纖維素的降解制備及應用研究進展

劉曉飛，鄭志輝，宋潔，侯艷，南雪梅，張娜

1. 哈爾濱商業大學食品工程學院（哈爾濱 150076）；2. 中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，動物營養學國家重點實驗室（北京 100193）

纖維素是植物、動物和細菌的生物合成產物[1]，泛指來源于植物，但動物胰腺或小腸消化酶無法消化的細胞壁成分，又可認為是未被消化的多糖和木質素的總稱，包括纖維素、半纖維素、果膠、木質素、樹膠和黏膠等。在植物細胞壁中，纖維素占35%～38%、半纖維素占38%～38.8%、木質素占12.3%～17%[1]。纖維素存在非常廣泛，樹葉、草料、秸稈中均含有大量纖維素，其中秸稈中纖維素占秸稈總質量的1/3。中國是生產秸稈大國，2018年秸稈總產量8.86億 t，東北是秸稈主要生產地區，每年都有大量秸稈堆積，近幾年除少部分秸稈作為燃料進行發電外，大部分就地焚燒，焚燒會產生大量有害氣體，且造成纖維素浪費，若能將秸稈中的纖維素加以利用，既能安全無污染地處理秸稈，又可有效緩解全球資源短缺問題，對于解決全球能源和環境問題具有重大意義。

1 纖維素結構

纖維素是通過1, 4-糖苷鍵連接而成的無支鏈的D-葡萄糖，純凈的纖維素為多晶體，這些多晶體由于包裝方式不同而被分為纖維素Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。對纖維素Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的研究較少，主要研究方向為纖維素Ⅰ，天然纖維素Ⅰ由纖維素Ⅰα和纖維素Ⅰβ組成，兩者的分配取決于纖維素來源。有效利用秸稈中纖維素，具有重要現實意義。

2 纖維素功能

纖維素可以改善人體功能。研究發現，腸道微生物可通過纖維素產生短鏈脂肪酸和丁酸，短鏈脂肪酸對腐生菌的生長有抑制作用，而丁酸具有抑制腫瘤細胞生長，誘導癌細胞轉化為正常細胞且能夠控制致癌基因表達的功能。除此之外天然纖維素還具有治療糖尿病、降壓、肥胖癥、便秘和清除有害物質等作用。

3 纖維素的制備

纖維素是一種結晶體，在植物中含量非常高，其內部高度結晶性且難溶于水和一般有機物。因此采用物理法、化學法和微生物降解法制備纖維素。

3.1 物理法

物理法以其工藝簡單，對環境污染小的特點而被廣泛應用。制備纖維素和納米纖維素可采用的物理法有盤磨法、高壓均質法和冷凍干燥法等。

盤磨法即將物料加入磨盤的加料口，轉動磨盤使物料受到強烈的擠壓和剪切力作用，并按螺旋的方式從出料口流出，將其熱壓成型。Bian等[2]利用石盤式研磨機制備納米纖維（LNCF）。高壓均質法是使用高壓均質機將纖維物料輸送至工作閥區，使壓力迅速下降并產生強烈的空穴作用和高速撞擊作用，最終得到微細化纖維素。Kawee等[3]使用高壓均質化方法從細菌纖維素（BC）中提取細菌納米纖維素（BNFC）并對其進行表征。冷凍干燥是利用冰晶升華原理，將凍結食物中水分在真空高壓條件下由固態變為氣態。陳文帥[4]利用冷凍干燥法得到超長纖維素納米纖維并對其進行表征，所制備納米纖維素直徑為30～80 nm，長度在1 mm以上，結晶度為61.3%。

3.2 化學法

3.2.1 酸水解

纖維素的濃酸水解反應是均相反應，其將纖維素轉化為葡萄糖，用稀酸水解纖維素同時得到葡萄糖和糠醛等副產品[5]。Shaheen等[6]通過超聲波酸水解木屑獲得纖維素納米晶（CNC），結晶度指數為90%。此外，Zou等[7]利用光催化和酸水解相結合的方法高效降解纖維素并產生氫氣。

