特约专稿表面活性剂促进纤维原料酶解转
为了缓解能源生产与粮食安全之间的矛盾,以木质纤维类物质为原料生产第二代乙醇已成为各国优先发展的领域。 纤维乙醇纤维乙醇,是用秸秆、农作物壳皮茎秆、树叶、落叶、林业边角余料和城乡有机垃圾等纤维为原料生产的燃料乙醇,可加入汽油中的品质改善剂、增氧剂,可作为一种优良的燃油品质改善剂被广泛使用。 乙醇以一定的比例添加到汽油中形成车用乙醇汽油,在使用过程中,可显著降低汽车尾气中的一氧化碳、碳氢化合物排放量,是目前改善大气环境的有效途径之一;并可实现CO2的自身平衡,不增加温室气体排放,实现人与自然的和谐发展,改善人类的生存环境质量。 尽管目前纤维乙醇的生产已取得较大进展,但是仍需利用各种技术降低转化成本以实现纤维乙醇的商业化生产。 如:采用有效的预处理方法以改变木质纤维素高度复杂的内部结构并克服其对生物转化的顽抗性;降低生物转化过程中所需化学品的用量和能耗;实现在低酶用量下生物质向目标产物的高效转化等。 纤维酶解转化的主要原料包括农林废弃物和工业纤维渣,天然纤维素高度复杂的内部结构和对生物质转化过程的顽抗性使其酶解效率较低,因此纤维素通过酶水解作用向可发酵性糖的转化是纤维乙醇生产过程中关键步骤,也是制约纤维乙醇商业化生产的关键因素。 生物质预处理生物质预处理可以脱除部分木质素或半纤维素,打破抗降解屏障,降低木质素对纤维素酶的无效吸附、增强底物的孔隙率和增加纤维素的可及度。 木质素的存在,一方面降低了纤维素的可及度,另一方面木质素与纤维素酶间的无效吸附降低了酶的利用率。大多数的预处理过程需要消耗大量的化学品和额外的能源,会带来二次环境污染,同时提高乙醇的生产成本。 预处理后物料中残存的木质素仍会对酶解产生抑制作用。 大量研究表明,在纤维原料酶解过程中添加表面活性剂是一种简洁高效的促进酶解和乙醇生产的方法。它不仅能够促进木质纤维素的有效转化,还能够通过减少酶用量和提高产物浓度来降低乙醇转化成本。表面活性剂特殊的双亲结构使其具有常见化合物所不具备的特殊性质和作用,主要表现为乳化作用、润湿作用、增溶作用、泡沫作用、洗涤作用和分散作用等。 表面活性剂因其独特的结构和功能特性使其在纤维转化乙醇过程中得到广泛应用研究。在木质纤维素原料酶解过程中添加表面活性剂可以显著降低木质素对纤维素酶的无效吸附、降低纤维素酶与纤维素之间的不可逆结合、激活纤维素酶,从而提高酶解效率,促进乙醇的生产。同预处理技术相比,仅添加表面活性剂的生物转化过程所需的能耗较低,有利于降低酶解成本。 但是,表面活性剂的种类和使用方式会对纤维原料酶水解转化过程产生不同的影响。 北京林业大学蒋建新,郑天然等通过对不同类型表面活性剂(合成表面活性剂、天然表面活性剂和生物表面活性剂)在纤维酶解转化过程中的应用和作用机理进行对比分析,以期为表面活性剂在木质纤维生物质高值化生物转化领域的应用提供依据。 1.表面活性剂结构、性质和分类表面活性剂是由非极性烃链和极性或离子基团组成的两亲性分子,烃链与水分子的相对作用较弱,而极性或离子基团与水分子产生强烈的相互作用。表面活性剂的结构和功能特性使其能够增强不溶性或疏水性有机化合物的溶解度、流动性、生物利用度和生物降解性。表面活性剂具有降低表面张力、聚集形成胶束、润湿、乳化、分散等性能。功能性表面活性剂则在某些方面表现出可反应性、杀菌性、螯合金属离子等。