生物化工工艺毕业论文.doc

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1、安徽职业技术学院 毕 业 论 文( 2012届 )课题名称： 木质素的研究进展 专 业： 生物化工工艺 2012年3 月安徽职业技术学院毕业论文目录摘要2Abstract3第一章 木质素的结构和分类41.1 木质素的元素组成及结构41.1.1 木质素的元素组成41.1.2 木质素的结构41.2 木质素的化学特性41.3 工业木质素4第二章木质素的工业应用领域52. 1 木质素在化肥领域的应用52. 2 木质素在高分子材料中的应用62. 2. 1 在橡胶工业中的应用62. 2. 2 在塑料工业中的应用72. 2. 3 在聚氨酯工业中的应用72. 2. 4 在黏合剂方面的应用82. 3 木质素吸附

2、剂92. 4 小结11第三章 木质素在生物科技方面的发展113.1 木质素降解菌株和降解酶的研究113.2 木质素合成的基因调控研究133.3 其他酶和小分子物质的研究143.4 小结15第四章 展望与总结16参考文献：17致谢21木质素的研究进展摘要 :介绍了木质素的来源、 元素组成、 化学结构及分类 ,综述了木质素在农业、 高分子化学及吸附剂领域的研究现状 ,对木质素应用研究的未来趋势行了分析和论。人类利用木质素已有几千年的历史 ,真正开始研究木质素则是在 1930年以后 ,而且至今木质素还没有得到很好的利用因此 ,有效利用木质素 ,减少环境污染已成为当前研究的热点和难点问题。目前 ,对木

3、质素的利用已积累了一些技术和方法 ,但利用率不足 10% ,大部仍以废物形式排出 ,污染环境 ,浪费资源。随着人们对生态环境问题的日益重视 ,木质素的利用将成为人类“ 可持续发展战略 ”的一个重要组成部分 ,并形成环保节能、 自然资源的综合利用及闭路循环技术等涉及多个方面的一项系统工程。对生物法处理木质素进行了简要概述，包括微生物降解、生物法酸析提取木质素以及生物法纯化木质素的效果及其研究进展。生物法处理木质素对资源的合理利用、经济的发展以及环境保护具有重要的意义。关键词 :木质素 ;生物有机肥;吸附剂 ;高分子 ;超分子; 木质素微生物降解生物法纯化Presence Situation of

4、 Research on LigninAbstract:The recent research progressof lignin application in industry is summarized, including the source of lignin, elemental compo2sition, chemical structure, classification, application of industrial lignin in bio2fertilizer, adsorptionmaterial and polymer .In addition,the fut

5、ure trends of lignin application involved are analyzed and discussed. In this paper , we summarized the present knowledge on wood rot fungi , ligninolytic enzymes , the gene engineering of ligninsynthezation , and the effects of low - molecular compound.Key words: lignin; bio2fertilizer; adsorption;

6、 macromolecule; super molecule; lignin; white rot fungi ; ligninolytic enzymes; gene engineering第一章 木质素的结构和分类1.1 木质素的元素组成及结构1.1.1 木质素的元素组成木质素的元素组成为碳、 氢、 氧及氮 ,因来源、 处理工艺的不同 ,木质素的元素组成往往会存在一些差别1。木质素是一种复杂的、 非结晶性、 三维网状酚类高分子聚合物。1.1.2 木质素的结构通常认为 木质素的基本结构单元是以苯丙烷为主体的 3种基本结构:愈创木基丙烷、 紫丁香基丙烷和对羟苯基丙烷。它们由苯丙烷基单元 (C6

7、-C3)经碳碳键和碳氧键相互连接耦合而成 ,是具三维空间结构的复杂无定型高聚物。1.2 木质素的化学特性木质素的结构单元上连有各种功能基团2，如分子中含有酚羟基、 醇羟基、 甲氧基、 醛基、 酮基、 羧基等活性基团 ,可以发生氧化、 还原、 磺甲基化、 烷氧化、烷基化等改性反应 ,为工业利用提供3，可能木质素分子的可再生、 可降解和对环境无毒等特点 ,决定了其在现代工业中的用途。木质素在化学性质上具有不稳定性 ,通过对木质素结构的化学修饰 ,可改善化学反应活性 ,或经聚集态改性 ,改变或消除生物材料中的氢键 ,改变其聚集态结构 ,再通过重新形成新的氢键和化学键 ,得到不同结构的化学产物 ,实现

