[農業(yè)]秸稈生物降解技術生物質抗降解屏障植物生物質進化出復雜的結構和化學機制，以抵抗來自微生物和動物王國對其結構糖的攻擊（圖1）。被認為是導致木質纖維素原料對化學物質或酶的抵抗的自然因素包括（i）植物體的表皮組織，特別是角質層和表皮蠟;（ii）維管束的排列和密度;（iii）厚壁組織的相對數量;（iv）木質化程度;（v）胞壁成分如微纖維和基質聚合物的結構異質性和復雜性;（vi）作用于不溶底物的酶的挑戰(zhàn);(vii)隨后的發(fā)酵抑制劑，自然存在于細胞壁中或在轉化過程中產生。在生物煉制方面，生物質的這些化學和結構特征影響液體滲透和/或酶的可及性和活性，從而影響轉化成本。在分子水平（圖2），細胞壁微纖維的結晶纖維素核心是由纖維糊精鏈精確排列的，因此對化學和生物水解具有高度抗性。纖維素中葡萄糖殘基的椅形構象迫使羥基向徑向(赤道)方向排列，而脂肪族氫原子向軸向排列。結果表明，纖維素薄片中相鄰鏈間的氫鍵較強，而薄片之間的疏水相互作用較弱。纖維素薄片的疏水表面使結晶纖維素耐酸水解，因為它有助于在水合纖維素表面附近形成致密水層。強鏈間氫鍵網絡使結晶纖維素抵抗酶水解，而半纖維素和無定形纖維素則很容易消化。植物中的高階結構也有助于生物質的反抗。例如，由于非晶纖維素和半纖維素涂層的保護，接近微纖維的結晶纖維素芯受到限制。在微觀和宏觀尺度上，生物質復雜的非均質性質為化學或生物化學催化劑的輸送創(chuàng)造了質量輸運的限制。當前生物質轉化技術據設想，生物精煉廠將包括四個主要部分：原料采集和儲存，熱化學預處理、酶解和糖發(fā)酵生產乙醇或其他燃料?，F有的生物質轉化方案通常依賴化學和酶處理的結合。預處理步驟通常通過解聚和增溶半纖維素(生物量重量比約為20-40%)來減少頑固性。這一步將半纖維素轉化為單糖和低聚糖，它們可以進一步水解或發(fā)酵。從微纖維中去除半纖維素被認為暴露了結晶纖維素芯，然后可以被纖維素酶水解。此外，預處理通常會打破生物質的宏觀剛性，降低物質運輸的物理障礙。預處理。生物質熱化學預處理長期以來被認為是生產具有可接受酶消化的材料的關鍵技術。例如，在140°-200°C下，稀硫酸預處理使細胞壁中的纖維素更容易被糖化酶接近。在中等程度下，半纖維素被水解，糖被增溶為單體和低聚物?？墒牵扇苄蕴堑漠a率不是定量的(即60~70%)。對于酸處理，半纖維素中單糖和低聚糖的釋放顯示出多通道動力學，其中慢速組分的轉換直接關系到高成本。例如，一些研究人員已經注意到，木聚糖在半纖維素中的增溶作用最好的模型是一對平行的一級反應：一個發(fā)生的速度快，另一個進展的速度慢得多。什么決定了這個結果目前還不清楚，它可能取決于許多因素，如半纖維素的組成；生物量密度；非糖成分(如木質素、酸性中和灰分、乙?；推渌人峄鶊F)的存在；植物細胞結構(包括細胞類型或初生細胞壁和次生細胞壁的比例);或大規(guī)模運輸?；趬A爆減壓和有機溶劑萃取的預處理方案已經被提出并取得了極大的成功。堿法過程，被稱為氨纖維膨脹(AFEX)，留下半纖維素，但使剩余的細胞壁更易于酶水解。圖1細胞壁生物質的結構和化學復雜性。（A）在科羅拉多北部的東部平原上收獲的高密度玉米秸稈。（B）玉米薄壁組織細胞壁表面的原子力顯微圖。微纖維的直徑約為3~5nm。比例尺，50納米。