摘要：阐述木质纤维原料与纤维素酶系统间的相互作用有助于揭示底物物理及化学性能对纤维素酶的抑制机理，提高木质纤维原料的纤维素酶解转化率。本文主要介绍了木质纤维模型物薄膜的制备进展，各种新兴技术在实时观测木质纤维原料与纤维素酶相互作用方面的应用进展以及人们对提高纤维素酶解效率所做的努力，为木质纤维原料的高效利用提供理论支持。
关键词：木质纤维原料；纤维素酶；酶解效率
中图分类号：TS721+1；Q55文献标识码：ADOI：1011981/jissn1000684220180361
收稿日期：20170930
基金项目：中国博士后基金 （2015M570419）；华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室开放基金 （201505SKLPPE） 。
作者简介： 万广聪，男，1990年生；在读硕士研究生；主要研究方向：木质纤维原料高值化利用。
*通信联系人：闵斗勇，教授，博士生导师；主要研究方向：木质纤维原料全组分高值化利用基础研究；Email：mindouyong@gxueducn。随着气候和环境的恶化，人们日益重视人类社会的可持续发展。近年来，利用木质纤维原料生产生物质能源以替代化石能源越来越受到人们的高度关注。与化石能源相比，生物质能源具有可再生、储量大等优势。实现生物质乙醇的工业化生产，可以减轻人类对化石能源的过度依赖[1]。木质纤维原料的主要化学成分包括纤维素、木质素、半纤维素等，它们相互交织形成的复杂空间网状结构是木质纤维原料抵抗降解的天然屏障，使纤维素酶很难降解未经预处理的木质纤维原料。其中，木质素常作为“黏合剂”和“填充剂”填充在胞间层和微纤丝之间，使纤维间粘结更加牢固，从而使植物纤维原料具有更高的机械强度且更难被降解。此外，木质素对纤维素酶的无效吸附是纤维素酶活性降低的主要因素[2]。研究发现，酶解后纤维素酶的回收率低主要是因为纤维素酶不可逆地吸附在木质素表面[3]。探究木质纤维原料性能（如木质素、半纤维素、纤维素的含量及结构、木质素分布等）对纤维素酶酶解的影响机理，有助于寻找更有效的预处理方法来提高木质纤维原料的酶解转化率。
为了提高木质纤维原料的酶解转化率，研究人员已开发出多种预处理方法，通过降低半纤维素或木质素的含量、纤维素的结晶度，增加木质纤维原料表面的孔隙率和比表面积，从而增加酶的可及性。预处理在一定程度上能有效提高木质纤维原料的酶解转化率[4]。由于预处理不能完全脱除木质素，因此木质素对纤维素酶的无效吸附仍然是影响酶解效率的主要因素[5]。在各种预处理方法（包括生物法、化学法和机械法等）日趋成熟的条件下[6]，目前仍然缺乏木质纤维原料与纤维素酶相互作用的基础理论，这将阻碍利用木质纤维原料生产生物质乙醇的产业化应用。
由于木质纤维原料与纤维素酶相互作用的复杂性，目前酶解过程中葡萄糖产量仍然是衡量木质纤维原料酶解效率的重要指标。但这种衡量方法具有较大的局限性，只能研究纤维素酶水解底物的效率，不能研究纤维素酶与底物的相互作用，因而不能系统阐述木质纤维原料结构对纤维素酶的抑制机理。为克服这些局限，研究人员通过制作木质纤维薄膜，利用石英晶体微量天平（QCM）、紫外可见分光光度计、椭圆偏振光谱仪（简称椭圆仪）、原子力显微镜（AFM）等技术探究纤维素酶与木质纤维原料的相互作用，以及纤维素酶对木质纤维原料的水解过程，以揭示木质纤维原料对纤维素酶酶解的各种限制因素，阐述木质纤维原料与纤维素酶的相互作用机理。
1木质纤维薄膜的制备
木质素被认为是抑制木质纤维原料酶解的最主要组分。为了探究木质素对纤维素酶的抑制作用，研究人员开始使用QCM、AFM和椭圆仪等仪器对木质纤维原料与纤维素酶相互作用机理进行研究，而未经处理的木质纤维原料很难在以上仪器进行研究，因此有学者制备了再生单组分或双组分的木质纤维薄膜并用作模型物，以研究木质纤维原料与纤维素酶之间的相互作用。Gunnars等[7]用50% N甲基吗啉N氧化物（NMMO）作为溶剂溶解纤维素，配制成纤维素溶液，利用旋涂法将纤维素附着在SiO2晶片上，成功制备了可吸附在SiO2晶片上且纯度较高的纤维素薄膜，方便利用QCM研究纤维素性能。Falt等[89]对Gunnars在SiO2上旋涂制备纤维素薄膜的方法进行了优化，通过纤维素浓度控制膜厚度，通过溶液的温度控制膜表面粗糙度，成功制得具有较高润胀性能且可利用QCM进行溶胀测量的纤维素薄膜。
纤维素单组分薄膜的成功开发为利用QCM监测纤维素的酶水解过程提供了一个优良的模型物。为了能够更好地了解木质纤维原料酶水解的动态过程和木质素对纤维素酶的抑制机理，需要开发出一种化学结构与原生木质纤维原料相似的模型物。目前，已有研究人员开发出成分更加接近天然木质纤维原料的纤维素木质素双组分薄膜。Hoeger等[10]将三甲基硅烷基纤维素（TMSC）和木质素乙酸酯混合溶解在常规溶剂中，然后旋涂在SiO2晶片上，制得混溶性较好、疏水性较强的纤维素木质素双组分薄膜。MartinSampedro 等[11]利用三乙酸纤维素（CTA）代替TMSC，简化了纤维素木质素双组分薄膜的制备过程，不仅显著降低了实验难度，而且得到了各项性能更加优异的纤维素木质素双组分薄膜。纤维素木质素双组分薄膜的开发加速了对纤维素酶水解的动态研究，但仍然缺乏木质素对纤维素酶抑制机理的研究。为了研究木质素单个变量对纤维素酶解的影響，有学者对木质素单组分薄膜开展了大量研究。Wang等[12]合成了比天然木质素摩尔质量更低、醚键和端基比例更高的木质素薄膜。Pereira等[13]制作了一种可沉积在SiO2晶片上的木质素薄膜；研究发现，木质素的来源和S/G比例等都会显著影响木质素与纤维素酶的相互作用。
模型物薄膜的开发实现了使用先进设备研究木质纤维原料与纤维素酶的相互作用，但模型物薄膜在空间结构和化学成分上都与天然木质纤维原料有一定差别，因此开发制备空间结构与化学成分更加接近天然木质纤维原料的底物模型物薄膜将是今后研究的主要方向。