8、在分子水平甚至超分子水平上优化木质素材料性能4。不同的木质素一般所具有的官能团种类和数量不同 ,因此其化学活性和类型也不同。1.3 工业木质素主要分为以下几大类5:1) 水解木素:其溶解性和反应活性很低 ,大部分已发生缩合 ,用途受到限制;2) 碱木素:来自硫酸盐法、 烧碱法、 烧碱蒽醌法等制浆过程 ,可溶于碱性介质 ,具有较低的硫含量和较高的反应活性 ,用途较广; 3) 木素磺酸盐:主要来自传统的亚硫酸盐法制浆和其他改性的亚硫酸盐制浆过程 ,其硫含量高 ,应用途径广泛; 4) 其他制浆工艺的木素:如 Al2cell木素 (溶剂法制浆 )、 乙酸溶剂木素(来源于乙酸蒸煮 )、 醚蒸煮木素和蒸汽

9、爆破木素(如 iotech木素和 angiolin木素 )。第二章 木质素的工业应用领域2. 1 木质素在化肥领域的应用木质素作为土壤改良剂和肥料的研究已有较大的进展。木质素分子是腐殖酸的来源之一 在土壤中降解之初 ,随着甲氧基含量的减少 ,酚羟基的含量逐渐增加 ,并与氨基酸或肽缩合 ,生成腐殖酸。实验表明 ,木质素降解中间产物的醌结构在碱性介质中发生反应 ,以开环方得到二元羧酸 ,它们是木质素降解产物构成腐殖酸的模型物质6。在硫酸盐法蒸煮中 ,木质素发碱化断裂和硫化断裂反应 ,还发生一定程度的缩合反应 ,反应中生成的酚羟基和羧基有一定螯合能力 ,这就为用木质素制备螯合微肥提供了可能性。木质素

10、是一种可完全生物降解的天然高分子材料 ,但立体网状分子结构的存在大大延缓了其降解过程。因此 ,如果通过一定的反应将氮元素接在木质素的苯环上 ,再施加到土壤中 ,氮元素不会立即释放 ,而是随着木质素分子的降解而缓慢释放出来 ,成为一种新型的缓释氮肥7。莫海涛等8将木质素进行固氮菌的体发酵 ,制备生物肥料。结果表明 ,麦草木质素中添加适量的玉米秸秆粉末作疏松剂 ,作为一种固态发酵良好的载体 ,可以改善空气屏障率 ,有利于热和氧的传递。木质素载体还可固态发酵稳定 pH值 ,适当增加其含量有利于促进微生物的生长。江启沛9等关于木质素吸附总氮和氨态氮含量的研究结果表明 ,过氧化氢氧化氨解草浆木质素的最佳

11、工艺是 :反应温度 120 ,反应时间 90 min,氨水质量分数20% ,最佳 pH值 810,过氧化氢质量分数 20%,木质素质量分数 10%。得到的氨化产物总氮 11. 62%、氨态氮 4. 12%、 有机结合氮 7. 50%;氨化产物的 pH值调节到 4,总氮含量会提高到 16. 02%;红外光谱分析过氧化氢氧化氨解草浆木质素 ,光谱图上出现了明显的 CN和 NH伸缩振动峰 ,而且芳环峰由于氮元素的引入而遭到破坏并变弱。肖传绪10等用木质素作为包膜材料包裹尿素进行了缓释效果研究。结果表明 ,将颗粒尿素用木质素包裹并且用 NBPT(正丁基硫代磷酸三胺 )进行处理 ,可以减缓尿素的释放 ,

12、进而提高肥料的利用率。这种肥料 ,从化学成分上来说是有机 2 无机复合肥 ,从功能上来说是缓释肥料。NBPTLPU可以成为一种有应用潜力的缓 /控释肥料新品种 ,开辟了木质素利用的新途径。杨益琴11等研究了麦草木质素磺酸钠制备缓释氮肥。结果表明 ,麦草亚硫酸盐 2 甲醛 2 蒽醌法制浆的木质素磺酸盐改性尿素的最佳条件为:1) 温度 70 、 pH = 4、 时间 4 h、 w (尿素 ) w (木质素 ) =1. 6 1. 0,改性后木质素磺酸盐产品总氮质量分数 6. 13% ,氨态氮质量分数 0. 48%;2) 改性后与木质素结合的氮 , 90%以上为有机结合氮 ,具有缓释性能;3) 尿素改

