纤维素的降解制备及应用研究进展

刘晓飞，郑志辉，宋洁，侯艳，南雪梅，张娜

1. 哈尔滨商业大学食品工程学院（哈尔滨 150076）；2. 中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，动物营养学国家重点实验室（北京 100193）

纤维素是植物、动物和细菌的生物合成产物[1]，泛指来源于植物，但动物胰腺或小肠消化酶无法消化的细胞壁成分，又可认为是未被消化的多糖和木质素的总称，包括纤维素、半纤维素、果胶、木质素、树胶和黏胶等。在植物细胞壁中，纤维素占35%～38%、半纤维素占38%～38.8%、木质素占12.3%～17%[1]。纤维素存在非常广泛，树叶、草料、秸秆中均含有大量纤维素，其中秸秆中纤维素占秸秆总质量的1/3。中国是生产秸秆大国，2018年秸秆总产量8.86亿 t，东北是秸秆主要生产地区，每年都有大量秸秆堆积，近几年除少部分秸秆作为燃料进行发电外，大部分就地焚烧，焚烧会产生大量有害气体，且造成纤维素浪费，若能将秸秆中的纤维素加以利用，既能安全无污染地处理秸秆，又可有效缓解全球资源短缺问题，对于解决全球能源和环境问题具有重大意义。

1 纤维素结构

纤维素是通过1, 4-糖苷键连接而成的无支链的D-葡萄糖，纯净的纤维素为多晶体，这些多晶体由于包装方式不同而被分为纤维素Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。对纤维素Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的研究较少，主要研究方向为纤维素Ⅰ，天然纤维素Ⅰ由纤维素Ⅰα和纤维素Ⅰβ组成，两者的分配取决于纤维素来源。有效利用秸秆中纤维素，具有重要现实意义。

2 纤维素功能

纤维素可以改善人体功能。研究发现，肠道微生物可通过纤维素产生短链脂肪酸和丁酸，短链脂肪酸对腐生菌的生长有抑制作用，而丁酸具有抑制肿瘤细胞生长，诱导癌细胞转化为正常细胞且能够控制致癌基因表达的功能。除此之外天然纤维素还具有治疗糖尿病、降压、肥胖症、便秘和清除有害物质等作用。

3 纤维素的制备

纤维素是一种结晶体，在植物中含量非常高，其内部高度结晶性且难溶于水和一般有机物。因此采用物理法、化学法和微生物降解法制备纤维素。

3.1 物理法

物理法以其工艺简单，对环境污染小的特点而被广泛应用。制备纤维素和纳米纤维素可采用的物理法有盘磨法、高压均质法和冷冻干燥法等。

盘磨法即将物料加入磨盘的加料口，转动磨盘使物料受到强烈的挤压和剪切力作用，并按螺旋的方式从出料口流出，将其热压成型。Bian等[2]利用石盘式研磨机制备纳米纤维（LNCF）。高压均质法是使用高压均质机将纤维物料输送至工作阀区，使压力迅速下降并产生强烈的空穴作用和高速撞击作用，最终得到微细化纤维素。Kawee等[3]使用高压均质化方法从细菌纤维素（BC）中提取细菌纳米纤维素（BNFC）并对其进行表征。冷冻干燥是利用冰晶升华原理，将冻结食物中水分在真空高压条件下由固态变为气态。陈文帅[4]利用冷冻干燥法得到超长纤维素纳米纤维并对其进行表征，所制备纳米纤维素直径为30～80 nm，长度在1 mm以上，结晶度为61.3%。

3.2 化学法

3.2.1 酸水解

纤维素的浓酸水解反应是均相反应，其将纤维素转化为葡萄糖，用稀酸水解纤维素同时得到葡萄糖和糠醛等副产品[5]。Shaheen等[6]通过超声波酸水解木屑获得纤维素纳米晶（CNC），结晶度指数为90%。此外，Zou等[7]利用光催化和酸水解相结合的方法高效降解纤维素并产生氢气。

