漆酶-TEMPO体系与假单胞菌偶联高效合成2,5-呋喃二羧酸文献综述

 2022-05-01 09:05

研究目的与意义

木质纤维原料是地球上最丰富的可再生碳源，但对其预处理的过程中会不可避免的产生对后续生物转化有抑制作用的抑制物。木质纤维素来源的抑制物问题一直是生物炼制领域亟待解决的瓶颈问题。目前，可以借助物理、化学或生物的方法彻底去除抑制物，诸如水洗、过碱中和、氨中和、离子交换吸附、溶剂萃取和活性炭处理。但是，以上方法均会消耗大量的新鲜用水和排放大量的污水，同时也会造成木质纤维素精细颗粒和可发酵糖的损失。

能够消除发酵抑制物而又不产生上述问题的微生物脱毒法是一种有前景的脱毒方法。目前报道的可直接代谢木质纤维素来源抑制物的野生型菌株较少，经代谢工程改造后的单菌存在代谢负荷重，脱毒效果不显著等问题。虽然微生物脱毒是一种经济环保的脱毒方法，筛选能高效脱毒的菌株和构建耐毒或脱毒的重组菌株已成为研究的热点，但这些菌株的性能总体来说仍达不到工业生产的要求。本课题旨在筛选出能高效降解木质纤维来源抑制物的功能菌群，通过菌落间的劳动分工或协同作用，实现抑制物的有效消除。课题的开展可为对抑制物高效降解转化及木质纤维原料的高效利用提供理论指导。

2.国内外同类研究概况

2.1抑制物的来源及性质

木质纤维素是纤维素( 30%~50% )、半纤维素( 20%~35% )与木质素(20%~30% )等通过共价键或非共价键紧密结合而成的一类物质的统称，其结构复杂，是植物细胞壁的重要组成成分[1]。纤维素主要是一类线性无分支的同多糖，其主链主要是由D-吡喃葡萄糖基以beta;-1,4糖苷键连接形成，纤维素的主要水解产物为己糖，如葡萄糖等。因此大分子纤维素经过预处理可被降解为己糖等，从而被利用。半纤维素作为具有支链的异多糖，其主链上还有许多取代基，常见取代基有戊糖基、己糖基、糖酸基和乙酰基等。木质素是由香豆醇、松柏醇、芥子醇等醇单体形成的一种复杂酚类聚合物，木质素无法降解为单糖，因此需要将其去除，而纤维素和半纤维素都能经过预处理过程水解为单糖从而被生物利用。木质纤维素在水解过程中易产生大量毒素，这些毒素对后期生物转化过程存在着抑制作用，故而也称为抑制物。因此解决木质纤维素来源的抑制物，可有效提高后期生物炼制的转化效率。

就目前国内外研究进展可知，木质纤维素在高温水解过程虽然可以产生可发酵的糖，但同时也会产生的大量抑制物，这些抑制化合物主要可分为酚类、呋喃类、弱酸类这三大类抑制物[2]，呋喃醛和芳香醛类抑制物是木质纤维素预处理过程中产生的对酶水解和发酵过程具有严重抑制作用的副产物[3]，木质纤维素预处理过程中抑制物的形成与所用原料的种类和预处理的条件，如温度，时间，压力，pH以及催化剂种类和添加量等，都有着密切的关系。除了以上主要的三大类抑制物之外，木质纤维素预处理原料中还存在其他抑制物，诸如在芒草和柳枝稷水解液检测到了甲基甘油酪抑制物[4]。就目前研究发现这些抑制物会抑制糖化的效率，继而影响后续微生物发酵，对整个生物炼制的转化率产生抑制，因此解决抑制物的抑制作用就显得尤为重要.

2.2抑制物的抑制机理

木质纤维素来源的抑制物主要分为酚类、呋喃类以及弱酸类这三大类[5]，木质纤维素来源的抑制物的种类和抑制作用的差异与生物质来源的种类有关，下面就对主要三种的抑制物的机理进行简单阐明。

2.2.1酚类抑制物

酚类化合物主要源于木质素（Lignin）的降解，木质素经过预处理（Pretreatment）过程，其中一部分水解为毒性较强的酚类化合物，包括４－羟基苯甲醛、对羟基苯乙酮、香草酮、丁香醛、乙酰丁香酮、香草醛、香草酸、丁香酸、苯酚、儿茶酚、氢醌等[6]。

目前研究发现酚类抑制物可能会破坏细胞膜的完整性，从而影响细胞膜作为选择性屏障的功能。Klinke等人发现，在酿酒酵母中，包括醛酮酸在内的一系列酚类化合物，其疏水性与其对乙醇产率的抑制直接相关[7]。Zaldivar等研究发现芳香酸可以导致大肠杆菌细胞膜的渗漏。研究表明，酚类抑制物还会破坏大肠杆菌细胞膜上的钾离子梯度并影响细胞膜的稳定性［8］，阻碍基因的转录和翻译［9］，导致胞内活性氧的积累并致使酿酒酵母线粒体碎片化［10］。

2.2.2呋喃类抑制物

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