13、性木质素 ,影响有机结合态氮含量的因素主要为反应温度和反应的初始 pH值。2. 2 木质素在高分子材料中的应用2. 2. 1 在橡胶工业中的应用木质素分子间存在着较强的氢键 ,在天然橡胶中加入木质素 ,其分子中的酚基和羧基与用作防老剂的胺类和醛类反应 ,交织成网络 ,且较坚韧 ,从而表现出良好的补强能力。在许多橡胶中通过改性 ,木质素可以与炭黑的补强水平相媲美12。王筱捷等13研究溶剂型木质素改性三元乙丙橡胶发现 ,木质素 2 纳米 SiO2复合材料中 ,木质素可以作为纳米Si O2的表面改剂 ,通过对 SiO2表面进行包覆 ,阻碍纳米 SiO2的团聚。高沸醇木质素接枝马来酸酐 2纳米 SiO

14、2复合物和酶解木质素 2 纳米 Si O2复合物补强的乙丙橡胶 ,扯断伸长率分别达到 399. 71%和354. 43% ,硬度、 密度均有不同程度的提高 ,且具有较好的耐老化性能。2. 2. 2 在塑料工业中的应用塑料工业每年都需要使用大量的填充物和增强剂 ,改进配合技术并应用木质素作为新偶联剂后 ,可以减少树脂在产品中的比例 ,经济效益可观。而且 ,塑料中填充木质素可以改变塑料的物理性能 ,如冲击韧性、 耐热性和成型加工性等 ,从而提高聚合物的综合性能。通过对木质素的改性 ,如增加双键官能团等 ,可使木质素和树脂通过自由基聚合而结合在一起 ,从而改善混合物的性能14。黎先发等15研究了增容

15、剂低密度聚乙烯与马来酸酐的接枝共聚物LDPE2g2 MAH对木质素 /聚乙烯吹塑薄膜形貌与性能的影响发现 ,1) 加入增容剂可改善木质素 /低密度聚乙烯的热塑性 ,得到性能优良的复合薄膜 ; 2)增容剂 LDPE2g2 MAH的加入改变了分散相与基体材料的界面张力 ,提高了木质素 /低密度聚乙烯共混体系的相容性 ,木质素分散相分散更加均匀 ,样品的微观形貌、 热稳定性、 流变性能和力学性能都优于未加增容剂的共混体系; 3) 增容剂的添加量有一个最佳值 ,增容剂使用过多不利于分散相的均匀分散 ,并且会增加产品成本。2. 2. 3 在聚氨酯工业中的应用聚氨酯材料工业发展速度非常快。聚氨酯因其性能独

16、特 ,在国民经济各领域得到了广泛的应用16。由于木质素的结构特性而改性引入新官能团 ,可以得到更优质的聚氨酯材料。李燕等17对乙酸木质素取代部分聚合二元醇生产聚氨酯泡沫进行了研究 ,考察了乙酸木质素添加量对聚氨酯泡沫密度、 回弹性、 压缩性及热稳定性的影响。结果表明 :1) FT2I R和13P2 NMR谱图分析发现 ,乙酸木质素具有大量的羟基 (酚羟基和醇羟基 ) ,可以与异氰酸酯反应 ,生成氨基甲酸酯结构。有可能利用乙酸木质素替代部分或全部的多元醇制备聚氨酯泡沫。2)随着乙酸木质素添加量的增加 ,聚氨酯泡沫的密度随之增大。在乙酸木质素添加量小于 20% (相对多元醇质量 )时 ,含水率高于