（C）玉米莖橫截面的掃描電子顯微圖顯示了維管束和髓部組織，以及不同的細胞大小、形狀和細胞壁厚度，這是高等植物結構的典型特征。比例尺，50毫米。圖2（A）顯示細胞壁中主要多糖相互作用的簡化模型。(這里沒有顯示木質素，因為它的相互作用還沒有確定下來。)在這一體系中，半纖維素與剛性纖維素微晶的表面密切相關，形成微纖絲網絡。果膠是交聯的多糖，形成水合凝膠，將細胞壁成分“粘合”在一起。（B）纖維素基原纖維的36鏈模型。這里，葡聚糖鏈的描述通常是基于纖維素Iβ的x射線結構。有人提出纖維素基原纖維可能含有三組葡聚糖鏈：C1組(紅色)為6個真晶鏈;C2組(綠色)為12條亞晶鏈，無序程度較低;C3組(藍色)有18個表面鏈，呈亞晶狀，無序程度很大。（C）纖維素Iβ中鏈內和鏈間的氫鍵網絡。酶促降解。在自然界中，各種纖維素分解微生物產生的酶具有協同作用并與微生物相結合[如纖維素體]或獨立作用(如大多數真菌和許多細菌纖維素酶)。雖然目前還不完全知道有多少酶參與細胞壁的分解，但一般認為有三類酶是水解原生細胞壁材料所必需的:纖維素酶、半纖維素酶和輔助酶，其中包括半纖維素脫支酶、酚酸酯酶，可能還有木質素降解和修飾酶。一旦與細胞壁微纖維相關的半纖維素屏障被化學預處理破壞，纖維素酶可以用來水解這些結構的結晶纖維素芯。結晶纖維素是由內作用(相對于纖維素鏈)酶，即內切葡聚糖酶，和外切酶，即外切葡聚糖酶的協同作用水解的。內切葡聚糖酶沿著纖維糊精的任意位置定位表面位點，并在β-(1,4)鍵中插入一個水分子，形成一個新的還原性和非還原性鏈端對。β-D-葡萄糖苷酶(cellobias)作用于水解纖維素酶作用的產物纖維二糖，從而解除系統對最終產物的抑制。已知纖維素酶和其他糖基水解酶經過兩個步驟，koshland型機制使得末端C1的碳羥基處于β構型(立體化學保留)或使末端羥基處于α構型的協同反應機制(立體化學倒置)。水分子可以侵入非還原性鏈末端以下的空間，從而阻止它重新退火成纖維素晶體。從微纖維核心中去除纖維糊精被認為發(fā)生在這些新的鏈端，這個過程被認為是纖維素酶作用中的限速步驟，是由外葡聚糖酶也被稱為“加工”纖維素酶完成的?？朔镔|抗降解屏障目前的生物質轉化技術主要是基于對生物質生物和化學性質的有限了解而經驗開發(fā)的。最近對植物發(fā)育、碳水化合物化學和細胞壁超微結構的研究繼續(xù)為生物質轉化提供新的見解。為了實現從生物質生產具有成本競爭力的生物燃料的目標，這些來自植物科學和碳水化合物化學的新發(fā)現必須轉化和整合到轉化過程中。進一步的研究無疑將依賴于新技術的發(fā)展，例如，在納米尺度上成像和描述細胞壁的化學形貌。未來旨在克服生物質頑固性的研究將主要集中在共同工程的新細胞壁被降解的新工程酶設計的這一過程。為解構設計的植物。近年來對植物細胞壁生物合成的研究開始為植物細胞壁的結構和化學提供新的認識。雖然我們的許多知識是道聽途說，但高等植物的細胞壁被看作是生物聚合物的裝配體，在某些方面模仿生物聚合物“液晶”，通過尚未確定的控制途徑合成，例如，纖維素是在質膜上合成和組裝的，而半纖維素是在高爾基體中合成的。盡管我們缺乏關于細胞壁結構的詳細知識，在過去20年的研究中，在很大程度上采用簡化的方法，導致了大量關于細胞壁處理方法的信息，這些方法可以有效地增強酶的作用。研究表明，通過酸性或酶法系統地去除半纖維素，可顯著降低轉化纖維素到纖維二糖或葡萄糖所需的纖維素酶負荷。