时间：2023-05-30 09:13:35
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇木质纤维素，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
（贵州师范大学生命科学学院，贵阳 550001）
摘要：运用超声波辅助提取、DFRC（衍生化后的还原裂解）法结合气相色谱－质谱法（GC－MS）对竹柳（Salix maizhokunggarensis N． Chao）细胞壁综纤维素和木质素单体进行了测定；采用差重法和Kalson法结合紫外分光光度法测定了竹柳细胞壁综纤维素和木质素含量。结果表明，竹柳细胞壁综纤维素单体包括D－木糖、L－阿拉伯糖、D－半乳糖、D－葡萄糖、L－岩藻糖和D－纤维二糖，木质素主要由愈创木基（G）和紫丁香基（S）组成。竹柳细胞壁综纤维素含量为80．16％，木质素含量为19．84％。
关键词 ：竹柳（Salix maizhokunggarensis N． Chao）；综纤维素；木质素；衍生化后的还原裂解（DFRC）法
中图分类号：S781．42文献标识码：A文章编号：0439－8114（2015）01－0097－03
DOI：10．14088／j．cnki．issn0439－8114．2015．01．025
Holocellulose and Lignin in Cell Wall of Bamboo Willow
LI Qiang，JIANG Shan
（School of Life Sciences， Guizhou Normal University， Guiyang 550001， China）
Abstract： The cell wall of bamboo willow（Salix maizhokunggarensis N． Chao） was extracted with ultrasonic wave－assisted technique. The monomer of holocellulose and lignin was extracted by DFRC （Derivatization Followed by Reductive Cleavage） method and analyzed via gas chromatography－mass spectrometry （GC－MS）． The total amounts of holocellulose and lignin in cell wall of bamboo willow were measured by dispersion method and Klason method combined with UV spectrophotometry． Results showed that holocellulose in cell wall of bamboo willow contained D－Xylose， L－Arabinose， D－Galactose， D－Glucose， L－Fucose and D－Cellobiose． The lignin from bamboo willow consisted of guaiacyl（G） and syringl（S） units． The total holocellulose content in cell wall of bamboo willow was 80．16％ and the total lignin content was 19．84％． The method will provide reference for qualitatively and quantitatively analyzing of other timber．
Key words： bamboo willow（Salix maizhokunggarensis N． Chao）； holocellulose； lignin； DFRC method
收稿日期：2014－05－15
基金项目：国家自然科学基金项目（30860158；31260426）
作者简介：李 强（1981－），男，安徽枞阳人，在读硕士研究生，主要从事植物抗病性研究，（电话）13538771922（电子信箱）
unsinkablesoul＠163．com；通信作者，姜 山，教授，博士，主要从事植物防卫反应研究，（电话）13628501176（电子信箱）
kyosan200312＠hotmail．com。
植物细胞壁主要由综纤维素、木质素和蛋白质组成，作为植物光合作用产物的主要贮积方式，构成了地球植物生物量的主要组成部分。纤维素是无水葡萄糖以β－1，4糖苷键组成的长链分子，半纤维素是戊糖、己糖和糖酸所组成的不均一聚糖［1］，木质素是由苯丙氨酸经脱氨茎、羟基化、甲基化和氧化还原反应，生成3种主要单体香豆醇、松柏醇和芥子醇，这些单体经氧化偶联聚合生成相应的3种木质素：对羟基苯基木质素（H）、愈创木基木质素（G）和紫丁香基木质素（S）［2］。综纤维素和木质素是组成木材的主要成分，它们的组成及含量与木材的性质以及木材的加工利用密切相关［3］。一般情况下，纤维素含量越高，则制浆率越高；而木质素交联在纤维素和半纤维之间形成致密的网状结构，是木材造纸的一大难题，木质素含量越低，制浆漂白越容易，消耗的化学药品越少［4，5］。通过基因工程方法调控木质素含量和组成类型，优化植物光合作用所生产的生物量在综纤维素和木质素之间的分配对木材的制浆性能有很大的潜在价值［6］。测定细胞壁中综纤维素和木质素单体成分及含量无疑为提升木材工业化应用提供了重要参考依据。
竹柳（Salix maizhokunggarensis N． Chao）为杨柳科（Salicaceae）柳属（Salix）落叶乔木，是经选优选育出的一个柳树品种，由于其同时具有染色体加倍实现的倍性优势和杂种优势，故不仅具备柳树所有优良特性，且具有生长速度快、抗逆性强、材质好等特点，因此作为工业原料林具有一定优势［7］。以往对于竹柳的研究主要集中在纤维质量及制浆性能方面，对于其细胞壁中综纤维素和木质素的单体成分及含量报道非常少。为此，采用超声波辅助提取、衍生化后的还原裂解（DFRC）法结合GC－MS分析了竹柳细胞壁综纤维素和木质素单体成分，同时还采用差重法和Kalson法结合紫外分光光度法测定了综纤维素和木质素含量对DFRC法结果加以验证，以期为更好地开发利用竹柳奠定基础。
1 材料与方法
1．1 材料
试验材料为取自贵州省黔南地区的一年生竹柳。
仪器：QP2010c型气相－质谱联用仪（Shimadzu公司，数据库为NIST27、NIST147）；LX－02多功能粉碎机；101A－3型电热鼓风干燥箱；HHS型电热恒温水浴锅；分析天平（十万分之一，梅特勒－托利多仪器有限公司）；KQ－500DE型数控超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）；N－1001型EYELA旋转蒸发仪；精密酸度计（上海大普仪器有限公司）。
试剂：乙醇、二氯甲烷、三氯甲烷、甲醇、丙酮、乙酸、溴乙酰、二氧六环、锌粉、胆固醇，均为市售分析纯。
1．2 细胞壁样品提取
样品粉碎后，过60～80目筛，然后每克样品加40 mL体积分数80％的乙醇超声处理10 min，4 000 r/min离心5 min，去上清，重复4次，再依次用氯仿／甲醇（2∶1，V∶V）和丙酮抽提1次，空气风干［8］。
1．3 DFRC法分析细胞壁样品
1．3．1 溴乙酰衍生和细胞壁溶解反应 准确称量50 mg（W1）细胞壁样品加到50 mL具塞三角瓶中，加入10 mL新鲜配制的溴乙酰溶液（溴乙酰∶乙醇=1∶4，V／V），盖上玻璃塞于50 ℃轻轻搅拌3 h，然后在50 ℃以下负压蒸干［9］。
1．3．2 还原断裂反应 向具塞三角瓶中加入10 mL二氧六环／乙酸／水（5∶4∶1，V／V／V），再加入200 mg（W2）锌粉，常温搅拌30 min，然后用砂芯漏斗过滤，滤渣于60 ℃烘至恒重（W3），滤液全部转入预先备有15 mL二氯甲烷和15 mL饱和氯化铵的分液漏斗中，加入200 μL内标（80 mg胆固醇溶解于2 mL二氯甲烷），水相用3％的盐酸调到pH 3以下，充分混匀，静置分层并收集下部二氯甲烷相。另外用15 mL二氯甲烷萃取饱和氯化铵相，重复2次，合并二氯甲烷相，低压旋转蒸干，乙酰化后上GC－MS分析［10］。
1．3．3 计算反应率
1．4 竹柳细胞壁综纤维素含量测定
称取约1．5 g细胞壁样品，于60 ℃烘至恒重W4，再转入250 mL碘量瓶中，加入150 mL 2 mol／L的HCl，105 ℃保温50 min，然后用去离子水冲洗过滤至滤液pH 6．5～7．0，接下来依次用体积分数95％的乙醇、无水乙醇、丙酮各洗涤2次，残渣转入已恒重的坩埚（W5）中，于60 ℃干燥箱中烘至恒重（W6）。将残渣转入150 mL烧杯中，加入15 mL预冷过的72％的硫酸水解3 h，然后加去离子水135 mL，室温过夜，残渣次日用去离子水冲洗过滤至滤液pH 6．5～7．0，滤渣转入已恒重的坩埚（W7）中，于60 ℃干燥箱中烘至恒重（W8）。按公式（2）、（3）、（4）计算半纤维素、纤维素和综纤维素含量，平行测定样品6份，取平均值［11，12］。
综纤维素含量＝半纤维素含量＋纤维素含量（4）
1．5 竹柳细胞壁木质素含量测定
准确称量1 g（W9）细胞壁样品，加72％的硫酸15 mL，室温搅拌4 h，转入1 000 mL圆底烧瓶中，加560 mL去离子水稀释硫酸浓度至3％，加热回流2 h，再用砂芯漏斗过滤，收集滤液，残渣用热水洗涤至中性，转入已恒重的坩埚（W10）于105 ℃烘干至恒重，称量（W11）并按公式（5）计算酸不溶木质素含量，平行测定样品6份，取平均值［12，13］。
滤液在205 nm波长下测吸光度，如果吸光度大于0．7，则用3％的硫酸溶液稀释，当吸光度为0．2～0．7，按公式（6）和公式（7）计算，平行测定样品6份，取平均值。
式中，B为滤液中酸溶木质素的含量（g／1 000 mL）；A为吸光度；D为样品滤液的稀释倍数；V为滤液总体积；110为吸光系数［L／（g·cm）］。
木质素含量＝酸不溶木质素含量＋酸溶木质素含量 （8）
2 结果与分析
2．1 DFRC法分析细胞壁成分
衍生化后的还原裂解（DFRC）法包括两个重要步骤：①细胞壁在溴乙酰和乙酸混合溶液中溶解，②锌粉催化还原裂解，在溴乙酰中植物细胞壁被溶解，酸性环境下细胞壁多糖进一步水解［14，15］，结合GC－MS通过查找数据库可以确定样品DFRC法获得的化合物组成，进一步解析样品细胞壁成分。通过计算反应率得出，大于95％的竹柳细胞壁参加了反应，所以试验中DFRC法产物包含了竹柳细胞壁的主要物质组成。
表1是竹柳细胞壁DFRC降解物气相色谱检测到的主要化合物保留时间、名称以及含量，除9和10是内标胆固醇及其乙酰化产物外，1~8是竹柳细胞壁DFRC法检测到的主要产物：D－木糖乙酸酯、L－阿拉伯糖乙酸酯、D－半乳糖乙酸酯、愈创木基乙酸酯、D－葡萄糖乙酸酯、紫丁香基乙酸酯、L－岩藻糖乙酸酯和D－纤维二糖乙酸酯。根据构成综纤维素和木质素的单体类型可知，竹柳细胞壁综纤维素单体主要是D－木糖、L－阿拉伯糖、D－半乳糖、D－葡萄糖、L－岩藻糖和D－纤维二糖，木质素的单体主要是G型和S型，没有检测到H型单体。不计算内标的情况下，综纤维素和木质素的含量分别为80.16%和19.84%。
2．2 竹柳细胞壁综纤维素和木质素含量分析
半纤维素是戊糖、己糖和糖酸所组成的不均一聚糖，易水解，高温下经稀酸处理几乎可以把半纤维素全部水解成可溶性糖；纤维素是β－1，4糖苷键组成的长链分子，长链分子进一步形成一种具有高度结晶区的超分子稳定结构，该结构可以被浓酸溶解，在溶解过程中导致纤维素的均相水解［1］，因此依次用盐酸、硫酸水解竹柳，准确称量水解前后的重量并计算差重可以得出半纤维素、纤维素以及综纤维素含量。采用Klason法和紫外分光法分别测定酸不溶木质素和酸溶木质素含量，试验没有检测植物含有的少量矿质元素，结果见表2。从表2可知，综纤维素含量为79．03％，木质素含量为20．35％，对比DFRC法测定的糖类和木质素类含量，可以得出两种方法测得的结果基本一致，说明DFRC法检测出的竹柳细胞壁各成分含量可靠。
3 小结