表面活性剂根据亲水基团是否带电可分为离子型和非离子型;根据溶解性可分为油溶性和水溶性表面活性剂;根据用途可分为起泡剂、乳化剂、润湿剂、分散剂、去污剂等;根据来源可分为化学合成表面活性剂、天然表面活性剂和生物表面活性剂。化学合成表面活性剂主要包括烷基苯磺酸盐、醇醚硫酸盐、烯烃磺酸盐、醇硫酸盐等。天然表面活性剂主要包括皂苷类表面活性剂、磷脂类表面活性剂、氨基酸类表面活性剂和糖类表面活性剂等。生物表面活性剂按结构可分为糖脂、脂肽、磷脂、多糖蛋白质络合物和脂肪酸中性脂等。糖脂类生物表面活性剂是目前研究最多、应用最广的一类生物表面活性剂,如槐糖脂、鼠李糖脂、海藻糖脂等。 2.表面活性剂在纤维原料酶解转化中的应用2.1 表面活性剂辅助预处理促进纤维素生物转化 Nasirpour等研究了表面活性剂?离子液体预处理对甘蔗渣酶解过程产生的影响。结果表明,在预处理过程中加入3.0%(m/m)的PEG可使木质素的脱除率提高12.5%,并且能够将纤维素的转化率提高至96.2%,相较于不添加表面活性剂体系的纤维素转化率提高了23%。红外光谱、X-射线衍射和场发射扫描电镜分析表明,表面活性剂?离子液体预处理可以显著降低纤维素的结晶度,提高木质素脱除程度。张耿崚等以稻秆为原料进行了酶解研究,考察了不同类型表面活性剂辅助离子液体预处理对酶解产生的影响。与未经预处理稻秆及单独离子液体预处理的稻秆相比,不同类型表面活性剂辅助离子液体预处理的稻秆在酶解48h后纤维素转化率分别提升了40%~85%和10%~31%,并且添加表面活性剂后酶解速率显著提高。Nogueira\等的研究表明,在绿色椰壳的稀碱预处理(2.0%(m/V)NaOH,℃,10min)过程中添加3.0%(m/m)的吐温80,可使纤维素转化率由48.7%提升至56.1%。 2.2 化学合成表面活性剂的应用 近年来,化学合成表面活性剂在纤维素酶解过程中得到了广泛应用。大量研究发现,不同类型的表面活性剂对酶解所起的作用不同,非离子型表面活性剂能够显著促进纤维素的有效转化,阳离子型表面活性剂大多会对纤维素的酶解过程产生抑制作用,阴离子型表面活性剂对酶解的作用效果和机理有待进一步研究。 2.2.1 非离子型表面活性剂对酶解的影响 木质纤维原料的天然抗降解屏障使其难以降解,因此在酶解反应前,大多采用不同的预处理方式来脱除木质素,提高纤维素的可及度。研究发现,向预处理后物料的酶解体系中添加非离子型表面活性剂能够进一步降低木质素对纤维素酶的无效吸附,提高纤维素转化率。表1总结了部分非离子型表面活性剂对不同来源木质纤维素生物质酶解的促进作用。木质纤维素的酶解性能与原料的组成和结构、预处理的脱木素程度和预处理后物料的结构变化等有很大的关系。如表1所示,对于不同来源的木质纤维原料(木材类原料和非木材类原料),因其组成和结构特性的不同,非离子型表面活性剂对其酶解效率的提高程度也不相同。对于同一物料,采用不同的预处理方法,表面活性剂对酶解的促进作用有所差异。预处理条件影响原料的脱木素程度,使得酶解底物的组成和残余木质素的分布存在差异,直接影响酶解过程中表面活性剂的作用效果。经不同方法预处理后的木质素会发生一定的缩合和解聚反应,使得底物中残留木质素的结构发生变化,改变了表面活性剂与木质素之间的相互作用,从而使得表面活性剂对酶解的作用效果存在差异。 2.2.2 阳离子及阴离子型表面活性剂对酶解的影响 尽管阳离子表面活性剂多数会对纤维素的酶解起抑制作用,但十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)等少量阳离子表面活性剂在合适的反应条件下会促进特定底物的酶解。