3.2.2 堿水解

纖維素的外層包含有半纖維素和木質素，因此應在降解前適當處理。張坤等[8]使用堿溶-醇沉-酸析方法提取玉米纖維木質素，并使用Box-Benhmkem優化工藝條件：NaOH溶液濃度2.40 mol/L，反應時間3.1 h，提取溫度74 ℃。Wang等[9]以纖維素二乙酸酯和NFCs為原料經堿處理后制備出纖維素復合膜，制備出的纖維素膜具有良好相容性。Karuna等[10]使用堿預處理稻草，可將稻草中非纖維素組分通過水洗快速除去且獲得的總多糖和表面多糖的比表面積和孔隙體積很大。

3.3 微生物降解

近年來，纖維素酶被廣泛應用于工業化生產。纖維素酶通常為復合酶，可將纖維素水解為還原糖，并具有高度專一性。微生物降解不會污染環境，也不會產生有害氣體，降解纖維素的菌種來源廣泛，可從森林、垃圾填埋場、腐爛的秸稈、樹葉和一些以植物莖葉為食的動物腸道中得到。由分離純化的菌種所產生的纖維素酶對纖維素有降解作用，纖維素降解菌通常為細菌、真菌和放線菌等。細菌的纖維素酶主要是葡聚糖內切酶，不能降解結晶纖維素，且纖維素酶產量較少。此外，它產生的大部分酶吸附在細胞壁上，難以提取和純化，而真菌纖維素酶具有高產率和高活性，因此用于畜牧業和飼料工業的纖維素酶主要由真菌產生。但真菌的孢子非常輕，易造成環境污染。放線菌不僅可用于產各種抗生素，在降解纖維素方面也很突出，主要降解纖維素的菌種為鏈霉菌，纖維素酶也可由單孢菌產生。國外學者篩選并分離純化到能降解纖維素的菌種，具體見表1。

表1 降解纖維素菌種的篩選

國內學者在篩選可降解纖維素的菌株上做出諸多貢獻，且優化酶的生產條件。鄭國香等[19]分離篩選出一株低溫纖維素降解菌，該菌被發現為奧爾森青霉，并經過響應曲面法獲得此菌的最佳產酶條件：麩皮11.05 g/L、豆粉2.32 g/L、初始pH 5.23、卵磷脂2.30 g/L、羧甲基纖維素鈉酶活48.809 IU/mL。鄔欣慧[20]從堆肥的物料中篩選出2株可高效降解纖維素的菌株，1號菌株為Bacillus subtilis，7號為隱球酵母菌，1號菌株CMC酶活為26.82 U/mL，FPA酶活為20.32 U/mL，7號菌株CMC酶活為31.28 U/mL，FPA酶活為30.82 U/mL。

4 纖維素應用

4.1 在飼料行業中的應用

纖維素本身作為飼料的利用率很低，纖維素降解所產生的糖類[21]和其衍生物物質，可作為飼料及飼料的改良劑。除了利用瘤胃微生物發酵利用纖維素的反芻動物外，其他家畜固有地缺乏纖維素酶，對纖維素利用率非常低[11]。因此利用降解的纖維素作為飼料可節省資源并提高飼料營養價值[22]，改善飼料的適口性，提升家畜質量。聶利波等[23]以枯草芽孢桿菌為纖維素酶產生菌并將其加入雞飼料中，結果表明，向雞飼料中添加產纖維素的枯草芽孢桿菌，可明顯提高雞的粗纖維消化率，并且在一定范圍內，添加量與粗纖維的消化率呈正比。Watabe等[24]發現水溶性醋酸纖維素可有效增加反芻動物瘤胃醋酸鹽含量。

4.2 在能源產業中的應用

隨著煤炭等不可再生資源的日益減少，人們逐漸將目光轉向開發新能源，首當其沖的就是利用廢棄的農作物生產可再生且對環境污染較小的能源。利用纖維素降解可產生許多可高效燃燒的能源，可有效解決秸稈禁止燃燒后的放置問題。