竹柳细胞壁综纤维素单体主要包括D－木糖、D－阿拉伯糖、D－半乳糖、D－葡萄糖、L－岩藻糖和D－纤维二糖，木质素单体主要为G型和S型。据文献报道，硬木H型木质素单体含量一般很少甚至没有，Lu等［9，14］在同是柳属的柳树中检测到的H型木质素单体含量相对于G型和S型也非常低（＜1％），而试验在竹柳细胞壁中没有检测到明显的H型木质素单体，原因有可能是竹柳细胞壁中H型木质素单体的含量过低，或是没有H型木质素单体的存在，这需要进一步的试验论证。同时还测得综纤维素含量为80．16％，木质素含量为19．84％。试验中采用的DFRC法是美国威斯康星州牧草研究中心建立的用于解析细胞壁结构的新方法，具有对试验条件要求不高、操作流程简洁和结果可靠等优点，目前国内鲜有将该方法运用于硬木细胞壁的研究。利用该方法对竹柳细胞壁综纤维素和木质素单体及含量的研究，将为竹柳在工业木材应用中的深入发展奠定一定的基础，还可为其他工业木材的定性定量分析提供借鉴。
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1.秸秆资源现状
木质纤维素类生物资源是世界上最多的可再生资源，全世界每年的产量估计为1010吨，其中秸秆占可利用生物质产量的70%左右。在中国，农作物秸秆的年产量为8.42×108吨，而且以1.3%的速度递增，在农作物秸秆中玉米秸秆所占的比例最大，为24%，目前国内秸秆中，直接用作生活燃料的约占20%，用作肥料还田的约占15%，用作饲料的约占15%，用作工业原料的约占2%，其余被废弃或直接燃烧的约占48%，这造成了极大的资源浪费和环境污染。国内外的专家学者对秸秆资源经济有效的利用方法进行了大量研究，但到目前为止，国内对秸秆资源在饲料中的应用研究相对较少。
2.秸秆的生物质特性及营养组成
2.1 秸秆的生物质特性 木质纤维素由纤维素、半纤维素和木质素三大类主要的聚合物组成。一般条件下，纤维素不易溶于水、有机溶剂、碱以及稀无机酸溶液，仅在不加热的条件下用浓无机酸处理，或者在高温高压条件下，用稀无机酸处理，纤维素才被分解为单糖。半纤维素是一类复杂的碳水化合物的组成结构，草类和秸秆中的主要半纤维素是木聚糖，木材中的主要半纤维素是葡甘露聚糖。在细胞壁中半纤维素位于许多纤维素和木质素之间，组成纤维素、半纤维素和木质素的紧密结构。半纤维素在酸性和碱性环境中最容易被提取，而葡甘露聚糖在酸性环境下几乎不能被提取出来，必须在强碱的作用下才能分离。在木质纤维素的所有结构中，半纤维素是对热化学因素最敏感的成分。木质素在植物细胞壁中的含量仅次于纤维素和半纤维素，是一类由苯丙烷结构单元组成的无定型复杂复合物，木质素在植物细胞壁中起着结构支撑，保持细胞壁的不通透性，抵抗微生物攻击和抗氧化等作用，所有这些特性，使木质素成为植物细胞壁中最难降解的成分。木质素和半纤维素形成牢固结合层，紧紧地包围着纤维素，阻碍酶和其他物质与纤维素的接触。因此，在木质纤维素的预处理过程中，木质素的去除是非常重要的。
2.2 秸秆的营养组成 秸秆是脱粒后成熟植株的残余物。当植物成熟时，在茎和叶中只剩下少量的蛋白质、脂肪、类脂肪和易消化的碳水化合物，家畜营养所必须的各种矿物质的含量显著减少。维生素，特别是胡萝卜素几乎全部被破坏。未经处理的秸秆适口性较差，体积较大，且动物的消化利用率较低。秸秆的化学成分主要是纤维性物质，以干物质计，中性洗涤纤维（ND）约为70%～80%，酸性洗涤纤维（ADF）约为50%～60%，粗蛋白含量约为3%～6%。
3.秸秆资源的预处理研究进展
秸秆预处理的目的是提高秸秆的消化率，使其在水解过程中能够释放出较多的糖类。目前，许多秸秆预处理方法已经被研究和应用，秸秆预处理过程要求能够有效提高秸秆的消化率并且产生较少的抑制因子。秸秆的处理方法有物理处理、化学处理、物理化学综合处理和生物处理法，在实际生产中通常采用不同方法的组合来获得最大的糖释放量、最低的毒素产量和能量消耗。
3.1 物理处理 物理处理能够降低秸秆的尺寸，提高秸秆的可接触面积，降低秸秆纤维素的晶度和聚合度，提高后处理过程的效率。物理预处理方法包括机械粉碎处理、热处理、微波处理等。机械粉碎是降低秸秆尺寸的最基本的预处理步骤，能够有效提高后续处理的效率，粉碎处理通常是切断、粉碎和磨碎等综合处理，处理后的最终尺寸不尽相同。秸秆的水分含量、成分以及最终粉碎的尺寸均影响能量的需要和后续处理效率，原料的水分含量越高，粉碎的尺寸越小，需要消耗的能值越高；热处理是秸秆预处理的常用方法。热处理的温度超过150℃～180℃，秸秆中的物质开始溶解，半纤维素首先释放出来，接着部分木质素也开始溶解；微波作为一种方便、高效和清洁的能源，不同于传统的热处理方法，对于某些化学反应可以大幅提高反应速度，已广泛地用于有机合成、化学催化及高分子聚合等反应过程。运用微波对植物纤维原料进行预处理可降解木质素和半纤维素，改变植物纤维原料超分子结构，使纤维素结晶区尺寸发生变化，提高植物纤维素酶的水解效率。
3.2 化学处理 秸秆的化学预处理包括酸处理、碱处理以及H2O2和SO2等氧化剂的处理。在所有这些方法中稀H2SO4预处理是被广泛应用的方法。酸处理的主要目的是转化半纤维素，使纤维素更易被酶解。酸处理有稀酸处理和浓酸处理2种。浓酸处理可以在室温下进行，得到较高的糖产量，但是浓缩处理过程产生抑制因子，影响后续反应，加上样品中较高浓度的酸和设备腐蚀等，极大地限制了该处理方法在实际生产中的应用。稀酸处理使一些木糖类等主要的半纤维素溶解，并且转化为可溶性糖类。然而，在稀酸水解过程中，半纤维素在较低的温度下可以发生解聚，抑制后续发酵过程中微生物的生长；用于碱处理的碱包括氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾和氨水等，氢氧化钠是所有碱处理试剂中研究最多的，是玉米秸秆预处理的最佳方法。但氢氧化钠在实际生产中的使用成本相对较高，而且对动物生产存在一定的安全隐患。氢氧化钙也是广泛应用的一种碱处理试剂，能够去除秸秆中的木质素，提高秸秆的结晶度，通过去除秸秆中的木质素提高纤维素的可接近度和酶的作用效果。但实际生产研究结果表明，随着时间的增加，经氢氧化钙预处理的秸秆容易受到霉菌的污染；氧化剂处理。木质纤维素在H2O2和过乙酸等氧化剂的作用下能够发生氧化降解作用，去除其中的木质素和半纤维素，使纤维素容易被酶和微生物作用。但氧化剂的作用通常没有选择性，在木质素被氧化的同时，纤维素和半纤维素通常也有一定的损失，并且木质素被氧化的同时也产生一些酚类化合物，抑制后续的生物转化。
3.3 物理化学综合处理 木质纤维素成分的降解与温度、pH值和压力等因素有关，是物理化学因素综合作用的结果。许多的热处理都属于物理化学综合处理，在热处理中，如果室温升到150℃～180℃以上，在木质纤维素的成分中，半纤维素（主要包括木聚糖和葡甘露聚糖）是对热最敏感的成分，首先开始降解，然后是木质素开始溶解，一部分半纤维素被水解并形成酸性物质，这些酸进一步催化半纤维素的水解。热处理在降解半纤维素的同时，会降解一部分的木质素，产生的降解复合物通常包括酚类物质，这些物质在许多情况下是细菌、酵母等其他微生物生长的抑制因子。蒸汽爆破、液体热水处理和酸碱的热处理是常用的物理化学综合处理方法。
3.4 生物处理 生物处理与其他预处理方法相比，消耗较少的化学物质和能量，是一种生物安全、环境友好的秸秆处理方式，目前很多的研究都在寻求一种可控制的、快速有效的生物处理方法。微生物发酵处理。用微生物来提高秸秆的质量是很有前景的秸秆处理方法。在自然界中有许多细菌和真菌可以利用天然的木质纤维素类；酶水解处理。酶水解纤维素通常具有高度的针对性，纤维素被水解后，通常会产生葡萄糖等一些糖类物质，酶类发酵秸秆通常可以在比较温和的条件下进行，和酸碱处理秸秆相比，成本较低且不会腐蚀机器设备。
关键词：生物乙醇 纤维素酶 工程菌株
The study and development progress of Bio-ethanol and cellulase production
Liping Yang1 Shuiwen Cai1 Ling Luo1 Hui Liu1，2
1. Changsha Environmental Protection and Professional technique College, 410004 2 Hunan
2. Agricultural university, 410128, Changsha, China
Abstract: With the fossil fuels from shortage to exhaustibility, the humanity is facing toward a common problem in energy crisis. Finding new energy sources is important to sustainable economic development and even human survival. Bio-ethanol, as an energy source that is renewable, affordable, and environmentally safe, will become a substitute for oil. Elevation of cellulase production and reduction of the cellulase production cost are the key factor for enhancing the market competitiveness of cellulosic bioethanol. In this paper, we discussed the development progress of bio-ethanol and cellulose industry to provide a basis for the future upgrading of bio-ethanol production industry and the development of gene engineering strain.
Keywords: bio-ethanol cellulose engineering strain
随着石化燃料由短缺变成枯竭，能源危机是人类面临的共同问题。1998年，Campbell和Laherrere对石油储备和未开发的石油进行评估后认为，天然油在2010年前的产量就开始下降，到2050年全球每年石油供应量将从目前的25亿桶下降到5亿桶[1]。随着石化燃料供应的减少，寻找新的能量来源关系到经济的可持续发展乃至人类的生存问题。生物乙醇作为一种可再生的、经济上可承受的，并且对环境安全的能源物质将逐渐成为石油的替代品[2]。生物乙醇的生产经历了以1代淀粉原料生产乙醇和以木质纤维素为代表的非淀粉原料的2代生物乙醇工业。2代生物乙醇生产克服不与食品的供应之间存在竞争，但是纤维素酶产量低、不稳定、难以工业化导致2代生物乙醇的生产成本大大提高。本文从生物乙醇产业发展过程、木质纤维质物质生产生物乙醇的市场前景及纤维素降解酶的研究进展进行综述，为生物乙醇生产产业的提升、纤维素工程菌的研发提供基础。
生物乙醇产业发展过程
从上世纪80年代开始，人们就开始以谷物为原料来生产乙醇用作供氧燃料，这些被业内称为第1代燃料乙醇的原料。在一些国家，如美国、加拿大、巴西、中国等，乙醇已经被广泛地掺入到汽油中来代替纯汽油使用，其中乙醇的体积含量可达到10%。最近美国正在实施一项混合燃油计划E85，即汽车制造商生产一种可使用乙醇混合物E85（85% 的乙醇和15% 的汽油按体积比混合）的汽车[3]。巴西早在1929年就建立了一项利用乙醇作为发动机燃料的计划，并在接下来几年里安装了第一个使用乙醇作为燃料的发动机。1984年，巴西要求新生产的汽车能使用水化生物乙醇（96%的生物乙醇+4%的水）作为燃料[3]。混合燃料的使用不仅可以减少汽油的使用量，还可以降低温室效应气体以及有毒气体的释放。