Lin等研究发现:当CTAB的添加量由0.增加至0.01mmol/L时,微晶纤维素的酶解效率可从42.1%提升至61.4%;当CTAB的添加量在0.01~0.03mmol/L时,纤维素转化率达到最大值;但是当CTAB的添加量超过0.03mmol/L时,会使得酶解体系中的纤维素酶带正电荷,导致酶解效率急剧降低。近年来的研究证实,部分阴离子表面活性剂也可在一定程度上促进酶解,例如十二烷基硫酸钠(SDS)和木质素磺酸盐。Xin等研究发现,SDS的加入可以提高报纸的酶解效率。 2.2.3 不同类型表面活性剂复配对酶解的强化作用 考虑到添加某种单一类型的表面活性剂对纤维素转化的促进作用不够理想,因此学者们对一些表面活性剂进行了复配,希望借此进一步提高纤维素转化率。林绪亮研究发现:SDS与CTAB可通过正负电荷的中和作用形成SDS-CTAB阴阳离子表面活性剂,它可将高底物浓度条件下玉米秸秆的酶解效率从33.3%提高至62.4%;木质素磺酸盐-CTAB阴阳离子表面活性剂同样可促进木质纤维素的酶解;在玉米秸秆的酶解过程中加入1g/L的木质素磺酸盐-PEG两亲性物质可使酶解效率从16.7%提升至46.6%。由于木质素磺酸盐-PEG在酶解体系中呈现负电性,故采用CTAB调节其负电性,以期进一步强化复合表面活性剂对酶解的促进作用。试验结果表明,当CTAB添加量在1~1.75mmol/L时,玉米秸秆的酶解效率可提高至62.7%。Lou等研究了木质素磺酸盐和长链脂肪醇对于工业废弃玉米芯残渣高底物浓度酶解过程中的酶解效率和体系流变性能的影响。结果表明:添加2.5%(m/m)的木质素磺酸盐可使酶解效率由31.7%提高至54.0%,同时也会使反应体系的屈服应力和黏度显著上升,从而导致酶解体系传质不均匀;向酶解体系中加入长链脂肪醇能够缓解木质素磺酸盐对于体系流变性能产生的抑制作用,并进一步提高酶解效率。 2.3 天然表面活性剂的应用 本着环境友好、可再生和低毒性的理念,天然表面活性剂的研究在乙醇转化过程中受到了广泛 在酶解过程中,木质素对纤维素酶的无效吸附是抑制纤维素有效转化的重要因素之一。木质素对酶解的抑制作用主要表现在以下3个方面:①木质素中的疏水基团会与纤维素酶分子上的碳链产生疏水作用,形成不可逆性的吸附,并且木质素与纤维素酶之间的疏水作用使得木质素与纤维素酶的结合能力高于纤维素,导致酶解体系中的有效酶量降低、酶解效率下降;②木质素的存在会降低底物中纤维素的可及度;③可溶性的木质素衍生物会导致溶液中的酶失活。Cai等采用耗散型石英晶体微天平(QCM-D)研究了PEG和PVP对纤维素酶在木质素膜上无效吸附的影响,此研究中以-Δf3表示纤维素酶或者表面活性剂在木质素膜上吸附量的大小,添加PEG和PVP均可以减少纤维素酶在木质素上的无效吸附。表面活性剂中的疏水基团会与木质素之间形成疏水作用力,使得表面活性剂吸附于木质素表面,占据木质素表面的吸附位点,产生体积排阻效应,降低木质素对纤维素酶的无效吸附,从而促进纤维素的酶解。除了疏水作用,B?rjesson等研究发现PEG还可通过乙氧基上的氧原子与木质素上的芳香族羟基质子形成氢键作用力,使得PEG紧密吸附于木质素表面,从而降低木质素对纤维素酶的无效吸附,提高酶解效率。Feng等研究了茶皂苷在糠醛渣酶解过程中的促进机理,茶皂苷中的亲水基团可与纤维素酶结合,同时茶皂苷中的疏水基团可与底物结合。