17、未添加乙酸木质素的聚氨酯泡沫 ;在乙酸木质素添加量大于 20%时 ,含水率有所下降。聚氨酯泡沫的回弹性随乙酸木质素添加量的增加而降低。3) 添加乙酸木质素后 ,聚氨酯泡沫压缩强度和密度的比值有所升高。当乙酸木质素添加量为 20%时 ,压缩强度和密度的比值最大 ,为 0. 09(kPa m3) /kg,此时压缩模量达到最大值164. 4 kPa;当乙酸木质素添加量大于 20%时 ,压缩模量下降。4) 乙酸木质素部分取代聚乙二醇为原料合成的聚氨酯泡沫具有较好的耐热性。2. 2. 4 在黏合剂方面的应用木质素在黏合剂方面的应用历史悠久。木质素本身作为胶粘剂 ,效果欠佳 ,并有很多弊端。木质素与其他原

18、料混合 ,或替代原有成分 ,对树脂进行改性。对于木质素胶粘剂的研究大都集中在木质素 2酚醛 (LPF)树脂胶粘剂、 木质素 2 脲醛 (LUF)树脂胶粘剂、 木质素 2 三聚氰胺 2 甲醛 (LMF)树脂胶粘剂、 木质素 2 聚氨酯 (LPU ) 胶粘剂以及环保木材胶粘剂18。杨连利等19从造纸黑液中回收提取木质素制备黏合剂。研究结果表明:1) 木质素制备黏合剂最佳条件为 m (滤液 ) /m (苯酚 ) =0. 5,m (甲醛 ) /m (苯酚) =2. 5,采用程序升温法控温。最佳条件下合成的黏合剂的黏度为 42MPa s,黏结强度为 2. 7MPa; 2)酚醛胶与骨胶质等比进行共混时 ,

19、混胶的综合性能最佳 ,黏度为 61 mPa s,黏结强度为 9. 9 MPa。刘纲勇等20研究了加入尿素对 LPF胶粘剂的胶粘强度、 游离甲醛含量、 固化时间和黏度等性能的影响及其作用机理。结果表明 :1) 尿素的加入可提高 LPF胶粘剂的胶粘强度 ,降低其游离甲醛含量、 固化时间、 黏度以及表面张力。2) 加入的尿素与 LPF胶粘剂中的游离甲醛反应生成了脲醛树脂 ,导致 LPF胶粘剂中游离甲醛含量低。新生成的脲醛树脂的羟基与 LPF胶粘剂的羟基随着 LPF胶粘剂再固化而发生缩合 ,有利于胶粘强度的提高。2. 3 木质素吸附剂随着对木质素化学性质研究的深入 ,各种工业木质素及其改性产物表现出了

20、良好的吸附性能 ,可用于吸附重金属阳离子 (如 Cd2 +、 Pb2 +、 Cu2 +、 Zn2 +、Cr3 +等 )及水中的阴离子、 杀虫剂、 染料等。木质素分子中含有的甲氧基、 羟基和羰基可作为金属离子的吸附位点。蒸煮后的木质素产生了更多的酚羟基或磺酸基 ,生成的这些基团中的氧原子上未共用电子对与金属离子外层空轨道配位 ,生成木质素 2 金属螯合物 ,实现了对金属离子的吸附21。朱媛媛等22研究了木质素基吸附材料吸附性能 ,得出结论 :1) 综合考虑吸附材料对亚甲基蓝吸附量和液体石蜡回收率两方面因素 ,确定最佳的反应条件为:木质素磺酸钠溶液质量分数为 50% ,盐酸浓度为3 mol/L,甲

21、醛用量为木质素磺酸钠质量的 9% ,分散剂 A用量为有机相质量的 2% ,相比为 3 1,反应温度为 90 ,反应时间为 1. 5 h。2) 木质素基吸附材料对阳离子染料亚甲基蓝表现出较好的吸附性能 ,木质素基吸附材料对亚甲基蓝吸附速度较快 ,吸附 45 min左右就基本上达到平衡吸附 ,吸附率超过98%。温度达到 30 左右吸附量最大。当木质素吸附材料对亚甲基蓝的吸附量达到 17. 71 mg/g后 ,吸附趋向饱和。蒋新元等23以木质素磺酸钠为原料 ,利用反相悬浮聚合技术制备木质素基树脂及其对重金属离子的吸附性能。发现 ,以液体石蜡为分散相 ,以盐酸为催化剂 ,通过反相悬浮聚合反应 ,合成了