但是随着世界人口的不断增长，以谷物等第1代淀粉原料生产乙醇就与食品的供应之间存在竞争，这些谷物为原料生产乙醇就不能满足全球的需求。中国在过去三十年中GDP的年平均增长量为10%，这使得中国成为世界上最大的燃料消费国之一，同时也成为世界上造成空气污染最严重的国家。由于大部分的能源由燃烧化石燃料提供，中国政府正努力解决诸如国内因迅速枯竭的石油和天然气资源而越来越依赖进口石油来满足国内一半的实际需求[4]，以及严重的环境污染等问题。为了改善现状，中国政府决定增加使用能源的种类，尤其提倡使用可再生的、排放更少温室气体的燃料，如乙醇这样的生物燃料和生物柴油。由于生物燃料从诸如玉米、木薯、大豆这样的农产品中提取而来，这对改善中国农村人口的经济状况有积极影响。除了向乙醇生产者发放津贴以鼓励乙醇的生产之外，中国政府近年来也强制要求中国十个省份必须销售浓度为10%的乙醇汽油，这些措施使得中国2008年的乙醇产量迅速达到14.6亿升且在2010年达到21.5亿升，一举成为继美国和巴西之后的世界第三乙醇生产大国。尽管中国政府之前要求到2020年国内乙醇的年消费量要达到100亿升，然而由于担心乙醇生产可能与食物生产行业形成竞争，且考虑到国内农村可用耕地数量有限，以及水资源供应短缺的问题，中国政府于2007年宣布暂停国内谷物乙醇的生产。
为了解决这个矛盾，以木质纤维素为代表的非淀粉原料成为生物乙醇生产的重要原料物质。木质纤维素，其结构复杂，有三种：纤维素35%～37%、半纤维(23-25%)和木质素(18-22%)组成。每年光合可产生大于1，500亿吨的植物干物质，其中一半以上是纤维素和半纤维素[5]。另外，人类活动产生的废弃物中也含有大量的纤维素，如农业废物( 稻草、稻壳、麦秆、花生壳、玉米芯、棉籽壳、甘蔗渣等)、食品加工废物(果皮、果渣等)、木材废物(木屑、树皮)以及城市废弃物(40%~60% 固体废物是垃圾和废纸)等。如果能有效地利用生物转化技术将这些纤维素转化成简单糖，再发酵产生乙醇等能源物质，不仅可以变废为宝，而且还可以避免由于化石燃料燃烧所带来的环境污染，更重要的是可以缓解或解决石化能源短缺乃至枯竭所带来世界性能源危机。
木质纤维质物质生产生物乙醇的市场前景
到2020年，全世界从木质纤维素物质生产生物乙醇的产量大约是165亿加仑（合计约625亿升），美国将占有63.9%的市场，欧洲和中国分别将占有10.4%和11.5%的市场[3]。目前，生物乙醇的产业，尤其是非淀粉类的生物乙醇产业主要在于政府的补贴和维持，其原因在于利用木质纤维生产生物乙醇的生产成本较高。第1代淀粉类原料与第2代非淀粉类原料发酵生产生物乙醇不同之处在于前面的预处理和酶解糖化过程。淀粉类原料很容易被酶接触到，就被淀粉酶和糖化酶酶解为葡萄糖(C6糖)，然后葡萄糖再被普通的酵母发酵生产出乙醇，这样，生产工艺环节少，流程短，成本就非常低。但是木质纤维素物质经过自然选择和漫长进化，木质素将半纤维素和纤维素紧密包裹在内部，形成紧密结构，被天然“设计”成可以抵御酶进攻的分子结构。因此与淀粉乙醇不同的是首先要有高温高压蒸汽或结合加酸碱等化学品的预处理技术将紧密结构打开，让酶能够接触到纤维素和半纤维素。纤维素和半纤维素酶解后发酵可以生产出乙醇[6]。纤维素酶解后可得到葡萄糖(C6糖)，半纤维素酶解后可得到木糖(C5糖)，淀粉类和纤维素都是由葡萄糖聚合成的长链结构，只是结合的方式不同而已，因此酶解过程需要的酶是不同的；而半纤维素是由C5糖聚合而成的长链结构，也需要特定的酶。纤维素及半纤维酶的成本更高，这也是导致木质纤维素乙醇成本比淀粉乙醇高的重要原因之一。在每加仑生物乙醇的生产中，利用木质纤维生产，纤维素酶的成本大约是15-20美分，而利用淀粉类生产，淀粉酶的费用仅仅只占到了2－4美分[7]。因此要想提高纤维素生产生物乙醇的市场的竞争力，提高纤维素酶的产量，降低纤维素酶的成本成为解决问题的关键因素。我国是纤维素酶的需求大国，由于纤维素酶的广泛应用，我国市场需求量将以每年25%～35%的速度上升，用纤维素酶产业化生产生物乙醇的关键技术将在未来几年内得到解决，那时我国纤维素酶年需求量将增加到25-40万吨，每年将为我国节省生产燃料乙醇用粮500-1，000万吨[8]。由于产酶菌种落后，产率低，成本高，严重影响我国纤维素酶工业发展，从而阻碍了以木质纤维素为原料的2代生物乙醇工业的发展。
木质纤维素及纤维素降解酶
木质纤维素，其结构复杂，有三种：纤维素(35%～37%)、半纤维(23%-25%)和木质素(18%-22%)组成[9]。纤维素属于可再生自然资源，是生物界最重要的碳源物质，每年由光合作用产生的植物干质量约1，500亿吨，其中纤维素占850亿吨[5]。
纤维素酶(cellulase)是指能够水解纤维素β-1，4-D-葡萄糖苷键，使纤维素变成纤维二糖和葡萄糖的一组酶的总称。纤维素酶是一种具有很高活力的木聚糖酶，是一种复合酶，属生物催化剂[10]。纤维素酶主要是指三类关键酶:（1）外切型纤维素酶，系统命名为外切β-1，4-D-葡聚糖酶，又称纤维二糖水解酶(EC3.2.1.91，也称Cl酶)。这类酶作用于纤维素线状分子末端，水解β-1，4-糖苷键，每回依次从纤维素分子中切下一个纤维二糖分子，所以又称纤维二糖水解酶(简称CBH)。（2）内切型纤维素酶，系统命名为内切β-l，4-D-葡聚糖酶(EC3.2.1.4，也称Cx酶或CMCase)。这类酶是纤维素酶中最重要的酶，它作用于纤维素分子内部的非结晶区，随机水解β-1，4-糖苷键，将长链纤维素分子截短，产生大量带有非还原末端的小分子纤维素。（3）纤维二糖酶，系统命名为β-葡萄糖苷酶(EC2.1.21，也称CB酶)，这类酶将纤维二糖水解成葡萄糖分子。当以上三种纤维素酶的关键酶的活性比例适当时，就能协同作用完成对纤维素的降解，但各个酶组分单独作用时效果极差。所以说纤维素酶降解纤维素时一个协同表达和作用的过程[11-12]。
不同来源的纤维素酶分子特征和催化活性都不尽相同。细菌产生的纤维素酶量少，主要是内切酶，大多数对结晶纤维素没有活性，而且不能分泌到细菌细胞外，常常聚集形成多酶复合体[13]。真菌能产生大量的纤维素酶，产生的酶组分，能分泌到菌体外，一般不聚集成多酶复合体，但可以相互发生强烈的协同作用。纤维素酶分子的大小因来源不同也有明显的差异，变化范围很广。多数真菌和少数细菌的纤维素酶都受到糖基化，所含碳水化合物的比率不同在很大程度上决定了酶的多型性，表现为分子量的差别[14]。纤维素酶的酶活力一般都很低，因而酶生产成本高。据报道，纤维素水解成葡萄糖所需的酶蛋白要比淀粉相应水解所需的大100倍，这是影响纤维素酶实际应用的重要原因之一[3]。
迄今为止，人们已从40多种细菌和数种真菌中克隆到了多种纤维素酶基因，有一百多种基因可在大肠杆菌中表达，大多数克隆的纤维素酶基因能产生信号肽，从而使表达产物部分或全部转移至E.coli的细胞质间隙[15]。虽然克隆到大肠杆菌的基因，不需要载体的启动子就可表达，但表达水平很低，推测可能是其启动子不能完全被识别的缘故。但在大肠杆菌中表达纤维素酶基因存在两个主要问题:一是提取有很大困难，二是表达水平低、酶蛋白不能分泌，离工业化应用的目标还有一定的距离，所以在纤维素酶基因的表达方面人们将目光转向了真核表达系统[16]。
木霉属是研究最广泛的纤维素酶产生菌[6]，世界纤维素酶市场中的纤维素酶20%是来自木霉属和曲霉属[17]。绿色木霉是一种在各种气候带的土壤中能够普遍存在的一种多细胞丝状真菌，能够分泌完全的纤维素酶系，其中产量较高并且稳定，是目前纤维素酶商业化生产的主要生产菌株[18]。对于绿色木霉的研究直到九十年代初仅有CBHⅠ基因克隆的报道，王建荣、张曼夫利用里氏木霉的基因序列同源片段做探针，构建了绿色木霉基因文库，并克隆了CBHⅠ、CBHⅡ基因，并对其基因结构进行了研究[19]。
纤维素酶的合成一般受纤维素诱导及葡萄糖降解物的阻遏，多数菌株纤维素酶的合成既受纤维二糖、山梨糖等的诱导，又为葡萄糖、甘油等易利用碳源的阻遏，还受菌体生长速度的影响[6]。在绿色木霉中，纤维素酶属诱导型酶类，其多个酶组分的表达经过严密的调控。在绿色木霉中能产生分泌型的纤维素酶，当CBHⅡ基因缺失时，会影响纤维素酶系其他酶的表达，而缺失其他基因时，只单独影响自身的表达。另有研究表明CBHⅡ是纤维素酶系统中最先表达的酶，其表达产物进一步诱导其他纤维素酶基因的表达，但CBHⅡ基因的表达受纤维素降解产物葡萄糖的抑制[20]。
随着基因工程技术的发展，定点突变和基因重排技术在纤维素酶的生产工业中的应用越来越广泛。在里氏木霉 (T.reesei) 中，需要产生至少14种酶协同作用才能水解未经化学处理过的植物干物质。为了降低纤维素酶的复杂性，将里氏木霉的CBH1、嗜酸耐热菌的葡聚糖内切酶EI 以及曲霉(Aspergillus niger)的β- 葡萄糖苷酶以90∶9∶1(质量比)混合形成一个三元复合物，此三元复合物在120 小时内水解预处理过的纤维素的能力与李氏木霉中纤维素酶体的水解能力相当。为了提高此三元复合物水解纤维素的活力，利用定点突变的方法对葡聚糖内切酶EI的活性位点进行修饰，结果与突变前的三元复合物相比，其水解纤维素的活性提高了12%[21]。Zinnia R等在里氏木霉菌中应用同源重组技术将外切β－葡萄糖苷酶整合到egl3和xyn3基因启动子的下游，增强了纤维素酶的表达量4倍到7.5倍，这些重组菌株能有效的降解纤维素物质[22]。
生物乙醇及纤维素降解酶的未来发展趋势
随着石化燃料供应的减少，寻找新的能量来源关系到经济的可持续发展乃至人类的生存问题。生物乙醇作为一种可再生的、经济上可承受的，并且对环境安全的能源物质将逐渐成为石油的替代品[2]。由于产酶菌种落后，产率低，成本高，严重影响我国纤维素酶工业发展，从而阻碍了以木质纤维素为原料的2代生物乙醇工业的发展。因此要想提高纤维素生产生物乙醇的市场的竞争力，提高纤维素酶的产量，降低纤维素酶的成本成为解决问题的关键因素。目前纤维素酶工程菌株中不稳定、产酶量不高、难应用于大规模产业化大规模生产等三大难题。利用基因工程技术改造菌种，尤其是纤维素酶基因启动子的改造，在发酵过程中其酶形成过程不受主要代谢产物葡萄糖的抑制，促进其他纤维素酶基因的协同表达，大幅度提高菌株在发酵过程中的产纤维素酶的能力，将是工程菌柱构建的方向，构建不受葡萄糖抑制、稳定、高效的表达纤维素酶工程菌。可以解决本项目的实施将会大大提高纤维素酶的产量，降低木质纤维素生产生物乙醇时纤维素降解成本，从而促进木质纤维素生产生物乙醇产业的发展。
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关键词 烟草；烟杆；纤维素酶；协同降解作用
中图分类号 Q93 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）11-0225-03
Abstract In order to reuse the waste tobacco stalk，several microbial strains can use waste tobacco rod high-temperature aerobic composting were screened，preliminary detection of several decomposed strains was conducted，and the further testing for strains synergistic effect of the combination and proportion was carried out.The results showed that three groups of degradation of tobacco stalk cellulose strains can grow in the culture medium which with tobacco stems as the sole source of nutrition，and has strong cellulose degradation ability，number of strains were H2568，B1，M1.Synergistic test indicated when biomass ratios of H2568，B1，M1 with 1.0∶1.0∶1.5，combination with the strongest degradation of the cigarette rod ability，the degradation rate of cellulose，hemicellulose degradation rate，lignin degradation rate reached 56%，70%，33%，the highest fiber prime enzyme activity reached 625.44 U/mL.