3.2.2 碱水解

纤维素的外层包含有半纤维素和木质素，因此应在降解前适当处理。张坤等[8]使用碱溶-醇沉-酸析方法提取玉米纤维木质素，并使用Box-Benhmkem优化工艺条件：NaOH溶液浓度2.40 mol/L，反应时间3.1 h，提取温度74 ℃。Wang等[9]以纤维素二乙酸酯和NFCs为原料经碱处理后制备出纤维素复合膜，制备出的纤维素膜具有良好相容性。Karuna等[10]使用碱预处理稻草，可将稻草中非纤维素组分通过水洗快速除去且获得的总多糖和表面多糖的比表面积和孔隙体积很大。

3.3 微生物降解

近年来，纤维素酶被广泛应用于工业化生产。纤维素酶通常为复合酶，可将纤维素水解为还原糖，并具有高度专一性。微生物降解不会污染环境，也不会产生有害气体，降解纤维素的菌种来源广泛，可从森林、垃圾填埋场、腐烂的秸秆、树叶和一些以植物茎叶为食的动物肠道中得到。由分离纯化的菌种所产生的纤维素酶对纤维素有降解作用，纤维素降解菌通常为细菌、真菌和放线菌等。细菌的纤维素酶主要是葡聚糖内切酶，不能降解结晶纤维素，且纤维素酶产量较少。此外，它产生的大部分酶吸附在细胞壁上，难以提取和纯化，而真菌纤维素酶具有高产率和高活性，因此用于畜牧业和饲料工业的纤维素酶主要由真菌产生。但真菌的孢子非常轻，易造成环境污染。放线菌不仅可用于产各种抗生素，在降解纤维素方面也很突出，主要降解纤维素的菌种为链霉菌，纤维素酶也可由单孢菌产生。国外学者筛选并分离纯化到能降解纤维素的菌种，具体见表1。

表1 降解纤维素菌种的筛选

国内学者在筛选可降解纤维素的菌株上做出诸多贡献，且优化酶的生产条件。郑国香等[19]分离筛选出一株低温纤维素降解菌，该菌被发现为奥尔森青霉，并经过响应曲面法获得此菌的最佳产酶条件：麸皮11.05 g/L、豆粉2.32 g/L、初始pH 5.23、卵磷脂2.30 g/L、羧甲基纤维素钠酶活48.809 IU/mL。邬欣慧[20]从堆肥的物料中筛选出2株可高效降解纤维素的菌株，1号菌株为Bacillus subtilis，7号为隐球酵母菌，1号菌株CMC酶活为26.82 U/mL，FPA酶活为20.32 U/mL，7号菌株CMC酶活为31.28 U/mL，FPA酶活为30.82 U/mL。

4 纤维素应用

4.1 在饲料行业中的应用

纤维素本身作为饲料的利用率很低，纤维素降解所产生的糖类[21]和其衍生物物质，可作为饲料及饲料的改良剂。除了利用瘤胃微生物发酵利用纤维素的反刍动物外，其他家畜固有地缺乏纤维素酶，对纤维素利用率非常低[11]。因此利用降解的纤维素作为饲料可节省资源并提高饲料营养价值[22]，改善饲料的适口性，提升家畜质量。聂利波等[23]以枯草芽孢杆菌为纤维素酶产生菌并将其加入鸡饲料中，结果表明，向鸡饲料中添加产纤维素的枯草芽孢杆菌，可明显提高鸡的粗纤维消化率，并且在一定范围内，添加量与粗纤维的消化率呈正比。Watabe等[24]发现水溶性醋酸纤维素可有效增加反刍动物瘤胃醋酸盐含量。

4.2 在能源产业中的应用

随着煤炭等不可再生资源的日益减少，人们逐渐将目光转向开发新能源，首当其冲的就是利用废弃的农作物生产可再生且对环境污染较小的能源。利用纤维素降解可产生许多可高效燃烧的能源，可有效解决秸秆禁止燃烧后的放置问题。