22、粒径均匀的木质素基球形树脂。优化的聚合条件为:木质素磺酸钠溶液质量分数为 50% ,相比为3 1,分散剂占有机相的质量分数为 2% ,温度为90 ,盐酸浓度为 3 mol/L,甲醛含量为木质素磺酸钠质量的 9%,聚合时间为 2 h。30 时 ,木质素树脂对溶液中 Pb2 +、 Cd2 +的饱和吸附量分别约 33. 652 3 mg/g和 30. 120 0 mg/g。木质素基树脂含有羟基和磺酸基等含氧基团 ,利于它对重金属的吸附。木质素基树脂的比表面积为 0. 096 3 m2/g、 孔容为 0. 002 389 cm3/g、 平均孔径为 99. 220 8 nm,表明该树脂具有大孔树脂的结构

23、特点。这种化学改性后的新型木质素材料能作为一种固体吸附剂。张夏红等24研究了 4 种不同木质素及其衍生物对酶的吸附。结果表明 , 4种木质素类吸附剂都可以吸附菠萝蛋白酶和木瓜蛋白酶。被木质素吸附后 2种酶都还有活性 ,活性大小的顺序均为:高沸醇木质素胺 高沸醇木质素酚 高沸醇木质素 木质素树脂。菠萝蛋白酶和木瓜蛋白酶被高沸醇木质素胺和高沸醇木质素酚吸附时能依然保持着较高的活性 ,说明酶和高沸醇木质素及其衍生物之间的相互作用是一种超分子作用 ,这种作用对高沸醇木质素及其衍生物作为菠萝蛋白酶、木瓜蛋白酶的浓缩吸附剂或固定化酶的载体提供了重要的先决条件。张淑珍等25研究了木质素对 Cr()的吸附 ,

24、包括平衡吸附、 吸附动力学和对吸附的影响因素 (如 pH值、 吸附剂用量、 初始 Cr()浓度、 离子强度及其他金属离子干扰 ) ,并用含 Cr()废水测试木质素吸附能力。结果表明 ,随着pH值的增加 ,木质素吸附的量也增加。这表明木质素对 Cr()的吸附主要是通过离子交换机制进行的。离子强度的独立性表明 , Cr()与木质素主要形成内球络合物。吸附过程遵循伪二级动力学 ,并且平衡数据可以很好地符合 Langmuir表面等温线。此外 ,木质素成本低、 吸附容量高 ,表明它确实具有很大的潜力 ,成为一种去除工业污水中 Cr()的吸附剂。2.4 小结目前 ,对木质素的利用已积累了一些技术和方法 ,

25、但利用率不足 10% ,大部仍以废物形式排出 ,污染环境 ,浪费资源。随着人们对生态环境问题的日益重视 ,木质素的利用将成为人类“ 可持续发展战略 ”的一个重要组成部分 ,并形成环保节能、 自然资源的综合利用及闭路循环技术等涉及多个方面的一项系统工程。木质素是人类可再生资源物质之一 ,木质素的应用除了本文所述之外 ,它还可分解为小分子产物生产乙醇等燃料;用于制作水煤浆添加剂、 分散剂、 混凝土减水剂、 泥浆处理剂和油井缓凝剂等;木质素在砂模黏合剂、 型砂流动性改善剂等方面也有用武之地。因此 ,对木质素的研究应该不断地深入下去 ,以期进一步提升木质素的价值 ,使其在现代工、 农业生产中得到充分的

26、利用。第三章 木质素在生物科技方面的发展3.1 木质素降解菌株和降解酶的研究在木质素的自然降解中 ,降解能力最强的是白腐菌 ,此外还有褐腐菌、 软腐菌以及细菌。白腐菌为丝状真菌 ,因腐生在木材上引起木材的白色腐朽而得名。白腐菌降解木质素是发生在次级阶段的 ,在主要营养物质(碳 ,氮 ,硫等) 受限制条件下启动降解系统。白腐菌能分泌氧化性酶到细胞外 ,在催化氧化过程中形成自由基 ,攻击木质素结构 ,能把复杂的木质素高分子一直降解为 CO2和 H2O ,只有白腐菌在纯培养条件下能将木质素矿化 ,而褐腐菌 ,软腐菌和细菌对木质素的降解是不彻底的。自然界中 ,很多真菌和细菌形成的微生物群落可有效地降解