Key words tobacco；tobacco stalk；cellulase；synergistic degradation
烟草不仅是一种极具经济价值的作物，而且也是具有科研价值的一年生模式植物[1]。我国的烟草种植量和生产量稳居世界首位，在烟草采收和运输的过程中，大量的烟杆会被放弃或焚烧，即污染环境又造成资源浪费[2-3]。如何再充分利用这些废弃烟杆，成为目前迫切需要研究解决的课题。杨政明[4]、詹其厚[5]、张从军[6]等利用烟杆中含有大量的氮、磷、钾及微量元素的特性，利用废弃烟草生产有机复合肥分别在核桃、夏玉米、水稻上施用取得了较好的肥效，并使农作物产量显著增加。但是又因烟杆中含有77.4%纤维素和半纤维素、18.63%木质素[7]，显著高于禾本科作物秸秆中木质素含量，因此其难以被充分利用[8]。张楠[8]、周熠[9]对烟杆中纤维素进行了降解并取得了不错的效果，但纤维素的降解率不到40%，理论上还有一定的提升空间。因此，本研究通过组合高效的好氧纤维素、半纤维素、木质素降解组合菌群，考察其对烟杆的降解效果并优化其组合比例，以便开发能够利用废弃烟杆制作高温好氧堆肥的高效微生物菌剂[10]。
1 材料与方法
1.1 试验材料
本试验所有烟杆由中南烟草试验站提供。培养基：细菌培养基为0.5% NaCl，0.5%牛肉膏，1%蛋白胨，蒸馏水100 mL，pH=7；真菌培养基为综合PDA琼脂培养基（20%马铃薯提取液，2%葡萄糖，0.3% KH2PO4，0.15% MgSO4・7H2O，0.02%维生素B1，蒸馏水100 mL，pH=7）。烟杆选择培养基为10%烟杆，蒸馏水100 mL，琼脂粉2.0%，调pH值至7。烟杆液体发酵培养基为10%烟杆，蒸馏水100 mL，调pH值至7。
1.2 试验方法
1.2.1 菌种初步筛选。从土壤、腐熟的烟杆、刚屠宰的牛的胃部以及实验室现有的纤维素降解菌中筛选能降解烟杆的菌种。将各菌株分别接种1环到2种种子液培养基扩大培养，培养温度分别为25、37 ℃，摇床转速为180 r/min，发酵24 h后，各取种子液0.1 mL涂布在烟杆选择培养基上，分别在25、37 ℃培养，3 d后观察菌种生长情况。选择能在烟杆选择培养基上生长的菌种进行下一步烟杆液体发酵试验。
1.2.2 不同菌株烟杆液体发酵试验。将各菌株种子液以10%的接种量接种到烟杆液体发酵培养基培养，发酵10 d后以4 000 r/min离心10 min，取上清液1 mL适量稀释，用DNS法测定还原糖，选取还原糖含量较高的菌株进行下一步试验。
1.2.3 各菌拮抗性试验。将活力较高的菌株进行两两拮抗性试验，利用抑菌圈法在蛋白胨、牛肉膏培养基（37 ℃）和PDA培养基（25 ℃）上培养24 h后，观察菌株相互拮抗的情况。
1.2.4 不同组合菌烟杆液态发酵试验。将无明显拮抗性作用的菌株做三菌种组合和四菌种组合发酵试验，把混合种子液于37 ℃、180 r/min扩大培养24 h，按接种量10%的烟杆液体发酵15 d，测定发酵液中纤维素、半纤维素、木质素降解率，选出降解效率较高的4组菌种进行下一步试验。
1.2.5 组合菌酶活力与发酵时间的关系。将选取的最佳组合菌在37 ℃、180 r/min条件下进行烟杆液体发酵15 d，间隔测定发酵过程中的纤维素酶活力。
1.2.6 组合菌酶活力与发酵温度的关系。将选取的最佳组合菌分别在40、50、60 ℃及其他条件不变的条件下发酵11 d，测定纤维素酶活力，判断所选组合菌是否具有耐高温性。
1.3 分析方法
1.3.1 纤维素、半纤维素、木质素定量分析方法。通过测定还原糖的增加量可以初步挑选出更能高效降解烟杆的菌种，但是为了更详细地了解烟杆中主要成分的降解情况[11]，下一步试验以纤维素、半纤维素、木质素的降解率为主要试验指标[12]。图1为纤维素、半纤维素、木质素定量分析方法。
1.3.2 纤维素酶活性测定方法。取10 mL发酵液用离心机4 000 r/min离心10 min，取上清液1 mL稀释25倍制成待测酶液。取4支25 mL刻度具塞试管（2支平行管、1支空白管）。分别向所有管中加入CMC-Na溶液2.00 mL，再加入稀释好的待测酶液0.50 mL（空白管不加），用漩涡混匀器混匀，盖塞。（50.0+0.1）℃水浴30 min后，加入DNS试剂3.0 mL，于空白管中加入待测酶液0.50 mL，摇匀。沸水浴10 min后，迅速冷却至室温，用水定容至25 mL，以空白管调仪器零点，在分光光度计波长540 nm下，用10 mm比色杯分别测量样品管中样液的吸光度，取平均值。通过用线性回归方程求出纤维素酶活[13]。
2 结果与分析
2.1 烟杆化学组成分析
首先对提供的样品进行了部分化学组成的检测，尤其是对于纤维素类的物质成分进行了定量分析。在提供的烟杆样品中，总纤维素含量达到77.44%，木素含量大约为18.63%，果胶含量为3.89%，苯-醇溶出物含量为3.21%，另外还有5%左右的灰分。可见，烟杆中含有丰富的纤维素类物质资源，如果能够对这些纤维素降解后加以利用，完全可以提高烟杆废弃物的利用价值。
2.2 纤维素菌的筛选
在筛选出来的微生物中有11组菌种能利用烟杆生长，将其分别编号为H2568、H1249、H1348、H1764、H4479、B1、M1、N1、Y1、Y2、Y3。进行下一步烟杆液体发酵试验以确定所需纤维素菌。
2.3 纤维素菌的确定
初步筛选的11组菌株在降解烟杆多糖生成还原糖的能力上差异较为显著。从图2可以看出，这些微生物生成还原糖的量从高到低的顺序依次为B1、M1、H2568、N1、H1249、H1348、Y3、H1764、H4479、Y2、Y1。选取其中降解能力最强的5株菌H1249、H2568、B1、M1、N1，作为下一步菌种协同降解作用的基础进行拮抗试验。
2.4 不同菌种拮抗结果
有很多试验研究表明，复合菌群较单一菌的降解能力强，特别是针对纤维素、木质素等需多种酶协同降解的物质，不同菌种组合起来可以起到补充和加强分解的作用。但在同一生长环境下，不同菌株之间产生拮抗性作用会抑制其自身生长和产酶活力。利用菌株之间不相容性，进行拮抗性试验，从表1可以看出：H1249与B1拮抗，选取相对降解能力更强的B1。得到所需的4株无明显拮抗性的菌株H2568、B1、M1、N1，可用于下一步菌种组合研究。
2.5 半纤维素、木质素和纤维素的降解情况
在多菌株协同降解试验中发现H2568、B1和M1这3种菌种以等量进行组合时能够取得较好的降解效果（图3），纤维素、半纤维素、木质素的降解率分别达到了47%、63%、26%。因此，对烟杆纤维素降解效果最为理想的协同菌群组合确定为H2568+B1+M1。
2.6 组合菌酶活力与发酵时间的关系
将上述试验中确定的最佳组合菌H2568-B1-M1烟杆液体发酵15 d[14]，观察其发酵过程中酶活力的变化情况（图4），发酵第11天时，发酵体系中纤维素酶的活力最高，达到625.44 U/mL，随后酶活力开始逐步降低。
2.7 组合菌酶活力与发酵温度的关系
高温对菌株的生长与产酶不利，但由于现阶段烟杆大多处理方式为堆肥，那么固态发酵所需升温过程不能避免，因此需要筛选出的组合菌能够耐高温来适应固态堆肥。从图5可以看出，在发酵11 d后，H2568-B1-M1的纤维素酶活不可避免的受到高温影响，但是即使在60 ℃下仍能达到250.47 U/mL。组合菌耐高温试验证明了H2568-B1-M1能长期保持较高的纤维素酶活力且耐高温。
2.8 菌量比例对协同降解作用的影响
确定H2568、B1与M1为最佳的菌种组合后，对其接种时的比例进行优化试验。从图6可以看出，H2568、B1与M1以1.0∶1.0∶1.5的比例组成烟杆发酵种子液时，取得了最佳效果。其纤维素降解率、半纤维素降解率、木质素降解率分别达到56%、70%、33%，较1.0∶1.0∶1.0配比时的降解能力显著提升。
3 结论与讨论
烟叶产量的增加同时产生了大量的废弃烟杆。由于烟杆不易腐烂也不能直接用于肥田，因而绝大部分都是作为废弃物被丢弃或焚烧，这不仅不同程度地污染了当地的生活生产环境，也造成了资源的浪费。经试验证明通过微生物发酵将烟杆中的大分子物质降解，将纤维素、半纤维素、木质素降解为小分子的单糖，使卷烟制造产生的废弃物转化为农业生产中急需的有机肥，具备广阔的生产应用前景。而烟杆中有机质的降解依赖于微生物是否产生多种酶系和产各种酶系活力的强弱。基于纤维素酶的复杂性，大量试验证明，复合菌液体发酵产纤维素酶活力高于单菌株，在同一生长环境下，相互依赖，共同生长，达到良好的协调作用。因此，筛选出无明显拮抗、耐高温、长时间具备高酶活且能高效降解烟杆的组合菌是试验的基础。在自然环境中常见的纤维素分解细菌大多为食纤维菌属、生孢食纤维菌属、多囊菌属、镰状纤维菌属与纤维弧菌属。具有很强的纤维素分解能力的真菌主要有木霉、镰刀霉、青霉、曲霉、毛霉、葡萄孢霉等属的菌种。本试验前期筛选了多种能降解纤维素的细菌、真菌用于进一步测试它们对烟杆的降解能力。因此，确定最佳的降解烟杆组合菌是为下一步研究提供了根本的基础。本试验中纤维素酶活力和还原糖的生成量能说明菌种自身降解能力的强弱，从另一角度总纤维素、半纤维素、木质素的变化情况反映了组合菌的降解效率。H2568-B1-M1以1.0∶1.0∶1.5的比例进行烟杆液体发酵，11 d后其纤维素降解率、半纤维素降解率、木质素降解率分别达到56%、70%、33%，说明经H2568-B1-M1产生多种酶系，促进了有机质的降解，对烟杆的降解取得了较显著效果，进一步提高纤维素酶活力，增加还原糖的生成量，提高纤维素、半纤维素、木质素的降解率，为进一步进行烟杆固体发酵奠定基础。
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关键词：生物法降解;秸秆;木质素
秸秆是一种丰富的纤维素可再生资源,我国农作物秸秆年产量逾6亿t,除少量被用于造纸、纺织等行业或用作粗饲料、薪柴外,大部分以堆积、荒烧等形式直接倾入环境,造成极大的污染和浪费[1]。能源紧张、粮食短缺及环境污染日趋严重是目前世界各国所面临的难题。而可再生资源的转化利用,能在有利于生态平衡的条件下缓解或解决问题。
木质素又称木素,是植物界中含量仅次于纤维素的一类高分子有机物质,是一种极具潜力的可再生资源[2-4],每年全世界由植物可生长1 500亿t木质素,且木质素总与纤维素伴生,具有无毒、价廉、较好的可热塑和玻璃化特性。木质素是由苯丙烷结构单元组成的复杂的、近似球状的芳香族高聚体,由对羟基肉桂醇(phydroxy cinamylalcohols)脱氢聚合而成,一般认为木质素共有3种基本结构(非缩合型结构),即愈创木基结构、紫丁香基结构和对羟苯基结构。木质素结构单元之间以醚键和碳-碳键连接,连接部位可发生在苯环酚羟基之间,或发生在结构单元中3个碳原子之间,或是苯环侧链之间。木质素由于分子量大,溶解性差,没有任何规则的重复单元或易被水解的键,因此木质素分子结构复杂而不规则[5,6]。
从20世纪开始,国内外学者一直在寻找降解木质纤维素的最佳途径,研究内容主要包括以下几方面:物理法、化学法、物理化学法、生物降解法[7]。物理法包括辐射、声波、粉碎、整齐爆破等[8,9]。化学法包括无机酸(硫酸、乙酸、盐酸等)、碱(氢氧化钠、氨水等)和有机溶剂(甲醇、乙醇)等。物理化学法,即化学添加法和气爆法相结合。此3种方法,可在一定程度上降解秸秆中的木质纤维素,但都存在条件苛刻、设备要求高的特点,从而使预处理成本增加,且污染严重。生物降解法是从20世纪20年代起开始研究的,采用降解木质素的微生物在培养过程中可以产生分解的酶类,从而可以专一性降解木质素。此法具有作用条件温和、专一性强、无环境污染、处理成本低等优点。
1降解秸秆木质素的微生物
在自然界中,木质素的完全降解是由于真菌、细菌及相应的微生物群落共同作用的结果。从20世纪起,国内外学者对木质素降解的研究从白腐真菌开始。白腐真菌是指一类具有相同功能引起木质白色腐烂的丝状真菌的集合,凭借其选择性降解木质素的能力,白腐真菌的菌丝穿入木质,侵入木质细胞腔内,释放降解木质素的酶,导致木质腐烂为淡色的海绵状团块。目前,用于木质素降解研究的白腐菌主要有黄孢原毛平革菌(Phanerochete chrysosporium)、杂色云芝(Coridus versicolor)、香菇(Lentinula edodes)、变色栓菌(Thametes Versicolor)、朱红密孔菌(Pycnoporus cinnabarinus)等[10,11]。杭怡琼等[12]以稻草秸秆加20%棉籽壳为培养基质,接入3种侧耳菌株,经研究发现,从接种到子实体形成过程中,培养物的木质素呈不断下降水平,木质素降解率与酶活变化趋势基本相似。王宏勋等[13]通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析和木质纤维素组分含量变化,研究了3株白腐菌在50d培养期内降解稻草秸秆中木质纤维素的降解规律,结果表明:3株白腐菌对稻草秸秆中木质纤维素降解具有一定的顺序和选择性,先降解半纤维素和木质素,再同时降解半纤维素、纤维素和木质素,并且对木质素有很好的降解优势。毕鑫等[14]研究白腐菌产木质素过氧化物酶发酵条件,利用Lip粗酶液在体外直接降解稻草,3d后Klason木质素的降解率为8.7%。戴永鑫等[15]研究了白腐菌及其产生的木质素降解酶系对秸秆的木质素生物降解方法,采用黄孢原毛平革菌和杂色云芝双菌联合固态培养可使木质素降解率达到47.64%。鞠洪波[16]以香菇、金针菇、杏鲍菇等9种食用菌对云杉木质素的降解进行研究,试验表明:杏鲍菇对木质素的降解能力最强,其次是木耳、茶树菇、柳菇、榆黄菇对木质素降解能力较高,其余4种食用菌降解木质素能力较弱。