其他研究表明，酚類酯的減少，例如木質素和半纖維素之間連接的特征酚類酯的減少，也可以減少纖維素酶的負荷。因此，有理論認為，通過改變半纖維素、木質素和纖維素微纖維之間的分子相互作用來控制植物細胞壁，可以使昂貴的纖維素酶得到更有效的利用。最后，更困難的是改變纖維素本身性質的可能性，有更大的潛在利益。纖維素合酶復合體能否被改變，以產生更易于分解的“受傷”(結晶或聚合程度)纖維素?這樣的植物能存活并茁壯成長嗎?植物細胞和結構的另一種有效工程可能是在植物組織的層次上。例如，由于研磨的經濟和能源成本高，生物質加工的生物精煉廠最理想的是能夠在1-15厘米片段范圍使用原料。這要求催化劑(化學和酶)滲透整個材料是最佳的。溶解的固體和水在植物組織中的擴散是由維管束的排列以及連接細胞壁之間的凹坑控制的。因此，另一種旨在提高預處理化學物質和水解酶的滲透力的方法可能是通過基因工程來實現維管束的組織和細胞壁坑的密度。同樣，這種方法可以提高植物的生存能力和活力。工程催化劑和生物轉化系統。在許多方面，進行的多種纖維素酶是“蛋白質機器”（圖3）。然而，纖維素酶的功能比其他多糖酶慢大約一到兩個數量級。不幸的是，酶的脫結晶過程既關鍵又缺乏了解，因此需要大量的研究來提高纖維素酶作用的性能。改善纖維素酶性能的努力主要遵循兩個過程：(i)挖掘多樣性，發(fā)現新的酶范式;(ii)蛋白質工程知識。為了使后一種方法有效，這些酶在纖維素表面的作用機制必須在分子水平上被理解。雖然已經嘗試采用定向進化解決方案來改善纖維素酶特異性活性的問題，但有效的高通量策略和適當的表達系統的限制已經減緩了進展。未來的過程場景已經被提出，結合關鍵的過程步驟，從而降低整個過程的復雜性和成本。一個顯著的例子是綜合生物質處理(CBP)技術，CBP的概念可能是隨著Gauss在海灣石油開發(fā)過程中使用的同時糖化和發(fā)酵(SSF)方案的出現而開始的。最近，將SSF與酶生產結合的想法導致了CBP的新方法，這可能需要設計一種ethanologen(例如發(fā)酵酵母菌)可以分解纖維素或制造纖維素酶(如產乙醇的熱纖維素梭狀芽胞桿菌)。展望--生物煉制產業(yè)最終，生物質的轉化過程是有吸引力的，因為它們在今天的實踐和擴展到未來的場景是很容易為公眾設想的。盡管到2030年開發(fā)具有成本效益的發(fā)動機燃料生產技術具有挑戰(zhàn)性，但實現這一目標所必需的科學認識的進步似乎是可以實現的。生物燃料生產的一般途徑將依賴于加工步驟的鞏固，無論是在工程意義上還是在生物意義上。微生物細胞將被期望能夠高效地進行多次轉換反應，并在工藝條件下保持穩(wěn)健。這些改進需要對細胞和代謝過程有更深入的了解。新一代的水解酶的功能將接近其理論極限，能源植物將被改造，作為這些新一代酶的改進底物。事實上，下一代能源植物完全有可能攜帶自我解構所需的編碼酶的基因，在收獲前或生長周期的正常結束時被激活。圖3外葡聚糖酶的藝術概念(T.reesei纖維生物水解酶I)作用于結晶纖維素。在這個描述中，碳水化合物結合模塊(左)識別并與纖維素表面結合。通過一種尚未被完全理解的過程，纖維素單鏈被“去結晶”，并直接進入催化結構域的活性位點通道(右)。這種酶被認為是沿著纖維素鏈在每個催化事件中裂解一個纖維二糖單位，直到鏈結束或酶失活。原文來源