4.2.1 产丁醇

丁醇作为一种燃烧后只产生二氧化碳和水的新能源，可广泛用于各个行业中。生物丁醇与汽油更相容，以实现与汽油的更高混合比，并且丁醇具有低蒸气压，可以通过管道流通循环。但是丁醇的生产成本远高于乙醇，使用谷物秸秆生产丁醇可有效降低成本，节约能源。傅德丰[25]得到6株可利用纤维素生产丁醇的中温厌氧菌，其中Clostridium.beijerinckiiF6发酵4 d后的丁醇产量可达5.21 g/L，并确定复合菌系产丁醇最佳条件：初始培养基pH 7，菌液2 mL，纤维素质量浓度20 g/L，OD600nm值1。武继文[26]利用Clostridium.beijerinckii和Saccharomyces cerevisiae构建复合菌发酵制丁醇体系并确定当酵母菌株添加时间12 h、接种量2%、pH 7时，丁醇产率比无酵母菌时增加203%，同时发现预处理后的秸秆经过纤维素酶粗酶溶液水解和糖化后，秸秆的葡萄糖产量更高。还有研究发现高效产丁醇菌株，具体见表2。

表2 产丁醇菌株及丁醇产量表

4.2.2 产氢气

氢气是一种在燃烧时会释放出大量热量的气体，航天工业使用液态氢作为燃料。石化工业可通过加氢提炼原油，还可用氢气来治疗各种疾病。通过利用纤维素酶可提高秸秆的糖化率原理，不仅可以得到丁醇，而且可以利用可降解纤维素的菌株通过发酵产生氢气。徐悦[32]通过MEC使用产生丁醇的废液制氢，在以乙酸钠为底物时可富集并稳定产生氢气，最大产氢速率为3.54±0.47 m3H2/（m3·d），并且在加入适量COD时会提高氢气产量。Jiang等[33]分离筛选得到一株可高效产氢的菌株sp 6，且分别以玉米芯和甘蔗渣为原料分别制得1 822.6和826.3 mL H2/L氢气。Gadow等[34]发现MMC可产生甲烷和氢气，并且纤维素制氢消耗的能量大于葡萄糖制氢消耗的能量。Ratti等[35]使用纤维素残渣制得氢气并发现反应器中含有大量丁酸，在纤维素酶反应器中发现的细菌与梭菌相似度为98%。

4.3 产其他能源

大多数纤维素降解产能源多为醇类和氢气，产其他能源的报道相对较少。Chen等[36]利用纤维素通过球磨预处理制备乙酰丙酸甲酯，使工业上从纤维素中直接生产乙酰丙酸甲酯成为可能。Harini等[37]从香蕉皮和苞片制备出的纤维素纳米纤维制取乙酰基和月桂酰纤维素。

4.4 新型生物材料

近年来，发现纤维素可广泛应用于材料方面。Chen等[38]发现纤维素、纤维二糖、葡萄糖均可抑制木聚糖的水解，为木聚糖的水解优化提供参考。Henschen等[39]利用纸浆与草酸二水合物制备草酸纤维素并均质化制备纳米纤维素，其性能与纤维素纳米纤维和纤维素纳米晶体相差不大。Kumar等[40]利用非洲纳皮艾草为原料制备全纤维素复合材料，经表征后发现全纤维素复合材料的热稳定性高于纤维素基体，并且其拉伸程度高于普通聚合物。

4.5 在医药方面应用

纤维素可被改性作为硝酸酯类药物。硝酸酯类药物主要用于治疗心绞痛、心力衰竭、心肌梗死和控制手术中的血压等。另一种药物以羧甲基纤维素为载体，生产出的羧甲基纤维素衍生物可治疗慢性肾衰竭。

5 展望

纤维素具有来源广泛、容易获取、成本低等特点。利用酸解、酶解和微生物降解纤维素的原理处理废弃农作物，可有效节省资源。使用微生物降解可实现自然界的能量循环，对保护我国生态环境有一定作用。此外，利用纤维素降解所产生多糖、还原糖还可用于医药中壁材和食品等方面。纤维素可作为生物高分子材料，向复合材料中加入纤维素可生成低密度、无毒、可生物降解的新型材料。近年来，发现纳米纤维素材料，其密度更低，强度和刚度更高，可用作工业材料的改良剂。纤维素的研究方向可从几方面着手：一是更高效率地降解纤维素；二是建立复合菌系提高能源的产量等；三是对纤维素进行综合利用，如作为产能源的主要原料、材料的抗冻剂、饲料的改良剂和替代品等。