20世纪80~90年代的研究表明细菌可以代谢低分子的磺化木质素、Kraft木质素片断等,细菌能够使木质素结构发生改性,成为水溶性的聚合产物;另外,细菌与真菌协同作用使木质素易于受到真菌的攻击,且可去除对腐朽真菌有毒性的物质[17]。降解木质素的细菌种类很多,其中放线菌是公认降解能力较强的细菌,包括链霉菌(Strptomyces)、节杆菌(Arthrobacter)、小单胞菌(Micromonospra)等。Tuomela M等[18]研究表明链霉属的丝状细菌降解木质素最高可达20%,放线菌对木质素的降解主要在于增加木质素的水溶性[18]。其他降解木质素的细菌主要是非丝状细菌,能够在一定程度上引起木质素的降解,如微球菌属(Micrococcussp)、假单胞菌属(Pseudomona ssp.)、黄单胞菌属(Xanthomonas sp.)等。非丝状细菌降解木质素的能力较差,只能降解小分子量或者木质素的降解产物,其中假单胞菌属是最有效的降解菌[17-19]。张甲耀等[20]通过对一嗜碱细菌对麦草木质素降解能力的研究,发现在最佳综合培养条件下该菌株10d对木质素降解率可达49.84%。
2秸秆木质素降解酶系
目前认为最重要的木质素降解酶有3种,即木质素过氧化物酶(Lignin Peroxidase,Lip)、锰过氧化物酶(Man-dependent Peroxidase,Mnp)和漆酶(Laccase,Lac)。木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶可使木质素分子中碳—碳键断裂成苯氧残基,漆酶对木质素有降解和聚合的双重作用[21]。
Lip是最早发现的木质素降解酶,存在于大多数降解菌中,它是一种糖蛋白,分子量约41 000,有1个血红素构成其活性中心,可连接至少1个黎芦醇。Lip能催化木质素中富含电子的酚型或非酚型芳香化合物发生氧化,从而使木质素形成活性基团,然后发生一系列的非酶促裂解反应,实现对底物的部分氧化或彻底的氧化[22]。
Abstract：Six typical imidazolium＼|based ionic liquids were prepared and used as green solvents in the dissolution of the model compound of hemicellulose xylan.The result showed that chloride salts had higher dissolving capacity of xylan.The solubility of xylan could be as high as 12.09 g at 373.2 K.When containing the same anions， the ionic liquids with hydroxyethyl groups had highest dissolving capacity， followed by the ones with allyl and butyl groups.Based on IR spectra measurements，the composition and structure change before and after regeneration of xylan were studied.It was confirmed from microcosmic angle that the hydrogen bonding network in xylan had been partly destroyed by ionic liquids.This process was the main reason why xylan could be dissolved in ionic liquids.
0引言
相对于煤和石油等不可再生能源，以绿色植物为代表的生物质能源具有储量大、可再生、绿色环保、价格低廉等优点，是制备氢气和乙醇等清洁能源的理想原料.绿色植物的主要成分是木质纤维素，它主要由纤维素、半纤维素和木质素三部分组成[1].
由于木质纤维素的成分比较复杂，通常情况下，木质纤维素难溶于常见溶剂，也难以有效分离.因此如何设计合适的溶剂，将木质纤维素各组分进行溶解并分离，是实现其绿色应用的突破口.以往溶解和分离木质纤维素多用酸、碱溶液和有机溶剂，这些溶剂体系普遍存在着污染重、成本高、回收率低等问题[2].
室温离子液体对纤维素良好的溶解性能为木质纤维素的溶解和分离提供了可能.因此，近年来利用室温离子液体溶解和分离木质纤维素引起了学术界和产业界的高度重视，并取得了一些阶段性成果.其中，R.P.Swatloski等[3-5]国内外学者在溶解纤维素方面做了大量研究，为后续工作开辟了道路.I.KilpelLnen等[6]以[Bmim]Cl（1-丁基-3-甲基咪唑氯盐）、[Amim]Cl（1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐）和阳离子上含苄基的离子液体为溶剂，研究了富含木质素的木材在离子液体中的溶解.Y.Q.Pu等[7]从南方松硫酸盐浆中提取了木质素，并测定了这些样品在[Mmim][CH3SO4]和[Bmim][CF3SO3]等离子液体中的溶解度.
半纤维素是由木聚糖等戊糖和己糖构成的高聚糖分子，结构较为复杂，自然界不存在半纤维素的纯品.相对于纤维素和木质素，目前对于半纤维素的溶解之研究很少，对此缺乏系统的认识.近年来的工作一般集中在通过有机溶剂、酸和碱试剂来进行半纤维素的提取和改性等[8-9]，鲜有文献报道离子液体对半纤维的溶解研究之进展.
为了进一步研究离子液体对半纤维素的溶解性能和过程，本课题以半纤维素的主要成分木聚糖（结构如图1所示）作为半纤维素的模拟化合物的代表进行研究.本文拟先后测定[Bmim]Cl，[Amim]Cl，[Hemim]Cl（1-羟乙基-3-甲基咪唑氯盐），[Bmim][N（CN）2]（1-丁基-3-甲基咪唑双氰胺盐），[Amim][N（CN）2]（1-烯丙基-3-甲基咪唑双氰胺盐）和[Hemim][N（CN）2]（1-羟乙基-3-甲基咪唑双氰胺盐）6种离子液体在不同温度下对木聚糖的溶解情况，比较不同离子液体对木聚糖溶解性能的差异，探讨木聚糖的再生问题.
1材料与方法
1.1试剂与纯化
木聚糖（纯度约90%），美国Sigma公司产，研磨后置于真空干燥箱中于-0.1 MPa，333 K下干燥48 h；N-甲基咪唑、氯代正丁烷、烯丙基氯、2-氯乙醇、乙酸乙酯、丙酮、二氯甲烷，均为分析纯，北京化学试剂公司产，使用前通过蒸馏提纯，并经分子筛进行干燥；二氰胺钠（分析纯），营口三征有机化工股份有限公司产，置于真空干燥箱中，于333 K下干燥48 h.
1.2主要实验仪器
RET basic型高精度恒温磁力搅拌器，德国IKA公司产；XYJ-802型离心沉淀机，江苏医疗器械厂产；RE-58型旋转蒸发仪，上海亚荣生化仪器厂产；DZF-6020型
真空干燥箱，DHG-9036A型电热恒温鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司产；FA2104型
电子分析天平，上海恒平科学仪器有限公司产；
Nicolet 380型红外光谱仪，美国Nicolet公司产；
BX51型偏光显微镜，日本Olympus公司产；
AC-400M核磁共振仪，瑞士Bruker公司产；
MicrOTOF-Q II型质谱仪，德国Bruker公司产；
787 KF Titrino型卡尔费休水分测定仪，瑞士Metrohm公司产.
1.3离子液体的合成与表征
所有离子液体的合成均按照Y.Zheng等[10]的方法进行，产物的结构和纯度通过核磁共振谱、红外光谱、质谱和水分测定仪等进行系统测试，合成的离子液体质量纯度>99.5%，水含量低于0.05%，可以满足高精度实验的需要.
1.4木聚糖溶解度的测定
溶解度的测定方法参照文献[10].首先将约为溶剂质量0.1%的木聚糖加入待测离子液体，并在干燥的气氛下加热至溶解（控温精度为±0.5 K）.待溶液在偏光显微镜下变澄清后，按照上述方式继续加入0.1%的木聚糖，直至在既定的温度下达到饱和.离子液体具有不同的熔点，测定溶解度时，温度需要保持在其熔点以上，即液体状态下才能完成.[Bmim]Cl的熔点约为338 K，[Hemim]Cl的熔点约为333 K，其他离子液体的熔点低于298 K.如果温度太低，受热力学和动力学因素的控制，木聚糖几乎不溶解.同时，考虑到过高温度下木聚糖溶液呈胶状的情况，实验温度也不能太高.根据上述实际情况，选择实验温度范围为330～390 K，并在该范围内各选取5个典型的温度点测定木聚糖的溶解度，在每个温度下，木聚糖在1 h之内完全溶解.由于[Bmim]Cl和[Hemim]Cl的熔点较高，因此分别加热至343.2 K和 338.2 K 后开始测定溶解度，温度间隔均为10 K.溶解度最后按照每100 g离子液体所能溶解的木聚糖质量计算，溶解度的相对误差
2结果与讨论
2.1木聚糖在不同离子液体中的溶解度
不同温度下，木聚糖在呋唑氯盐型、咪唑双氰胺盐型离子液体中的溶解度，分别见图2和图3.显然，木聚糖在6种离子液体中均有一定的溶解度，相同温度下接近于纤维素在相同离子液体中的溶解度[11].其中，在373.2 K时，木聚糖在[Amim]Cl中的溶解度可达12.09 g.
由此可知，木聚糖在6种离子液体中的溶解度有以下规律.
1）在所测温度范围内，随着温度的升高，木聚糖在离子液体中的溶解度呈曲线上升.但温度再升高时，往往随着体系黏度的增大，木聚糖逐渐达到表观的饱和，温度的升高很难使木聚糖继续溶解于离子液体中.
2）在353.2 K，363.2 K的实验温度下，木聚糖在离子液体中的溶解度大小顺序都为：[Hemim]Cl>[Amim]Cl>[Bmim]Cl>[Hemim][N（CN）2]>[Amim][N（CN）2]>[Bmim][N（CN）2].
3）在同等实验温度条件下，阴离子为氯离子的离子液体对木聚糖的溶解能力一般较阴离子为二氰胺根的离子液体强，这是由于氯离子形成氢键的能力较双氰胺根强，能够有效地破坏木聚糖中的氢键，从而促进木聚糖的溶解[10，12].当阴离子相同时，阳离子上含有羟乙基的离子液体对木聚糖的溶解能力最强，其次是阳离子上含有烯丙基和丁基的离子液体，这是因为羟乙基与木聚糖之间形成氢键的能力比烯丙基、丁基强，能够有效破坏木聚糖内部的氢键网络，从而促进木聚糖的溶解.
4）相同条件下，与文献[3-5，10]中报道的微晶纤维素、β-环糊精、葡萄糖等含有六碳糖成分的物质相比，木聚糖的溶解度较低.这是因为木聚糖主要由五碳糖聚合而成，分子中羟基所占程度较少，导致离子液体难以通过氢键效应促进其大幅溶解.
2.2木聚糖的再生
在溶解的基础上，在溶液体系中加入适量的水或乙醇，可以实现木聚糖的再生，此为促进木聚糖分离和绿色应用的重要步骤.通过测定并比较木聚糖在溶解前和析出后的红外光谱，可研究其化学组成和结构的变化规律.木聚糖经离子液体[Bmim]Cl处理前后的红外光谱见图4.由图4可知，在溶解前，木聚糖的O―H伸缩振动吸收峰位于3 367 cm-1，而其析出后的O―H伸缩振动吸收峰位于3 415 cm-1，发生了明显的蓝移；同时，析出后木聚糖的O―H伸缩、振动，使吸收峰的宽度变窄，这表明离子液体破坏了木聚糖中的氢键体系，使木聚糖分子中和分子间的氢键作用减弱[13].其他离子液体体系中的再生木聚糖样品，结论相同.
另一方面，根据实际需要，可以使木聚糖以模状、线状和块状等形式析出.再生后的产物具有较低的聚合度、较弱的分子间氢键作用，这十分有利于木聚糖的催化转化，特别是水解制备单糖和乙醇等物质.