茶皂苷能够同时接触纤维素酶和底物,这可以显著增强纤维素酶的有效吸附,从而促进酶解反应的进行。薛雯雯研究发现,碱可溶木质素(LE/1.5)与表面活性剂(TritonX-)偶联后形成的表面活性剂复合物(LE/1.5TritonX-),可显著提高Soda绿液?乙醇预处理甘蔗渣的酶解效率,然而对Soda绿液?亚硫酸盐预处理甘蔗渣的酶解促进作用较弱。为此,薛雯雯对表面活性剂复合物促进甘蔗渣酶解的作用机理进行了比较分析。如图1所示,表面活性剂复合物可通过疏水作用与底物中的木质素结合,随后表面活性剂复合物则通过大量的氢键连接到TritonX-的亲水尾部,形成稳定的结构。这在空间上阻碍了纤维素酶接近底物中的木质素,降低了木质素的无效吸附,有利于提高酶水解效率。当复合物用于Soda绿液?亚硫酸盐预处理底物的酶解体系时,由于底物中的木质素在预处理过程中发生了氧化和磺化反应,使得预处理后的木质素与纤维素酶之间不仅存在疏水作用,还存在静电吸附作用。但表面活性剂复合物只能降低通过疏水作用于木质素上的纤维素酶无效吸附,不能使通过静电作用吸附于木质素上的纤维素酶发生解吸附,因此表面活性剂复合物对Soda绿液?亚硫酸盐预处理底物酶解的促进作用较弱。 3.2 表面活性剂对纤维素酶的影响 纤维素酶是由内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶等组成的复合酶系。内切葡聚糖酶的作用是随机切断纤维素的非结晶区,释放不同长度的寡聚糖,并为外切葡聚糖酶提供新的还原性末端基;外切葡聚糖酶的作用是水解纤维素链的末端,生成一系列纤维二糖分子;β-葡萄糖苷酶的作用就是将可溶性的纤维二糖水解为葡萄糖。在酶解过程中,表面活性剂与纤维素酶之间的相互作用会对各组分之间的协同作用产生影响,从而影响酶解效率。研究表明,表面活性剂类型会对酶活性产生不同的影响,并且同种表面活性剂对不同酶组分产生的影响也不相同。 3.2.1 表面活性剂对纤维素酶稳定性的影响 酶解体系中加入聚乙二醇可以显著降低纤维素酶在溶液中的沉降,促进纤维素酶在溶液中的悬浮分散。冯月研究了皂荚皂苷和茶皂苷对纤维素酶各组分酶活力的影响,结果表明,这两种表面活性剂均可增强体系中的酶活力,不同点在于,皂荚皂苷是通过提高酶系中外切葡聚糖酶的活性以增强纤维素酶活性,而茶皂苷是通过提高酶系中β-葡萄糖苷酶的活性来提高纤维素酶活性。赖晨欢等研究发现在蒸汽爆破预处理玉米秸秆的酶解过程中添加木质素基表面活性剂,可以使酶解液中游离的外切葡聚糖酶的活力提高49.3%,使β-葡萄糖苷酶的酶活提高19.6%。Lou等研究发现,木质素磺酸钠可与纤维素酶形成“水包油”型的胶束,强化纤维素酶在底物上的吸附,使纤维素酶保持较高的活性,从而提高酶解效率。研究指出,在高底物浓度下进行酶解反应会导致体系的黏度较高。为了降低高底物浓度对传质造成的负面影响,往往采用较高的搅拌速度来提高酶解效率,但是较高的搅拌速度会导致纤维素酶失活。向酶解体系中添加表面活性剂,可以降低剪切力对纤维素酶产生的影响,使酶保持较高的活性。在纤维素酶的三大组分中,表面活性剂对于外切葡聚糖酶的活性影响最大。表面活性剂可以通过疏水作用和氢键作用与外切葡聚糖酶结合,当表面活性剂浓度超过一定限度时,反而会抑制外切葡聚糖酶活力,不利于酶解反应的进行。 3.2.2 表面活性剂对纤维素酶扩散的影响 酶解过程中,纤维素酶需要扩散到底物分子上以水解纤维素,因此酶解反应速率会受纤维素酶扩散速率的影响,而纤维素酶的扩散阻力会直接影响其扩散速度。