27、木质素 ,单一菌株的作用比混合菌株明显减弱。目前 ,白腐菌降解木质素研究中所用到的多为烟管菌属(Bjerkandera sp. ) ,香菇菌属(Lentinula sp. ) ,平革菌属( Phaner2ochaete sp. ) ,侧耳属 ( Pleurotus sp. ) 和栓菌属 ( Trametes sp. ) 等中的一些菌种 ,黄孢原毛平革菌( Phanerochaete chrysosporium)是研究所用较为广泛的模式菌株26。白腐菌对木质素的降解主要通过三种酶来完成 :木质素过氧化物酶(Lignin peroxi2dase ,LiP) 、 锰过氧化物酶 (Manganese

28、- dependent peroxidase ,MnP) 、 漆酶(laccase) 。并不是所有的白腐菌都能分泌这三种酶 ,如黄孢原毛平革菌只分泌 LiP 和 MnP。迄今为止 ,利用LiP,MnP和漆酶作用木质素仍是木质素降解的最主要手段 ,但由于白腐菌所产酶量有限及酶活较低的局限性 ,仍不能大规模应用到工业生产中。LiP 是一系列含 Fe3 +、 卟啉环和血红素附基的同工酶 ,能以 H2O2 为电子受体氧化富含电子的酚型或非酚型芳香化合物。电子传递体攻击木质素时 ,它能从苯酚或非酚类的苯环上夺取一个电子 ,将其氧化成自由基 ,然后以链式反应产生许多不同的自由基 ,导致木质素分子中主要键断

29、裂。MnP也是血红素过氧化物酶 ,能够氧化酚型木质素 ,MnP在 H2O2 的启动下 ,氧化Mn2 +为Mn3 +,然后后者进一步氧化各种酚型化合物。漆酶是最早被发现的木质素降解酶 ,大多分布在担子菌 ( Basidimycetes) ,多孔菌 ( Pol2yporus) ,柄孢壳菌( Podospora)等中。漆酶是以 O2为电子受体的含铜单电子氧化酶。其作用是使固体木质素的羧基增加而成为水溶性的状态 ,易于接受后续酶的作用 ,漆酶同时还有解聚木质素的作用。因此降解木质素和难处理的污染物时 ,白腐菌借助 H2O2激活 ,形成具有高度活性的自由基中间体 ,由酶启动一系列反应 ,促使底物氧化27

30、。现在 ,国内外对白腐菌所产生的重要木质素降解酶的cDNA 进行了克隆和测序 ,研究 LiP 和 MnP 的同质、 异质表达和调控机制。已发现黄孢原毛平革菌有 15 种LiP同工酶 ,且同源性很高。现已建立 LiP 基因组的物理图谱 ,发现 LiP 序列排列紧密且高度保守28-29。实验发现 ,胞内次级信号分子cAMP的浓度在进入次级代谢时迅速升高 ,LiP 酶活性也伴随上升30。氧是LiP产生的限制因素 ,高氧环境引起自由基积累对LiP合成是必须的31。3 个 MnP 同工酶基因测序完成 ,MnP含有 6 个或 7 个内含子 ,且位置保守32-33。MnP 在转录水平受 Mn2 +,热休克及

31、氧胁迫调控34。至今 ,大约 20 种漆酶基因已完成克隆。降解木质素的细菌主要有放线菌 ,如链霉菌 ( Streptomy2ces) 、 节杆菌(Arthrobacter) 、 小单孢杆菌( Micromonospora) ,还有非丝状细菌 ,如不动杆菌属(Acinetobacter sp. ) 、 黄杆菌属( Fla2vobacterium sp. ) 、 微 球 菌属 ( Micrococcus sp. ) 、 假 单 胞 菌属( Pseudomonas sp. )等属的菌株。其中链霉菌和假单胞菌属的降解能力较强35-36。这些菌株通过产生的木质素降解酶作用 ,使木质素结构发生部分改性 ,