4.2.1 產丁醇

丁醇作為一種燃燒后只產生二氧化碳和水的新能源，可廣泛用于各個行業中。生物丁醇與汽油更相容，以實現與汽油的更高混合比，并且丁醇具有低蒸氣壓，可以通過管道流通循環。但是丁醇的生產成本遠高于乙醇，使用谷物秸稈生產丁醇可有效降低成本，節約能源。傅德豐[25]得到6株可利用纖維素生產丁醇的中溫厭氧菌，其中Clostridium.beijerinckiiF6發酵4 d后的丁醇產量可達5.21 g/L，并確定復合菌系產丁醇最佳條件：初始培養基pH 7，菌液2 mL，纖維素質量濃度20 g/L，OD600nm值1。武繼文[26]利用Clostridium.beijerinckii和Saccharomyces cerevisiae構建復合菌發酵制丁醇體系并確定當酵母菌株添加時間12 h、接種量2%、pH 7時，丁醇產率比無酵母菌時增加203%，同時發現預處理后的秸稈經過纖維素酶粗酶溶液水解和糖化后，秸稈的葡萄糖產量更高。還有研究發現高效產丁醇菌株，具體見表2。

表2 產丁醇菌株及丁醇產量表

4.2.2 產氫氣

氫氣是一種在燃燒時會釋放出大量熱量的氣體，航天工業使用液態氫作為燃料。石化工業可通過加氫提煉原油，還可用氫氣來治療各種疾病。通過利用纖維素酶可提高秸稈的糖化率原理，不僅可以得到丁醇，而且可以利用可降解纖維素的菌株通過發酵產生氫氣。徐悅[32]通過MEC使用產生丁醇的廢液制氫，在以乙酸鈉為底物時可富集并穩定產生氫氣，最大產氫速率為3.54±0.47 m3H2/（m3·d），并且在加入適量COD時會提高氫氣產量。Jiang等[33]分離篩選得到一株可高效產氫的菌株sp 6，且分別以玉米芯和甘蔗渣為原料分別制得1 822.6和826.3 mL H2/L氫氣。Gadow等[34]發現MMC可產生甲烷和氫氣，并且纖維素制氫消耗的能量大于葡萄糖制氫消耗的能量。Ratti等[35]使用纖維素殘渣制得氫氣并發現反應器中含有大量丁酸，在纖維素酶反應器中發現的細菌與梭菌相似度為98%。

4.3 產其他能源

大多數纖維素降解產能源多為醇類和氫氣，產其他能源的報道相對較少。Chen等[36]利用纖維素通過球磨預處理制備乙酰丙酸甲酯，使工業上從纖維素中直接生產乙酰丙酸甲酯成為可能。Harini等[37]從香蕉皮和苞片制備出的纖維素納米纖維制取乙酰基和月桂酰纖維素。

4.4 新型生物材料

近年來，發現纖維素可廣泛應用于材料方面。Chen等[38]發現纖維素、纖維二糖、葡萄糖均可抑制木聚糖的水解，為木聚糖的水解優化提供參考。Henschen等[39]利用紙漿與草酸二水合物制備草酸纖維素并均質化制備納米纖維素，其性能與纖維素納米纖維和纖維素納米晶體相差不大。Kumar等[40]利用非洲納皮艾草為原料制備全纖維素復合材料，經表征后發現全纖維素復合材料的熱穩定性高于纖維素基體，并且其拉伸程度高于普通聚合物。

4.5 在醫藥方面應用

纖維素可被改性作為硝酸酯類藥物。硝酸酯類藥物主要用于治療心絞痛、心力衰竭、心肌梗死和控制手術中的血壓等。另一種藥物以羧甲基纖維素為載體，生產出的羧甲基纖維素衍生物可治療慢性腎衰竭。

5 展望

纖維素具有來源廣泛、容易獲取、成本低等特點。利用酸解、酶解和微生物降解纖維素的原理處理廢棄農作物，可有效節省資源。使用微生物降解可實現自然界的能量循環，對保護我國生態環境有一定作用。此外，利用纖維素降解所產生多糖、還原糖還可用于醫藥中壁材和食品等方面。纖維素可作為生物高分子材料，向復合材料中加入纖維素可生成低密度、無毒、可生物降解的新型材料。近年來，發現納米纖維素材料，其密度更低，強度和剛度更高，可用作工業材料的改良劑。纖維素的研究方向可從幾方面著手：一是更高效率地降解纖維素；二是建立復合菌系提高能源的產量等；三是對纖維素進行綜合利用，如作為產能源的主要原料、材料的抗凍劑、飼料的改良劑和替代品等。