3结论
本文从解决木质纤维素的绿色溶解和分离问题出发，以离子液体为新型溶剂，研究了木聚糖的模拟化合物木聚糖的溶解和再生过程.在不同的温度下测定了木聚糖在6种典型咪唑类离子液体中的溶解度，结果表明：氯盐型离子液体对木聚糖的溶解能力较强，373.2 K时，木聚糖在[Amim]Cl中的溶解度可达 12.09 g；当阴离子相同时，阳离子上含有羟乙基的离子液体对木聚糖的溶解能力最强，其次是阳离子上含有烯丙基和丁基的离子液体.通过红外光谱研究了木聚糖再生前后的组成和结构变化，从微观角度证明离子液体破坏了木聚糖中的氢键体系，使木聚糖分子中和分子间的氢键作用减弱，该过程是实现木聚糖溶解的主要原因.该研究对解决木聚糖的溶解和改性问题，以及木质纤维素的绿色应用将会起到积极的推动作用.未来，还需要加深对木聚糖溶解机理的认识，进一步提高木聚糖的溶解度，通过离子液体结构和性能的优化来实现木质纤维素中纤维素、木聚糖、木质素的高效分离，从而为各组分的绿色转化创造更为有利的条件.参考文献：
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关键词：甘薯渣;超声波;Lewis酸;发酵;乙醇
中图分类号：S531 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）23-5820-03
DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2014.23.050
随着工业化程度的提高和世界人口的增加，能源的消耗也在逐步增加，而主要能源石油是有限的，因此开发石油替代能源引起科学家们广泛的兴趣[1]。乙醇是一种可以通过糖发酵获得的可再生资源。车用乙醇汽油作为机动车未来的主要动力燃料，已成为国际上普遍公认可降低环境污染和取代化石燃料的主要能源。在美国，乙醇已经被广泛地作为特殊的石油替代品。截至2009年，美国、巴西和欧盟的生物燃料产量分别占世界总产量的45%、29%和15%[2，3]。
目前，工业化生产的燃料乙醇绝大多数是以粮食作物为原料。但是由于中国人多地少，粮食安全仍是头等大事，在中国不可能大量使用玉米、小麦等粮食作物生产生物乙醇。适合中国国情的燃料乙醇生产只能通过甜高粱、木薯和甘薯等[4]以木质纤维素为原料进行。它们又被称为第二代生物燃料乙醇，是决定未来大规模替代石油的关键。甘薯渣含淀粉、纤维素、半纤维素、木质素、粗脂肪等，其主要成分为纤维素，因此成为生产第二代生物燃料乙醇的重要原料来源。降解纤维素效果最好的是纤维素酶[5]。当采用纤维素酶水解甘薯渣制造乙醇[6-8]时，纤维素酶必须接触吸附到纤维素底物才能使反应进行，因此，纤维素对纤维素酶的可及性是决定水解速度的关键因素。木质纤维素将纤维素包裹其中，影响纤维素的水解[9]。纤维素的结晶结构以及表面状态、多组分结构、木质素对纤维素的保护作用以及纤维素被半纤维素覆盖等结构与化学成分的因素致使甘薯渣难以降解。因此，必须经过预处理，使纤维素、半纤维素、木质素分离开，切断它们的氢键，破坏晶体结构，降低聚合度[10-12]。可用纤维素酶将甘薯渣中的纤维素和半纤维素分解成葡萄糖、木糖等五碳糖和六碳糖，也可考虑以发酵的方式进行。由于普通乙醇酵母无法利用五碳以上的糖发酵制备乙醇，而热带假丝酵母可以用来发酵生产乙醇。在具体生产过程中可以同时使用热带假丝酵母和乙醇酵母，使它们共同作用，同时将五碳糖和六碳糖发酵生产乙醇[13-15]。
本研究通过超声波和超声波辅助金属氯化物Lewis酸预处理甘薯渣，使其中的木质纤维素[16-18]分解后，再在热带假丝酵母和乙醇酵母的共同作用下将其发酵生产乙醇，利用甘薯渣中大量的纤维素生产乙醇并优化其发酵工艺参数，以期提高甘薯深加工产品的附加值，延长产业链，缓解化石能源燃烧产生的环境污染问题。
1 材料与方法
1.1 试验材料、试剂
甘薯渣来源于黄梅县明发薯业有限公司制取淀粉后的甘薯残渣，熟料酿酒酵母由湖北省武穴市二里半酒厂生产;纤维素酶产生菌由山东泰安信得利生物工程有限公司生产;热带假丝酵母由广州工业微生物检测中心提供;硫酸、CuCl2由天津市福晨化学试剂厂生产;乙醇由广东省广州化学试剂厂生产。
1.2 试验仪器
恒温水浴锅、简易蒸馏装置、KQ-500DB型超声波发生器、槽式超声清洗仪、恒温培养箱、HP4890D型气相色谱仪。
1.3 试验方法
1.3.1 常规方法 将甘薯渣洗净后研碎、筛分（ 过0.40 mm筛孔）备用， 取100 g甘薯渣粉于1 000烧瓶中， 加入适量蒸馏水， 搅拌均匀，在100 ℃恒温水浴锅中加热30 min之后，冷却至30 ℃左右。按0.75%的接种量（质量比，下同）接入一定比例的熟料酿酒酵母和热带假丝酵母，加35 IU/g的纤维素酶。在无菌条件下， 放入无菌恒温培养箱内，30 ℃下发酵7 d，设空白对照[19]。
1.3.2 超声波预处理方法 超声波预处理薯渣发酵制乙醇工艺[20-22]：前面的步骤与常规方法相同，冷却至30 ℃左右，再利用超声功率为40 kHz的KQ-500DB型超声波清洗器，在额定功率下处理规定时间。按0.75%的接种量接入一定比例的熟料酿酒酵母和热带假丝酵母，加35 IU/g的纤维素酶。在无菌条件下， 放入无菌恒温培养箱内，30 ℃下发酵7 d。
1.3.3 Lewis酸预处方法 Lewis酸CuCl2预处理薯渣发酵制乙醇工艺：前面的步骤与常规方法相同，冷却至30 ℃左右，分别在100 mL烧杯中加入150 mL的不同浓度的CuCl2溶液，处理30 min。处理后滤干，蒸馏水洗涤残渣至中性，按0.75%的接种量接入一定比例的熟料酿酒酵母和热带假丝酵母，加35 IU/g的纤维素酶。在无菌条件下， 放入无菌恒温培养箱内，30 ℃下发酵7 d。
1.3.4 超声波Lewis酸预处方法 超声波Lewis酸CuCl2预处理薯渣发酵制乙醇工艺与“1.3.3”的方法相同，但在加入不同浓度的CuCl2溶液后，以超声功率250 W，处理30 min。
1.4 乙醇提取及分析
反应残渣中含有其他杂质，需要将乙醇提取出来，采用简单蒸馏法提取乙醇。提取后的乙醇浓度利用HP4890D型气相色谱仪测定（填料Porapak-Q， 粒度80～100目， 长2 m， 外径3 mm， 内径2 mm。气化室、色谱柱及热导检测器的温度分别为170、130、170 ℃）。
1.5 单因素试验
根据李平等[23]的试验结果，利用超声波结合稀酸或碱预处理甘薯渣然后发酵制备乙醇的工艺中，最佳因素水平组合为固液比为1∶15（质量比，下同），纤维素酶用量为35 IU/g 底物， 热带假丝酵母与酿酒酵母的接种比为1∶1， 酵母菌接种量0.75%。在此基础上，进一步对超声波结合Lewis酸预处理甘薯渣后发酵制乙醇工艺进行研究。
2 结果与分析
2.1 预处理时间对薯渣发酵制乙醇产率的影响
由表1可知，预处理时间为0时，未经任何处理的常规方法发酵制乙醇的产率为0.188 g/g;Lewis酸CuCl2、超声波和超声波结合Lewis酸CuCl2预处理甘薯渣后发酵制乙醇的产率，都随预处理时间的增加而增加，当预处理时间为30 min时，再继续增大预处理时间，乙醇的产率变化不大，所以最佳的超声波加热甘薯渣的时间为30 min。上述3种预处理方法都能使乙醇产率提高，超声波结合Lewis酸CuCl2预处理甘薯渣后发酵制乙醇的产率最高，达0.214 g/g。
2.2 超声波预处理功率对薯渣发酵制乙醇产率的影响
从表2中可以看出，超声波和超声波结合Lewis酸CuCl2预处理甘薯渣后发酵制乙醇的产率，都随超声波加热功率的增加而增加，当加热功率为250 W时，再继续增大加热功率，乙醇的产率变化不大，所以最佳的超声波加热甘薯渣的功率为250 W。上述2种预处理方法都能使乙醇产率提高，超声波结合Lewis酸CuCl2预处理甘薯渣后发酵制乙醇的产率较高。
2.3 Lewis酸CuCl2浓度对薯渣发酵制乙醇产率的影响
从表3可以看出，未经超声波处理和超声波处理的乙醇产率都随CuCl2浓度的增大而增大，当CuCl2浓度为1.0%时，乙醇产率最高，CuCl2浓度再继续增大时，乙醇的产率没有变化，故最佳的CuCl2浓度为1.0%。
3 结论
结果表明，Lewis酸CuCl2预处理后的乙醇产率高于未经处理的薯渣发酵制乙醇的产率，超声波预处理后的乙醇产率高于Lewis酸CuCl2预处理后的薯渣发酵制乙醇的产率， 超声波结合Lewis酸预处理后的薯渣发酵制乙醇的产率最高。用最佳水平比较，未经任何处理的乙醇产率为0.188 g/g，Lewis酸CuCl2预处理后的乙醇产率0.197 g/g ，超声波预处理后的乙醇产率为0.203 g/g，超声波结合Lewis酸预处理后的乙醇产率为0.214 g/g。与未经任何处理的乙醇产率比较，Lewis酸CuCl2预处理后的乙醇产率提高4.8%，超声波预处理后的乙醇产率提高7.9%，超声波结合Lewis酸预处理后的乙醇产率提高13.8%。超声波结合Lewis酸CuCl2处理与未加超声波的Lewis酸CuCl2处理相比较，超声波能有效增加CuCl2与半纤维素的反应性，也能增加其与木质素的反应性。
将干甘薯渣通过粉碎（过0.40 mm的筛孔），加水蒸煮，超声波结合Lewis酸CuCl2预处理后， 经纤维素酶转化， 利用混合菌发酵生产乙醇，获得最佳的工艺条件为固液比为1∶15、超声波预处理功率为250 W、时间为30 min，Lewis酸CuCl2为1.0%，纤维素酶用量为35 IU/g底物， 热带假丝酵母与酿酒酵母的接种比1∶1， 酵母菌接种量为0.75%。在该条件下乙醇产率达到21.4%（重量）， 与常规工艺相比， 产率提高13.8%，有工业推广价值。
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不同于工艺日趋成熟的竹浆粘胶纤维和竹炭纤维，竹原纤维作为一种新型原纤维素纤维，其独特的杀菌、除臭、抗紫外线等理化性能在纺织行业中有着广泛的应用。其细度、可纺性方面的改善在近年也有了相关进展，竹原纤维和改性竹原纤维的各种新制备方法等加工工艺与应用也逐渐成为纺织行业研究的新焦点。
关键词： 竹原纤维；理化性能；制备工艺
1 前言
不同于近年来市场上所见的竹浆粕纤维和竹炭纤维，竹原纤维是一种真正意义上的环保天然纤维。竹原纤维吸放湿性能优异，具有天然抗菌和抗紫外线等保健功能。竹中含有一种天然物质“竹醌”，“竹醌”具有天然的抗菌、抑菌、防螨、防虫及能产生大量负离子的特性。经中国纺织纤维质量检测中心及上海微生物研究所检测，“竹醌”在24h内能杀灭75%的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和巨大芽孢杆菌。另外，竹原纤维中还含有叶绿素铜钠，具有良好的除臭功能，因此，竹原纤维有着良好的技术与市场发展前景，可广泛应用于纺织品服装领域。竹纤维是以数百根单纤维聚集成纤维束的形式分散在竹茎内，单独将单纤维分离出来较为困难。原生竹纤维的一般提取过程：（1）先去除竹节部分，将其分割成适当长度，再去掉外皮；（2）用压榨机将竹片压碎，破坏其柔细胞组织；（3）用2%～3%的NaOH水溶液煮沸2h；（4）水洗后再行压榨，破坏柔软的柔细胞组织，便于与纤维束分离；（5）在水槽中充分水洗，使纤维束与柔细胞分离；（6）过滤后即得浆粕状竹纤维，干燥后用搅拌机短时间搅拌便开纤成单纤维。竹原纤维制取过程中为避免单纤维发生脆化，必须确保原竹未经干燥，整个制取过程必须维持湿润状态[1-3]。
