，大部分木质素仍然保留在纤维原料中㊂无论采用何种方式，总有一定量的木质素残留在纤维原料中，并且木质素的分布和化学结构均发生变化，有可能引起其对纤维素酶的非生产性吸附的变化㊂通过预处理脱除纤维原料中的部分木质素，可有效提高底物的酶水解效率，但脱木质素率达到一定程度后继续脱除木质素，由于伴随着碳水化合物的降解，反而不利于酶水解总糖转化的提高㊂
表１㊀木质纤维原料的预处理方法
Ｔａｂｌｅ１㊀Ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｉｃ八大心态的感想感悟
ｒａｗｍａｔｅｒｉａｌｓ
预处理方法举例
物理法㊀㊀机械粉碎㊁超声波预处理等［１３－１５］
化学法㊀㊀酸水解法㊁碱预处理㊁热水预处理和离子液体法等［１６－２１］物理化学法蒸汽爆破法和氨纤维爆破法等［２２－２３］
大学生就业推荐表
微生物法㊀白腐真菌预处理［２４－２５］
１．２㊀木质纤维原料的酶水解
木质纤维素生物质进行生物转化至关重要的步骤是通过纤维素酶将预处理后的木质纤维素生物质水解成可发酵的单糖㊂木质纤维素生物质的水解方法主要有酸法水解和酶法糖化㊂酶水解与酸水解方法相比，反应条件相对温和，得到了较快的发展，但纤维素酶成本相对较高［２６］㊂另外，底物的特征（结晶度㊁聚合度㊁纤维素的可及表面积和
３１
林业工程学报第５卷
木质素的含量）㊁纤维素酶活性和反应条件都是影
响纤维素酶可及性和水解得率的因素㊂
纤维素酶（ｃｅｌｌｕｌａｓｅ）［２７］是一种由多种酶组成的体系复杂的混合酶，主要由内切酶㊁外切酶㊁β⁃葡萄糖苷酶和木聚糖酶组成，通过各组分之间的相互协同作用将纤维素水解成葡萄糖［２８－２９］㊂纤维素酶的结构和水解过程见图１［１］
㊂
图１㊀木质纤维原料预处理及纤维素酶⁃木质素相互作用［１］
Ｆｉｇ．１㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｃｅｌｌｕｌｏｓｅ⁃ｌｉｇｎｉｎｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｄｅｐｅｎｄｅｎｔｏｎｌｉｇｎｉｎａｌｔｅｒａｔｉｏｎ
ｄｕｒｉｎｇｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｉｃｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ
２㊀木质素与纤维素酶之间的相互作用
已有大量研究阐述底物木质素与纤维素酶的
相互作用，一般认为两者间发生非生产性吸附或无效吸附
党课考试题库>赵公明
［３０－３１］
㊂通常认为木质素是酶水解的主要障
碍之一㊂迄今为止主要提出了３种纤维素酶和木质素之间的非共价相互作用（图１），即疏水作用㊁静电作用和氢键作用，这些相互作用随预处理后木质素物理化学性质的变化而变化［３２］㊂
２．１㊀疏水作用
疏水作用是纤维素酶与溶解木质素或残余木质素非生产性结合的主要特征㊂Ｐａｌｏｎｅｎ等［６］的研究认为，木质素和纤维素酶之间的非生产性吸附与疏水性作用有关㊂Ｑｉｎ等
［３３］
将里氏木霉
（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａｒｅｅｓｅｉ）ＡＴＣＣ２６９２１（一种商业纤维素酶系统）固定在硅片上，用原子力显微镜测量纤维素酶与木质素非生产性结合中所涉及的力㊂使用硫酸盐木质素或羟丙基纤维素涂覆的原子力显微镜探针与固定在硅片的纤维素酶作用，比较纤维素酶和木质素以及纤维素之间的作用力㊂试验结果
表明：纤维素酶与硫酸盐木质素之间的黏附力比和羟丙基纤维素之间的力高４５％；纤维素酶和疏水性探针之间的分子相互作用分别比具有 ＣＯＯＨ和 ＯＨ基团的探针的分子相互作用高１３％和