计红果等研究发现,在玉米秸秆的酶解体系中加入聚乙二醇能够改善体系的扩散性质。这主要是因为聚乙二醇可以通过疏水作用吸附在木质纤维素的表面,而聚乙二醇中的羟基则可以通过氢键与纤维素酶分子中的氨基酸残基结合,从而使酶解体系形成一种良好的亲水环境,降低纤维素酶的扩散阻力,促进纤维素酶与底物的接触,进而提高酶解效率。孙付保等研究发现,在反应体系中加入PEG和吐温80均可以提高体系的扩散系数,有利于促进纤维素酶与底物的有效接触。Lin等研究了木质素聚氧乙烯醚聚合物(EHL-PEG)对于酶解的促进机理(图2),结果表明,EHL-PEG可以通过静电吸附作用和疏水作用吸附到纤维素酶上,然后借助聚氧乙烯醚的空间位阻降低纤维素酶的聚集。另外,相较于纤维素酶聚集体,EHL-PEG和纤维素酶形成的聚集体具有更好的亲水性和更小的粒径,这有利于增强纤维素酶在溶液中的扩散,从而促进木质纤维素的酶解。 3.3 表面活性剂对于酶解体系的影响 3.3.1 表面活性剂可降低反应体系的界面张力 Lou等从界面特性的角度研究了非离子型表面活性剂在酶解过程中的作用机理(图3),结果表明,在酶解反应过程中部分纤维素酶会暴露在反应界面上,并且在一种不平衡力的作用下在两相界面上铺展开,从而导致纤维素酶失活。研究发现,表面活性剂的结构特性使其易于在两相界面聚集,降低体系的界面张力。而界面张力的降低能够在一定程度上促进纤维素酶的溶解。同时,聚集于界面上的表面活性剂会与纤维素酶产生竞争作用,降低界面上的纤维素酶总量,从而减少界面上纤维素酶的失活程度。此外,表面活性剂与纤维素酶之间的相互作用有利于纤维素酶的溶解,能够进一步降低界面上聚集的纤维素酶量。 3.3.2 表面活性剂可改善底物的润湿性能 底物的润湿性是指液体在固体表面的铺展能力或者倾向性。木质纤维原料的润湿性会影响纤维素酶对底物的接触,从而影响酶解效率]。通常,以接触角的大小反映固体表面的润湿性,接触角越小底物的润湿性越好。研究发现,在乙醇生产过程中添加表面活性剂可使底物接触角显著降低,从而有效改善底物的润湿性,促进酶解。 3.3.3 表面活性剂对底物表面电负性的影响 木质纤维素中含有带负电性的羟基和羧基基团,它们会在水溶液中发生电离,使原料带有负电荷,这使得木质纤维原料可通过静电作用吸附纤维素酶。在pH4.8酶解体系中,纤维素酶也会带有电荷,且各组分所带电荷性质不同。研究发现,木质纤维素电负性的增加可提高酶解效率。这表明底物电负性越高对纤维素酶的静电吸引力越大,吸附纤维素酶的数量越多。Xing等发现阴离子表面活性剂木质素磺酸盐可与纤维素酶中带相反电荷的蛋白质结合,形成一种木质素磺酸盐?纤维素酶复合物。这种复合物的电负性更强,故可通过增强静电斥力以降低木质素对酶的无效吸附。综上所述,在酶解过程中添加表面活性剂可以降低木质素对纤维素酶的无效吸附、增强纤维素酶与底物的有效连接、提高酶的稳定性、改善底物的润湿性和反应体系的界面特性,从而促进纤维素向可发酵性糖的转化,进而提高乙醇产率。 结语 随着工业化的进一步发展和人们日益增强的环境意识,以木质纤维素为原料通过高效生物转化生产液体燃料受到人们的广泛小孩得白癜风好治吗寻常型白癜风能治愈吗 |
转载请注明地址:http://www.laifuziz.com/slcj/4822.html
- 上一篇文章: 矿山土壤重金属污染修复技术综述
- 下一篇文章: 头条农资转型路,ldquo