目前，有关竹纤维束应用于纺织上已有大量报道，并有相关产业应用，竹纤维用于复合材料制备也进入了起步阶段。但天然竹纤维成分中半纤维素和木质素含量很高，且单纤维较短，脱胶难度较大，影响了纤维的可纺性，此外在满足机械性能的条件下，竹纤维束的提取即是影响竹纤维复合材料应用开发的技术难点之一。针对可纺性的改善、细度改善以及各种制备与改性竹原纤维的方法也正在成为行业研究的新焦点。
2 竹原纤维的相关研究进展
2.1 新方法与工艺制备竹原纤维和改性竹原纤维
黄慧[4]等人采用10%碱处理、软化+1%碱煮和酸+1%碱煮等3种不同的预处理工艺提取获得竹纤维束，利用光学显微镜和X射线衍射法分别比较3种工艺下竹纤维束的微观形态和结晶结构。证明了竹材组织结构呈一定规律性，通过较低碱预处理后采用机械工艺可提取竹材中的纤维束。提取竹纤维束为黄褐色丝状物，并有一定柔韧性，长可达30cm以上，直径范围100μm～200μm。碱处理浓度高有利于竹纤维束分离。研究结果表明，低碱处理可分离提取竹纤维束，提取的竹纤维束为黄褐色丝状，直径范围为100μm～200μm；微观形态下，竹纤维束横截面呈蜂窝状，纵面呈多根柱形紧密排列状。3种工艺中，10%碱常温处理分离竹纤维最易，分离效果最好，残留基质粘附最少。由竹材经3种工艺提取的竹纤维束，结晶结构未改变，但相对结晶度均较原竹材有所提高。
张袁松[5]等人用闪爆—碱煮联合工艺的天然竹纤维提取，对闪爆压力、保压时间、碱浓度、碱煮时间这4个因素的单因素试验均采用联合脱胶，经研究表明闪爆—碱煮联合脱胶技术对天然竹纤维脱胶效果明显，纤维表面比较光滑，纤维直径明显减小。闪爆压力、保压时间和碱浓度是影响闪爆—碱煮联合脱胶效果的重要因素。在闪爆压力为0.8MPa、保压时间为15min、NaOH质量浓度为4g/L、碱煮90min的条件下，脱胶效果比较理想，纤维得率为77.16%，纤维的半纤维素和木质素含量分别下降41.61%和31.94%，纤维素含量从40.51%提高到63.59%，处理后纤维分散程度高，柔软性好，纤维拉伸强度接近麻类工艺纤维。
同时，张袁松[6]团队还以慈竹为研究对象，对常压下乙酸脱除天然竹纤维中的木质素进行了探讨。以反应温度、乙酸体积分数、催化剂硫酸体积分数和反应时间为单因子，考察这些因素对天然竹纤维木质素脱除率的影响。结果表明：影响因素从大到小依次为反应温度、催化剂硫酸体积分数、乙酸体积分数和反应时间。正交试验结果表明，乙酸在脱除天然竹纤维木质素的过程中也脱除了部分半纤维素和纤维素。在乙酸脱除天然竹纤维木质素的过程中，脱除木质素的同时也脱除了部分半纤维素和纤维素，脱除率为木质素脱除率>半纤维素脱除率>纤维素脱除率，木质素被大部分脱除而纤维素只脱除了一小部分。结合木质素脱除率、半纤维脱除率和纤维素脱除率，得到了最佳工艺条件，即90℃、乙酸体积分数88%、硫酸体积分数0.3%、反应时间3h，在该条件下木质素的脱除率达到55.84%。
关明杰[7]等人，从纺织材料学[8]出发，研究了竹纤维的性能。用实验室自制，细度范围为793tex～1445tex的竹纤维对几种不同仿生螺旋结构竹纤维束的纵向拉伸性能进行测试分析，结果表明：平行均布、单螺旋、双螺旋A、双螺旋B 型竹纤维束的拉伸强度分别为11.5MPa、51.7MPa、52.2MPa和56.1MPa；螺旋结构能够消除纤维束中的强度薄弱点，改善纤维束中各根纤维的结合，同时纤维束各层螺旋角的逐渐变化也有利于拉伸强度的提高。单螺旋、双螺旋A、双螺旋B型竹纤维束的拉伸弹性模量分别为9659MPa、5265MPa和491MPa，单螺旋竹纤维束的拉伸弹性模量优于双螺旋竹纤维束。宏观仿生螺旋结构提高了竹纤维束的拉伸强度，却降低了弹性模量。由螺旋纤维束的内层到外层，螺旋角的逐渐变化使得相邻层间的结合强度大为改善，避免了不同层面纤维力学性能的突变。
楼利琴[9]等人以自制平均线密度16.8dtex的竹原纤维为原料，用碱、漆酶、精练酶通过正交设计试验对竹原纤维进行纤细化处理，测定了处理后的竹原纤维细度变化率、木质素含量及强度。结果表明：精练酶去除木质素的效果比碱和漆酶处理好，木质素含量从原来的18.98%降为7.27%，处理后竹原纤维强度几乎没有损伤；碱去除木质素的效果比漆酶好，但强度损伤比漆酶处理大；生物酶脱胶方法有望成为竹原纤维脱胶加工的实际生产方法。
生物技术可以改变传统化学改性因大量使用化学助剂而严重污染环境的局面，同时使纤维性能得到改善，如纤维素酶对天然纤维织物进行抛光整理可改善其手感和柔软性。金文俊[10]等利用化学预处理结合纤维素酶的作用对竹原纤维进行改性，借助于扫描电镜、傅里叶红外吸收光谱、X-射线衍射等试验技术，研究处理前后竹原纤维的形态和内部结构变化。研究结果表明：酶处理切断并还原纤维素分子链为葡萄糖，同时也降解了部分半纤维素，使竹原纤维的结晶度降低；酶处理后的竹原纤维横截面微孔变大，纵面出现明显的侵蚀，裂纹有所增加；热稳定性基本不变。
2.2 竹原纤维在纺织中应用
用摩擦纺纱机纺织竹原纤维包芯纱具有芯纱与外包纤维双组分的特点，既可解决竹原纤维可纺性差的问题，又可提高竹原纤维纱的强力，提高产品的耐磨性。王显方[11]等人探讨竹原纤维摩擦纺包芯纱纺制方法及工艺优化，分析阐述了竹原纤维的特性，通过原料预处理，合理配置工艺参数，在摩擦纺纱机上开发出竹原纤维涤纶包芯纱，并利用正交试验优选了摩擦纺工艺参数。结果表明：竹原纤维涤纶48.6tex（68dtex）摩擦纺包芯纱较优的纺纱工艺参数为：分梳辊速度5000r/min，纺纱速度150m/min，摩擦辊速度5500r/min。毛雷[12]等针对纤维粗硬、可纺性差的特点，通过竹原纤维的预处理，提高其可纺性。采用原料混合的方式，各工序采用重定量、重加压、低速度的工艺路线，合理配置工艺参数，解决了梳棉成网困难、并条静电缠绕等问题，并注意保持各工序较高的相对湿度，使生产正常进行，成功试制出竹原/棉50/50的9.7tex混纺纱。
史丽敏[13]等人以线密度6.01dtex、长度80mm的竹原纤维和细度19.71μm～20.5μm（4.03dtex～4.27dtex）、长度70mm～120mm的羊毛为原料，在保证竹原纤维一定回潮率的前提下，成功纺制毛、竹（50/50）混纺纱线，并且依据针织面料流行趋势，结合毛、竹混纺织物优势互补的特点，设计并开发出了适合春夏季穿着的男装流行针织面料。面料色彩搭配与图案机理的设计不仅丰富了大众视觉，还打破了以往设计毛、竹混纺针织物的局限性。此外，还对毛、竹（50/50）混纺纱线的染色工艺进行了探讨，可为毛、竹混纺面料下游产品的进一步开发提供理论参考。此外，随着竹原纤维工艺的进步和纺织工业的发展，更加复杂的绢/苎麻/竹原纤维混纺物，如纬珠地平针组织、珠地平针横条组织、纬珠地组织、灰蓝珠地组织和纬平针组织的针织物的织造也有了相关报道[14]。
竹原纤维有着很好的抗菌性能，天然竹在制成竹浆粘胶纤维过程中经受了一系列化学和物理的加工，性能与竹原纤维有较大改变，原有的一些天然特性也必然遭到破坏，纤维的除臭、抗菌、防紫外线功能会有不同程度的下降。池田善光[15]对竹浆粘胶纤维的抗菌性能进行了研究，结果表明：竹浆粕试样并不具有抗菌性能。张慧等人[16]以巨大芽孢杆菌（革兰氏阳性菌）和黑曲霉（真菌中的霉菌）为菌种原料对竹原纤维抑菌性能的影响因素做了系统研究。采用吸收法对所制取的竹原纤维进行单因子试验，并通过计算抑菌率来评价其抑菌效果，研究对抑菌性能产生影响的因素。试验得出：回潮率、接种后培养时间及竹屑都对竹原纤维的抑菌性能有很大影响。
3 结语
当前粘胶纤维工艺已基本成熟，市场上所谓的竹纤维面料、服装也多是竹浆粕纤维产品或竹浆粕纤维混纺产品，同时由于大量使用化学助剂，导致所生产出的“竹纤维”发生改性，使其不再具有或基本不具备天然竹原纤维的优良特性。因此竹原纤维的技术发展趋势表现为：一是改善可纺性，这是竹原纤维应用的根本和前提；二是改善细度，向细旦或超细旦方向发展， 并改善均匀度，为纺高支纱打下基础；三是混纺，特别是与天然纤维、差别化化纤混纺，生产出具有特色的高档新型面料。在可预见的将来，竹原纤维、改性竹原纤维的制备和竹原纤维入纱纺织依然是纺织行业亟待解决的问题。不仅如此，竹原纤维的产业化还存在技术和市场两方面的风险，因为是一项新产品，其生产标准和质量标准有待探讨；新产品的问世，在消费者市场仍需要有一个认识和接受的过程，并且在价格上将受到价格相对低廉的化纤等产品的激烈挑战。
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引言
SMA路面混合料具有“三多一少”的特点，即粗集料多、沥青用量多、矿粉多及细骨料少，是一种具有间断级配的紧密嵌挤骨架密实结构的沥青路面面层，在高速路及城市主干道多有应用。使用性能优点在于具有强度高、耐磨耗、抗车辙能力强、抗疲劳开裂及良好的高低温稳定性。由碎石骨架和沥青玛蹄脂结合料组成，但造价较高。试验中采用纤维稳定剂对SMA路面的使用性能进行研究，以验证两种纤维稳定剂对SMA路面路用性能的影响。
SMA混合料试验及测试
1.试验准备
SMA路面必须采用纤维稳定剂，因为SMA使用较多的矿粉和沥青结合料，纤维具有加筋、分散、吸附及稳定和增粘等作用，可以防止沥青析漏目前，通常采用的纤维掺用量一般为沥青混合料总质量的0.3%，不高于1%，本次掺加量定位0.4%，并采用玄武岩矿物纤维和木质素纤维作对比。其中木质素纤维易受潮成团，应控制其含水率小于5%，试验测试其含水率为2%，并将其保持在干燥环境中，基本符合试验条件的要求。试验采用改性沥青，温度控制在150℃～160℃，控制油石比5.5%，采用石灰岩粗集料及石灰岩矿粉，按照标准马歇尔试验制作马歇尔试件。
2.试验数据及分析
经过室内系列实验，两种纤维分别采用做两组试件，每组做10个标准马歇尔试件，其中车辙为每组2个试件作对比，得到的试验数据取均值结果如表1所示。
由表1可知，各项测试指标均符合规范要求，掺纤维索后，SMA路面的使用性能均有所提高。掺木质素纤维的路面密度更小，但二者在性能方面却并不呈完全向一方的倾向优势。掺木质素纤维的SMA路面在干燥路面条件下，强度明显优于掺玄武岩矿物纤维的路面，以马歇尔稳定度来衡量；路面在湿润条件下，掺木质素纤维的SMA路面强度虽然仍旧比掺玄武岩矿物纤维效果好，但优势已经不够明显。在有水损害条件下，掺木质素纤维的SMA路面强度降低，而掺玄武岩矿物纤维的SMA路面强度却有所升高；掺木质素纤维的SMA材料抗剪切变形的能力远远低于掺玄武岩矿物纤维的SMA路面，二者相差达46.6%。对SMA沥青混合料轮碾成型后，进行车辙试验，结果发现车辙结果远高于规范要求，说明掺纤维素后确实对SMA路面的使用性能有较大影响，掺木质素纤维的SMA路面抗车辙能力比掺玄武岩矿物纤维效果差，二者相差高达52.4%。
含纤维素SMA混合料的施工建议
1.SMA混合料的结构特点
SMA组成结构比较特殊，具有以下特点：