４３％㊂Ｂöｒｊｅｓｓｏｎ等［３４］则指出，与外切纤维素酶ＴｒＣｅｌ７Ａ相比，内切纤维素酶ＴｒＣｅｌ７Ｂ由于具有较强的疏水性更易与分离木质素结合，但两种酶的催化域与木质素的结合程度相似㊂木质素比纤维素具有更强的疏水性，因此根据疏水作用理论，纤维素酶更易与木质素发生结合㊂Ｌｕ等［３５］研究表明，纤维素酶与木质素由于疏水作用的结合导致酶活的降低与纤维素酶
的组分也有关，木质素导致纤维素酶活性的降低主要体现在其与纤维二糖水解酶的结合，其次是与木聚糖酶，最后是与内切β⁃１，４葡聚糖酶和β⁃葡萄糖苷酶的结合㊂
２．２㊀静电作用
许多研究人员认为，酶表面具有多个氨基酸残基，其电性与ｐＨ有关，所以纤维素酶和木质素之间存在静电相互作用［３６］㊂从预处理木质纤维素原料中分离得到的残余木质素通常含有羧基㊁酚羟基和醇羟基等官能团［３７］，经磺化处理的木质素则还含有磺酸基团㊂根据相邻取代基团的不同，木质素酚羟基的电离ｐＨ在６．２ １１．３之间［３８］㊂各种酶均有其独特的等电点（ｐＩ），在酶水解通常采用的ｐＨ环境下（５．０左右），Ｃｅｌ７Ａ（ｐＩ３．５ ４．２）具有弱的负电荷，Ｃｅｌ６Ａ（ｐＩ４．６ ５．０）几乎是电中性的，而Ｃｅｌ５Ａ（ｐＩ
５．５ ６．１）和Ｃｅｌ１２Ａ（ｐＩ５．１ ７．４）带正电［３９］，木质素中的羧基和磺酸基以电离状态存在㊂一般来说，酶在低于其等电点的ｐＨ下带有正电荷，能与木质素中电离的酸性基团形成静电引力，例如 ＳＯ－３和 ＣＯＯ－㊂Ｎａｋａｇａｍｅ等［４０］和Ｌｏｕ等［４１］研究表明，溶液的ｐＨ对木质素与纤维素酶的相互作用有重要影响㊂在较高的ｐＨ下，如ｐＨ＝６．０时，底物中的木质素与纤维素酶之间的无效吸附作用较弱，说明底物中木质素对纤维素酶的吸附可能与互相排斥的静电力有关［４２－４３］㊂Ｌａｎ等［４４］通过Ｚｅｔａ电位研究表明：ｐＨ升高
会使木质素表面的负电荷显著增加，促进木质素的亲水性并增加其对负电荷纤维素酶的库伦斥力，最终减弱酶水解底物中的内源性木质素对纤维素酶的非生产性吸附作用㊂通过不同的预处理措施可改变或调整底物木质素分子的化学基团的电荷㊂
２．３㊀氢键作用
氢键作用更有利于解释溶解的酚类化合物中纤维素酶的变性，几乎所有的热化学预处理都可以将酚类化合物从提取物（例如单宁酸）和木质素４
１
㊀第４期金永灿，等：水溶性木质素对纤维原料酶水解的影响研究进展
民主生活会记录
（例如对香豆酸）中释放到废液中［４５－４７］㊂Ｍｉｃｈｅｌｉｎ等［４５］研究了热水预处理蔗渣浆液的酶水解过程，结果表明：溶解的酚类物质不但会使纤维素酶和内切木聚糖酶失活，并且还会抑制β⁃葡萄糖苷酶和β⁃木糖苷酶的活性㊂木质素衍生的酚类化合物（例如羟基肉桂酸㊁４⁃羟基苯甲酸㊁阿魏酸㊁香草酸㊁对香豆酸）对酶水解的抑制作用也已经得到验证，并显示出对单组分纤维素酶的敏感性不同［５，４７－４８］㊂Ｔｉａｎ等［４６］报道了在特定浓度范围内阿魏酸，对香豆酸和水杨酸对纤维素酶的活化作用，通过紫外光谱分析可知，加入３种酚酸后，纤维素酶的吸光度峰值
显著增加，呈现４ ５ｎｍ红移，表明酚酸与酶有强烈的相互作用㊂Ｚｈａｏ等［４９］通过研究蒸汽爆破玉米秸秆中酚酸和酚醛对纤维素酶活性的影响，表明酚类化合物对纤维素酶活性的影响至关重要，酚醛是强抑制剂，酚酸在特定浓度范围内也有轻微影响，例如２ ４ｇ／Ｌ㊂蛋白质与酚类化合物之间的相互作用通常归因于氨基酸残基和酚羟基之间的可逆非共价键和不可逆共价键㊂Ｔｉａｎ等［４６］进行荧光分析后，结果表明水杨酸与纤维素酶为非共价相互作用，而对香豆酸和阿魏酸与纤维素酶为共价反应㊂并且通过进一步分析表明，酚酸可破坏酶的α⁃螺旋结构并增加β⁃折叠和无规则卷曲的含量，从而降低了酶水解效率㊂