32、增溶等作用降解木质素为低分子量的聚合木质素片段。细菌在初级阶段降解木质素有利于后续真菌的有效降解。研究人员对绿孢链霉菌产生木质素降解酶的主要调控因子进行了研究37,发现在高氮低碳条件下 ,细菌产酶能力较。在含有木质素的降解基质中加入易降解物质(如低糖) ,可加速木质素的转化。另外 ,加入适量的表面活性剂 ,Mn2 +, Cu2 +有利于产酶和降解。随着白腐菌在造纸工业和处理环境污染的应用前景看好 ,白腐菌的研究越来越深入 ,白腐菌制品会逐渐产业化 ,商品化。3.2 木质素合成的基因调控研究目前 ,通过转基因技术调控植物木质素的含量和组成 ,培养木质素含量低的转基因新品种以达到减轻造纸废水污染和

33、降低造纸成本的目的。木质素生物合成途径上的基因调控的步骤大致如下 :首先找到木质素合成的生物酶并将其分离出来 ,分析蛋白质氨基酸序列 ,找到功能基因外显子的编码序列 ,用脓杆菌介导或基因枪直接转移的方法将构建的反义基因导入细胞中 ,从而获得突变体38。现在转基因植物的研究主要关系到以下几种酶 :苯丙酸途径上的苯丙氨酸裂解酶(PAL) ,肉桂酸 4 羟基化酶(C4H) ,4 香豆酸辅酶 A连接酶(4CL) ;木质素单体特异合成相关的咖啡酸 O 甲基转 移 酶 ( COMT) , 咖 啡 酰 辅 酶 A O 甲 基 转 移 酶(CCoAOMT) ,阿魏酸 5 羟基化酶(F5H) 以及木质素特异合成

34、下游的还原酶 :肉桂醇脱氢酶(CAD)和肉桂酰 辅酶 A 还原酶(CCR) 。陈建荣41和赵华燕42等对不同酶受抑制的转基因植物的研究作了归纳 ,如表 1:表 1 不同酶受抑制的转基因植物木质素含量变化及生长情况 由此可见 ,C4H,COMT,F5H与 S型木质素的形成紧密相关 ,而 CCoAOMT 与 G型木质素的形成较密切。C4H,4CL ,CCoAOMT,F5H和 CAD 受抑制的转基因植物有利于造纸工业木素的分离 ,其中以抑制 CCoAOMT活性的效果最佳。木质素的生物合成是多途径的 ,途径间存在相互交叉和替换 ,而且不同植物实验结果也有很大差异。现在木质素合成的基因调控还处于实验阶段

35、 ,未种植成林 ,需要对转基因植物进行稳定性评估 ,同时也要注意木质素含量降低程度不能有损于植物的水分输导系统和支持系统。3.3 其他酶和小分子物质的研究在木质素的生物降解中 ,LiP 和 MnP 一直被认为是木质素降解的关键性酶 ,一些学者认为其他酶类或因子参与也是必须的。刘稳等以大豆种皮过氧化物酶 (SHP) 替代 LiP 和MnP 对木质素进行氧化作用。SHP 在水相系统中对工业木素和天然木素无降解作用 ,但在微水(90 %二氧六环) 有机相中 SHP对天然木素有部分解聚作用43。其他酶类对木质素降解的研究进行的很少 ,且效果不是很明显。木质素生物降解体系中除大分子酶外还有起重要作用的小

36、分子非酶物质的参与44-45,羟基自由基 ,铁离子 ,草酸 ,锰离子 ,藜芦醇等分子质量小 ,具有超强的渗透力 ,可以打开木质素降解酶进入木材纤维层的 S2 通道。通过对小分子介体作用机理的研究 ,有望寻找木质素新的降解途径。二价铁离子及 H2O2 参与了高反应活力的羟基自由基产生的反应 ,羟基自由基可启动木材中纤维素的解聚反应46。在白腐菌和褐腐菌中得到一种小分子物质 ,能还原三价铁离子为二价铁离子 ,且强烈吸附二价铁47。草酸作为一种酸可直接攻击木材中的纤维素和半纤维素 ,还可以还原三价铁离子为二价铁离子 ,二价铁离子再与 H2O2 反应生成羟基自由基。草酸在LiP系统中和 MnP系统中作

