纖維素超分子結(jié)構(gòu)及其降解過(guò)程的表征分析.pdf

1、木質(zhì)纖維素是植物細(xì)胞壁中的主要成分,其中包含纖維素、半纖維素和果膠質(zhì)。在植物細(xì)胞壁中,纖維素構(gòu)成細(xì)胞壁的骨架結(jié)構(gòu),以高度結(jié)晶的有序結(jié)構(gòu)微纖絲狀態(tài)存在于細(xì)胞壁中。細(xì)胞壁如此復(fù)雜的天然結(jié)構(gòu),形成了多種保護(hù)機(jī)制,其抵抗微生物以及酶降解的各種防御措施形成了植物的“抗降解屏障”,這給木質(zhì)纖維素的綜合利用帶來(lái)極大困難。
　　纖維素是以β-1,4-糖苷鍵連接而成的簡(jiǎn)單超分子化合物,但其超分子結(jié)構(gòu)卻非常復(fù)雜,由于其結(jié)構(gòu)層次未加闡明,所以是何種因素

2、限制酶解速率一直以來(lái)都是一個(gè)極具爭(zhēng)議的科學(xué)問(wèn)題。近年來(lái),由于結(jié)構(gòu)測(cè)定技術(shù)的迅速發(fā)展,初步建立了從米(100m)到納米層次(10-9m)的表征手段,建立了相關(guān)微纖絲合成的模塊。但是仍未系統(tǒng)全面分析不同層次下天然異質(zhì)性纖維素的變化,仍未說(shuō)明酸解、酶解、菌體以及天然生境中纖維素超分子結(jié)構(gòu)的降解變化,因此本文基于天然纖維素不同層次的整體測(cè)定技術(shù),比對(duì)局部超微結(jié)構(gòu)的分析,引入切片技術(shù)分析異質(zhì)性纖維細(xì)胞壁內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化,闡明纖維素超分子結(jié)構(gòu)降解過(guò)程變

3、化。
　　獲得的主要進(jìn)展如下:
　　1、利用聚合度測(cè)定、氫鍵強(qiáng)度測(cè)定、結(jié)晶度測(cè)定以及可及度測(cè)定全面系統(tǒng)表征整體結(jié)構(gòu)的變化,區(qū)分了纖維素超分子結(jié)構(gòu)一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)及四級(jí)結(jié)構(gòu)層次,建立了相關(guān)層次與整體結(jié)構(gòu)信息的關(guān)系。應(yīng)用超分子結(jié)構(gòu)表征方法結(jié)合切片表征分析異質(zhì)性的纖維素超分子結(jié)構(gòu),提出纖維素微纖絲為作為三級(jí)結(jié)構(gòu)的基本單元,其不同堆積排列方式(四級(jí)結(jié)構(gòu))的空隙僅為7nm左右,明顯限制了5-7nm游離酶分子的有效擴(kuò)散,微纖絲的緊密堆積

4、形成了限制游離酶系降解的天然屏障,使得酶解過(guò)程僅發(fā)生在植物細(xì)胞壁的表面。相對(duì)酸解過(guò)程,由于H+的大小在1(A)以下,可以在微纖絲孔隙中自由擴(kuò)散,因此可以對(duì)內(nèi)部微纖絲非晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行降解,使得纖維素的結(jié)晶度上升。
　　2、通過(guò)熱纖梭菌(Clostridiem thermocellum)以及牛瘤胃天然生境系統(tǒng)中的微生物去對(duì)結(jié)晶纖維素類底物進(jìn)行的降解分析發(fā)現(xiàn),這些厭氧細(xì)菌對(duì)微纖絲的降解模式與酸解、酶解明顯不同,它們可以針對(duì)整根微纖絲進(jìn)行降解

5、,從而引起結(jié)晶度的明顯下降,而結(jié)晶度的降解是纖維素三級(jí)結(jié)構(gòu)坍塌的表現(xiàn)。雖然整體結(jié)構(gòu)測(cè)定的信息相對(duì)一致,但熱纖梭菌與牛瘤胃天然生境系統(tǒng)降解模式又有區(qū)別,熱纖梭可將纖維表面微纖絲重構(gòu),使得微纖絲明顯變粗,然后降解孔洞逐漸擴(kuò)大,完成局部區(qū)域的高效降解。而牛瘤胃天然生境系統(tǒng)中降解過(guò)程直接作用微纖絲,類似于內(nèi)切酶的作用,在微纖絲表面不斷形成切口并降解,使得微纖絲平均直徑逐漸變細(xì),形成串珠狀,最后完成降解。好氧的生孢噬纖維粘菌降解模式類似于牛瘤胃中