纖維素超分子結構及其降解過程的表征分析.pdf

1、木質纖維素是植物細胞壁中的主要成分,其中包含纖維素、半纖維素和果膠質。在植物細胞壁中,纖維素構成細胞壁的骨架結構,以高度結晶的有序結構微纖絲狀態(tài)存在于細胞壁中。細胞壁如此復雜的天然結構,形成了多種保護機制,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”,這給木質纖維素的綜合利用帶來極大困難。
　　纖維素是以β-1,4-糖苷鍵連接而成的簡單超分子化合物,但其超分子結構卻非常復雜,由于其結構層次未加闡明,所以是何種因素

2、限制酶解速率一直以來都是一個極具爭議的科學問題。近年來,由于結構測定技術的迅速發(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性纖維素的變化,仍未說明酸解、酶解、菌體以及天然生境中纖維素超分子結構的降解變化,因此本文基于天然纖維素不同層次的整體測定技術,比對局部超微結構的分析,引入切片技術分析異質性纖維細胞壁內部結構變化,闡明纖維素超分子結構降解過程變

3、化。
　　獲得的主要進展如下:
　　1、利用聚合度測定、氫鍵強度測定、結晶度測定以及可及度測定全面系統(tǒng)表征整體結構的變化,區(qū)分了纖維素超分子結構一級、二級、三級及四級結構層次,建立了相關層次與整體結構信息的關系。應用超分子結構表征方法結合切片表征分析異質性的纖維素超分子結構,提出纖維素微纖絲為作為三級結構的基本單元,其不同堆積排列方式(四級結構)的空隙僅為7nm左右,明顯限制了5-7nm游離酶分子的有效擴散,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,使得酶解過程僅發(fā)生在植物細胞壁的表面。相對酸解過程,由于H+的大小在1(A)以下,可以在微纖絲孔隙中自由擴散,因此可以對內部微纖絲非晶結構進行降解,使得纖維素的結晶度上升。
　　2、通過熱纖梭菌(Clostridiem thermocellum)以及牛瘤胃天然生境系統(tǒng)中的微生物去對結晶纖維素類底物進行的降解分析發(fā)現(xiàn),這些厭氧細菌對微纖絲的降解模式與酸解、酶解明顯不同,它們可以針對整根微纖絲進行降解

5、,從而引起結晶度的明顯下降,而結晶度的降解是纖維素三級結構坍塌的表現(xiàn)。雖然整體結構測定的信息相對一致,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,使得微纖絲明顯變粗,然后降解孔洞逐漸擴大,完成局部區(qū)域的高效降解。而牛瘤胃天然生境系統(tǒng)中降解過程直接作用微纖絲,類似于內切酶的作用,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,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