另外，关于纤维素酶和木质素或木质纤维素底物之间的氢键作用也被广泛研究㊂Ｙａｎｇ等［５０］利用从杨木和松树中分离的有机溶剂木质素，研究了木质素对纤维素酶在水解过程中的抑制作用，结果表明：酚羟基是影响木质素抑制作用的关键因素，通过化学反应（如羟丙基化）阻断游离酚羟基可显著降低木质素的抑制作用㊂Ｑｉｎ等［３３］通过利用原子力显微镜测量纤维素酶与木质素非生产性结合中所涉及的力，证实氢键能促进纤维素酶与木质素的结合，但并不占主导地位㊂
３㊀水溶性木质素对木质纤维素生物质酶水解的影响
㊀㊀酶水解体系中的木质素对底物的酶水解具有非常重要的影响㊂底物中的木质素对纤维素酶产生不可逆地吸附，会降低水解体系中的有效酶活，降低酶水解效率；然而水溶性木质素在特定条件下不仅
不会对底物的酶水解产生阻碍作用，甚至还会有显著的促进作用㊂国内外关于水解体系中水溶性木质素与纤维素酶的相互作用及其对酶水解影响的研究较少，并且存在相互矛盾的观点㊂多数研究认为存在于水解体系中的水溶性木质素会阻碍
纤维素酶对纤维素的水解，但同时也有报道指出一
定量木质素磺酸盐的存在有利于经酸或碱预处理
的木质纤维素生物质的酶水解［５１－５２］㊂如果水解液中存在一定量的水溶性木质素，同样也会吸附纤维
素酶形成某种 复合物 ㊂有学者认为这种复合物
的存在不利于纤维素的酶水解，如Ｓｅｗａｌｔ等［５３］发现将纤维素酶与只含有木质素的底物进行预水解，纤维素酶的酶活和蛋白浓度均降低，推测木质素抑制酶水解的机理主要是形成了 木质素⁃蛋白质复合物 使纤维素酶失活㊂但Ｗａｎｇ等［５１］认为水溶性的木质素磺酸盐在水解体系中与纤维素酶形成 木质素⁃纤维素酶复合物 ，会使底物中木质素与纤维素酶之间的非生产性吸附明显减少㊂３．１ 水溶性硫酸盐木质素
有研究发现，尽管酶水解体系中的底物木质素
容易吸附纤维素酶并降低木质纤维素生物质的酶
水解效率，但是水溶性木质素在一定条件下会提高
酶水解效率［５４］㊂如将适量磺化硫酸盐木质素添加在酶水解体系中，在其他条件相同的情况下（酶用量），经绿液预处理的马尾松酶水解总糖转化率大幅度提高（从４２％提升至７５％）［５５］㊂但是，添加水溶性木质素后，不含木质素的底物如漂白纸浆或微晶纤维素的酶水解效率则略有下降㊂这一现象表明，水溶性木质素促进底物纤维素酶水解很可能与溶解木质素与底物木质素对纤维素酶的 竞争性 吸附有关㊂Ｎａｋａｇａｍａ等［４０］认为添加木质素对酶水解产生抑制作用，其主要原因是添加的分离木质素不溶于缓冲液，即所起的作用与底物木质素相似；而Ｌｏｕ等［５５］则指出添加硫酸盐木质素并未对酶水解产生明显的抑制作用，还原糖转化率反而略有提高，这主要是因为硫酸盐木质素是由酸沉得到的，含有少量可溶的低分子量木质素，较不溶部分及底物木质素更易与纤维素酶结合，从而抵消了添加木质素的不利影响㊂
Ｊｉａｎｇ等［５６］利用来自预处理废液中的碱性木质素的可溶性级分（ＷＡＬ），研究了水溶性木质素对碱预处理小麦秸秆酶水解糖化的影响㊂结果表明：加入一定量ＷＡＬ后，预处理小麦秸秆的酶水解效率显著提高，基于所得结果，提出了一种通过添加水溶性木质素来改善木质纤维素生物质的酶水解糖化新方法㊂因此，纤维素酶和水溶性木质素之间的相互作用可能是底物中残余木质素与纤维素酶之间非生产性吸附减少的潜在原因，并且水溶性木质素对酶水解的影响取决于底物木质素的存
行孝
５１
林业工程学报第５卷
在㊂郭天雨等［５４］将从制浆废液中分离的硫酸盐木质素（ＫＬ）进行分级，得到可溶于水的小分子硫酸
盐木质素ＫＬ５（ｐＨ＜５的级分），在预处理杨木的酶
水解体系中添加适量的ＫＬ和ＫＬ５，发现ＫＬ的添
加对酶水解总糖转化率有抑制作用，而ＫＬ５可明
显提高总糖转化率㊂但是，在不含木质素的底物酶
水解过程中添加水溶性木质素，对总糖转化率没有
促进作用㊂这一现象说明，水溶性木质素对底物纤
维素酶水解的促进作用很可能与水溶性木质素和
底物木质素与纤维素酶之间存在的 竞争性 吸附