（1）由于SMA粗集料较多，粗集料形成嵌挤作用，使得SMA路面具有高温抗变形能力、抗车辙的能力，能够适应重载交通
（2）SMA路面表面粗糙，构造深度大，抗滑性能好
3.矿粉含量高，增强了集料间沥青的粘结裹覆能力，为结构强度的稳定起到重要作用
（3）SMA混合料加入纤维稳定剂后，SMA路面抗低温、抗疲劳开裂性能得到提高，抗老化、抗水损害以及耐久性能均得到加强：
2.含纤维素SMA混合料的施工补充建议
（1）沥青混合料的拌制
沥青混合料的拌制以沥吉均匀裹覆集料为准，一般拌制不低于45s，本次施工对象为掺纤维的改性沥青SMA沥青混合料，拌合时间应延长5s以上，以保证纤维在混合料中充分分散、拌匀，SMA混合料限拌合后应当天使用。
（2）沥青混合料的运输
对于SMA混合料的运输，除正常运输外，如发现沥吉混合料沿车厢板滴漏时，应立即采取措施予以避免。
（3）沥青混合料的摊铺
摊铺机摊铺速度应缓慢均匀，速度放慢至1～3m/min，如发现混合料出现离析、波浪、裂缝、拖痕时，应予以消除。特别是本次油较多，应注意泛油现象。
小麦秸秆餐具耐高温。小麦秸秆餐具是通过小麦秸秆经过纤维提取、浆水混合后模压成型的一种可降解的新型环保餐具。具有耐高温、成本低，可降解，韧性好，不含重金属等特点。
小麦秸秆的主要成分有纤维素、半纤维素、木质素、聚糖醛酸、蛋白质及矿物质，其中纤维素、半纤维素、木质素的含量高达35%～40%。
秸秆餐具：
秸秆餐具是由小麦、芦苇、甘蔗等可再生植物秸秆经过纤维提取、浆水混合后模压成型的一种可降解的新型环保餐具。生产工程无毒无害、环保健康。该餐具环保一方面是利用了可再生的秸秆资源，解决了燃烧污染等问题；另一方面环保的意义是因为该餐具可以在自然状态下经过45-90天完全降解成有机质。另外该产品还具有防水、防油、可冷藏、可放在微波炉加热等特点，目前主要生产集中在中国的山东、浙江、广东等地。
秸秆餐具的生产、使用不仅仅解决了秸秆的综合利用，有效的减少了焚烧污染，还给当地农民创收打开了一条新的出路，属于国家鼓励倡导的可持续发展的产业。
（来源：文章屋网 ）
关键词：黑液综合利用 木质素磺酸钠 水质达标排放 经济效益 社会效益
我公司在加快推进师市新型工业化进程中，以科技为核心，以资源为纽带，不断加大产业结构调整力度，加大科技投入，实施节能提速技术改造和项目建设，产品质量稳步提升，企业实力不断增强。在完成黑液资源化治污环保工程建设，彻底实现达标排放的同时，着力实施碱木素及其衍生品木质素磺酸纳、高效减水剂的开发和生产取得成功。
碱法造纸所产生的草浆蒸煮黑液的主要成分是木质素及其衍生物，半纤维素以及残留在黑液中的碱。制浆黑液所含COD及色度污染约占造纸厂污染负荷的90%，所以制浆废液的治理是解决造纸厂排水污染的关键。
我公司主要是以芦苇及麦草原料碱法制浆，制浆黑液存在粘度大、硅含量高、发热量低等问题而难于治理。目前碱回收技术在草浆治理方面虽然有一定的进展，但回收率仍然较低（草浆黑液在70%以下，木浆黑液在95%以上），也无法对草浆黑液进行有效的治理。
近年来，国内多家造纸厂先后投产了一批生产木质素产品的工程装置。人们已经开始从单一的环境治理，逐渐认识到多种资源的合理利用。从纤维素类单一造纸业的生产过渡到多种产品的开发，多元的产品结构扩大了企业的生存空间，增强了竞争力，不仅达到了污染治理的目的，而且产生了良好的经济效益，使工厂走上可持续发展之路。
本着“开发适用新技术，提高资源综合利用率，将污染消除在生产过程中，实现清洁生产”的指导思想，公司采用国内先进成熟的工艺技术和设备，新增黑液提取、浓缩、蒸发、喷雾干燥、生产反应实验等设备，形成年处理30万吨造纸黑液的规模，生产出年产3.0万吨的木质素系列产品市场已逐步打开，在减少污染的同时使废液得到综合利用，提高环境效益，并产生可观的经济效益。
研究概况及成果
1、研究概况
我厂多年来一直使用碱法草浆蒸煮，蒸煮黑液的达标排放一直是困扰我厂的技术难题。随着社会对环保意识的不断加强，治理制浆造纸废水污染成为迫在眉睫的问题。近年来有很多企业从资源化入手，不仅把制浆造纸废液的污染问题从源头上解决了，而且还带来一定的经济效益。黑液资源化处理技术就是集治理与再利用为一体，在对造纸黑液污染进行有效治理的同时，又通过联产工艺技术，将其内部有效成分改造成可利用资源，为企业带来一定的经济效益。
2、研究结果
我公司为了适应生产要求，将原来的烧碱法制浆改为亚硫酸钠法制浆，亚硫酸钠是一种无机氧化性蒸煮助剂，在蒸煮中与木素起磺化作用，降解和溶出木素，同时将纤维素、半纤维素的还原性末端基氧化成羧基，起到抑制剥皮反应的作用。加之亚硫酸钠法制浆的蒸煮液碱性较弱（与烧碱法制浆相比），大大降低了纤维素和半纤维素在碱性条件下的剥皮反应和碱性水解。
亚硫酸钠蒸煮关键是保证磺化的顺利进行，防止缩合发生。根据木质素磺酸钠成品控制标准，采用碱性亚硫酸盐法蒸煮，控制PH值≥10，蒸煮液中包含亚硫酸盐离子（SO32-）和氢氧离子（OH-）或硫氢离子（SH-），有利于木质素的磺化反应，使木素溶解到蒸煮脱除木素比较容易。
木质素磺酸钠作为化工改性产品，可用于石油开采助剂和水泥减水剂的生产工艺技术。形成该项目完整的成套技术，成果的整体水平达到国内先进水平。并填补疆内空白。
木质素磺酸钠的技术指标及应用领域
1、技术指标
现在生产出的木质素磺钠产品为了能够满足后续加工的需要，现生产的木质素磺酸钠产品均满足下列指标：
木钠含量： ≥40%；
PH值： 9.0±0.5；
钙镁含量： ≤0.5%
氯离子含量：0.1%
容重： 0.40―0.55g/cm3
水不溶解含量≤4%
水分： ≤6%
2、应用领域
木质素磺酸钠因其含有较多的磺酸基和羧基等活性基团，具有较好的溶解性能及较高的表面活性和分散性能，具有助磨性好、表面活性高、分散性好、热稳定性高、高温分散稳定性好等特点。木质素磺酸钠是天然木质素改性产品，呈棕黄色粉末状物体，无毒可燃，化学稳定性好。
我国木质素磺酸钠制品主要用于普通混凝土减水剂、石油钻井液稀释剂、农药分散剂和矿粉粘合剂、耐火材料粘合剂等，只有少量经过精加工制成染料分散剂等高附加值产品。因此目前木质素产品品种仍较为单一，还有很多用途有待开发，因此今后木质素系列产品的开发、品质的提高和应用领域及市场的开拓将会带来新的经济增长点。为此公司已了建立新疆木质素产品研发中心，以促进木质素产品的研究开发与产业化，加速科学技术转化为生产力。
木质素磺酸钠的社会效益
关键词：纤维素；光合作用；葡萄糖；纤维素降解
中图分类号：G632 文献标识码： C 文章编号：1672-1578（2014）6-0260-01
1838年法国农业学家佩因（A. Payen）从植物中提取某种化合物时分离出一种物质，由于该物质是在破坏细胞组织后得到的，并且几乎在所有植物体内都存在，因此，佩因把它用cell（细胞）和lose（遭受破坏）合成了一个新名词，称为“cellulose”，意思是细胞“破裂”后的产物[1]。
地球上，植物通过光合作用，每年产生约1000亿吨纤维
素[2]，是地球上最重要的资源之一，将在后石油时挥更大的作用，将是一切化学工业的基础原料。
纤维素主要存在于棉花、树木、苎麻、亚麻、竹、草和花中，是植物细胞壁的主要组成部分，这些植物通过光合作用将空气中的二氧化碳和水转化为纤维素，其主要化学反应过程为[3]：
CO2+H2OCH2O+O2（反应条件：光能和叶绿体）
6H2O + 6CO2+阳光C6H12O6（葡萄糖）+6O2（与叶绿素产生化学作用）
H2O2H+2e-+1/2O2（水的光解）
NADP+ +2e-+H+NADPH（递氢）
ADP+Pi+能量ATP（递能）
CO2+C5化合物2C3化合物（二氧化碳的固定）
2C3化合物+4NADPHC3糖（有机物的生成或称为C3的还原）
C3（一部分）C5化合物（C3再生C5）
C3（一部分）储能物质（如葡萄糖、蔗糖、淀粉，有的还生成脂肪）
因此，植物合成纤维素的同时，还伴随合成木质素、半纤维素和淀粉等，不能产生纯纤维素。
事实上，除了植物外，动物界也产生纤维素，如被囊纲（Tunicata class）内有些海洋生物的外膜中就有动物纤维素（tunicin）。还有某些微生物也产生纤维素，如醋酸杆菌属、无色杆菌属（Achromobacter）、根瘤杆菌属（Rhizobium）、产碱菌属
（Alcaligenes）、八叠球菌属（Sarcina）、土壤杆菌属（Agrobacterium）、气杆菌属（Aerobacter）、固氮菌属（Azotobacter）和假单胞菌属（Pseudomounas），都能产生纤维素[4]，而且微生物合成的纤维素中99%是纤维素，基本上没有半纤维素和木质素。
这些微生物合成纤维素主要经历4个酶促反应步骤：（1）在葡萄糖激酶的作用下将葡萄糖转化为6-磷酸葡萄糖；（2）在变位酶作用下将6-磷酸葡萄糖通过变位作用转化为1-磷酸葡萄糖；（3）在焦磷酸化酶（UDPG）的作用下将1-磷酸葡萄糖转化为尿苷二磷酸葡萄糖（UDP-Glc）；（4）由纤维素合成酶将UDP-Glc合成为β-1，4-葡萄糖苷链，再装配形成纤维素[5]。
纤维素酶不仅能合成纤维素，在不同的生物环境下，也能分解纤维素。能产生纤维素酶的微生物可以将稻草、秸秆等植物经过初级水解和次级水解，把纤维素长分子链截断为小分子多糖，进一步分解为葡萄糖，供人类和动物食用后，代谢出水和二氧化碳，而这些水和二氧化碳正是植物光合作用的原料，在植物体内转化为葡糖糖和纤维素，整个循环如图1所示。
从图1上可以看出，植物利用太阳能将二氧化碳和水合成葡萄糖，是整个循环的关键，而太阳能才是地球上取之不尽、用之不竭的能源，其他诸如石油、天然气、煤炭等资源，按照人类当前消费速度，不出二百年，这些资源将枯萎甚至消失，太阳能是人类最可靠的能源，通过植物光合作用将太阳能固定，纤维素是主要的载体。因此，我们从中学阶段教育学生，要爱护植物，保护自然环境，通过植物实现地球上二氧化碳的循环，避免温室效应给地球带来的灾难，实现人类可持续发展。
参考文献：
[1]Brauns F E.The chemistry of Ligin[J].New York：Academic Press Inc.， 1852. 5.
[2]Astley O M，Chanliaud E， Donald A M， et al. Structure of Acetobacter cellulose composites in the hydrated state[J]. International Journal of Biological Macromolecules， 2001，29（3）： 193～202.[37]Tonouchi N， Tsuchida T，Yoshinaga F， et al. Characterization of the biosynthetic pathway of cellulose from glucose and fructose in Acetobacter xylinum. Bioscience Biotechnology and Biochemistry， 1996，60（8）：1377～1379.
[3]周云龙主编.植物生物学（第三版）[M].高等教育出版社，北京，2011.