37、用不同。在LiP系统中草酸通过还原藜芦醇阳离子自由基而抑制 LiP 对藜芦醇的氧化作用 ,最终抑制木质素降解作用48-49。在 MnP 系统中 ,草酸可作为不稳定的 Mn3 +的螯合剂 ,Mn3 +可氧化木素 ,MnP 对Mn2 +的氧化作用依赖于有机酸的存在。草酸在 MnP 系统降解木质素起着积极的作用。藜芦醇是 LiP 的底物 ,在液体培养条件下 ,加入藜芦醇会提高 LiP 的活力 ,还可促进14C - 木素的矿化作用。3.4 小结木质素是人类可再生资源物质之一 ,使木质素变废为宝有着深远的意义。在造纸方面 ,白腐真菌的木质素降解酶在生物制浆和纸浆生物漂白的应用 ,不仅降低化学用品的用量和

38、能源消耗 ,又保护了环境。研究发现 ,白腐真菌的 MnP 和漆酶对多种化合物 ,如 :多环芳烃、 氯酚类化合物、 多联苯化合物、 染料、 农药等都有一定的降解作用。此外 ,木质素作为堆肥 ,新型高分子材料上也有诱人的前景。目前 ,工业木质素的利用率不足 10 % ,大部分都作为废物排出 ,污染环境 ,浪费资源。因此 ,对木质素的研究应该不断深入下去 ,使木质素在工农业生产中充分被利用。第四章 展望与总结木质素是植物细胞的胞间层和次生壁之间的主要填充物 ,在木材中的含量为 25 %30 %。木质素在陆生植物中是含量仅次于纤维素的第二大天然有机化合物 ,也是自然界中唯一能提供可再生芳基化合物的非石

39、油资源。由于木质素具有高硬度 ,水不溶性 ,难降解以及多酚类物质的化学特性 ,它在植物体中起着极其重要的作用 ,如 :支持植物体 ,水分输导以及增强抵抗病虫害的能力。木质素在不同植物以及植物的不同生长时期含量和结构都不是固定不变的。其组成结构和空间结构的复杂性 ,无序性给木质素降解研究带来极大的困难。木质素主要由碳 ,氢 ,氧三种元素组成 ,还有极少量的氮 ,是由苯基丙烷类化合物通过醚键和碳碳键形成的具有复杂三维结构的天然酚类聚合物 ,苯丙氨酸经过一系列的脱氨基 ,羟基化 ,甲基化和氧化还原等过程转化为木质素单体(对羟苯基 ,紫丁香基 ,愈创木基) ,并最终在针叶木、 阔叶木和草类等木质纤维素

40、物质中形成三种木质素单体含量差别很大的木质素组分1。木质素中对羟苯基木质素(H) ,紫丁香基木质素(S) ,愈创木基木质素(G)组成含量的不同对木质素的应用有很大影响。迄今为止 ,天然木质素的具体结构还无法确定。木质素是自然界中含量仅次于纤维素的复杂天然高分子化合物原料 ,广泛存在于高等植物细胞壁中木质素来源广泛 ,是制浆造纸工业的主要副产物 ,也是木材水解工业中不可缺少的副产物 ,是重要的可再生资源之一。制浆造纸工业每年要从植物中分离出大约 114亿 t纤维素 ,蒸煮废液中产生的工业木质素有 5 000万 t。若不对其充分利用 ,就会成为工业中的主要污染源 ,既严重污染环境 ,又造成资源浪费

41、。而且 ,木质素在自然条件下不易降解 ,造成土壤、 水等的严重污染 ,影响陆地生态系统。人类利用木质素已有几千年的历史 ,真正开始研究木质素则是在 1930年以后 ,而且至今木质素还没有得到很好的利用因此 ,有效利用木质素 ,减少环境污染已成为当前研究的热点和难点问题。参考文献：1 郑大锋 ,邱学青 ,楼宏铭. 木质素的结构及其化学改性进展 J .精细化工 , 2005, 22(4) : 2492 252.2 邱卫华 ,陈洪章. 木质素的结构、 功能及高值化利用J .纤维素科学与技术 , 2006, 14(1) : 522 59.3 岳 萱 ,乔卫红 ,申凯华 ,等. 曼尼希反应与木质素的改性

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