有关，深入解释了木质素分子结构（如官能团㊁结
构单元㊁连接键型等）与纤维素酶之间存在的相互
作用关系，希望从根本上减少底物中的木质素对纤
维素酶的无效吸附，最终提高酶水解效率［５７］㊂３．２㊀磺化木质素与木质素磺酸盐
对木质素进行改性获得具有特定性能或官能
团的高聚物，促进酶水解，实现木质纤维素的全组
分综合利用是生物质精炼的重要部分㊂磺化木质
素是亚硫酸盐法制浆黑液以及碱木质素磺化的产
职场自我介绍物，为线性高分子聚合物㊂木质素的磺化可以增加
其表面活性并减少木质素与纤维素酶之间的疏水
作用，降低木质纤维素底物中木质素对纤维素酶的
无效吸附；线型的阴离子芳香高聚物会降低纤维素
酶的活性，抑制酶水解效率的提高，但其与聚乙二
醇的共聚物（ＡＬ⁃ＰＥＧ１０００）对木质纤维素酶水解效率的提高远远大于聚乙二醇本身［５８］㊂有研究指出，将一定量的表面活性剂加入到酶水解体系中，会提高纤维素酶水解的效率㊂近年来，一些学者发现，木质素磺酸盐作为阴离子表面活性剂可有效提高木质纤维原料的酶水解效率［５１，５９－６０］㊂Ｗａｎｇ等［５８］通过来自亚硫酸钠预处理黑液中的木质素磺酸盐来改善木质纤维素的酶水解，结果发现木质素磺酸盐的添加能提高酶水解效率，这与木质素和纤维素酶发生非生产性结合而抑制酶水解的传统观点相矛盾㊂Ｗａｎｇ等［６０］研究了磺化的硫酸盐木质素（ＳＬ）对经过不同预处理后的杨木酶水解效率存在的影响，结果发现在酶水解体系中添加适量ＳＬ后，经绿液和酸性亚硫酸氢盐预处理后杨木的酶水解效率明显提高，但对经亚硫酸盐⁃甲醛预处理后杨木的影响不大㊂这一研究的重要贡献在于明确了磺化木质素对酶水解的促进作用与底物木质素有关，见图２㊂从图２ａ可知，芒草㊁杨木和马尾松３种原料经绿液预处理后的木质素质量分数分别为１３．２％，２２．３％和３１．５％，达到最高酶水解转化率的ＳＬ添加量分别为０．１，０．２和０．３ｇ（以每克底物为基准）；在不含木质素的漂白化学浆及微晶纤维素的酶水解中添加ＳＬ，其酶水解转化率几乎恒定不变（图２ｂ）㊂研究还表明，在水解体系中添加ＳＬ能大幅度缩短经绿液预处理马尾松的酶水解时间（图２ｃ）或降低酶用量（
图２㊀酶水解过程磺化木质素的添加对酶解效率的影响［６０］
Ｆｉｇ．２㊀Ｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎｏｆｓｕｌｆｏｎａｔｅｄｌｉｇｎｉｎｏｎｅｎｚｙｍａｔｉｃｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
㊀㊀木质纤维素全溶体系以及石英晶体微天平在纤维素酶吸附与解吸研究的应用，为研究木质素与纤维素酶的相互作用提供了便利［６１］㊂Ｌｏｕ等［５５］在水解底物中添加适量的可溶性木质素磺酸钠（ＳＸＰ），发现ＳＸＰ会与木质素发生竞争吸附，通过石英晶体微天平（ＱＣＭ⁃Ｄ）分析可知，ＳＸＰ不仅能提高纤维素酶对纤维素的活性，而且还能降低纤维素酶在木质素上的非生产性吸附㊂朱杨苏等［５７］利用ＱＣＭ⁃Ｄ研究了磺化木质素对纤维素酶与木质纤维素生物质之间吸附作用的影响，表明磺化木质素能够促进底物的酶水解效率㊂３．３㊀水溶性木质素对纤维素酶水解的促进机理在酶水解体系中加入可溶性的木质素后，纤维素酶会和底物中的内源性木质素及加入到体系中的外源性木质素同时作用，而木质素与纤维素酶的相互作用受其分子结构的影响㊂水溶性木质素和纤维素酶之间发生的相互作用可有效减少酶在底物木质素上的无效吸附，进而提高酶水解效率㊂因此，水溶性木质素在一定条件下可以提高纤维素酶水解的效率，这与水溶性木质素和纤维素酶之间相互作用而形成的 木质素⁃纤维素酶复合物 有关㊂与纤维素酶蛋白分子相比，水溶性木质素的分子量
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