曹家銘 張 健 時君友 龐久寅 林 琳

（1. 北華大學吉林省木質材料科學與工程重點實驗室，吉林省吉林市 132013； 2. 北華大學理學院，吉林省吉林市 132013）

隨著能源危機及環(huán)境污染問題日益嚴重，尋找可替代能源迫在眉睫[1]。生物質能源具有分布廣、儲量大、可再生、清潔無污染、發(fā)展迅速等優(yōu)點，受到國內外的廣泛關注[2]。

纖維素是自然界中最為豐富的有機物之一，很多學者已將纖維素生物質材料作為重點研究對象，探索性能更加優(yōu)異的可再生資源。但是，天然的木質纖維素被高度聚合的木質素包裹，阻礙了纖維素的生物降解和利用，因此需要借助預處理的方法使其分離[3-4]。常規(guī)的預處理方法包括高溫預處理、酸或堿預處理、蒸汽預處理等，會導致發(fā)酵抑制劑的形成，阻礙其進一步被酶分解為糖。與此同時，物理或熱化學的處理過程還需要豐富的能量以及昂貴的設備，使生物質轉換的成本增加。而微生物及其酶系統(tǒng)預處理降解木質素反應條件溫和、產率高、耗能少、對反應器耐壓及耐腐蝕的要求低[5]，是一種安全、節(jié)能環(huán)保的方法。在生物質預處理中，有酸催化水解、稀硫酸蒸汽爆炸、堿性亞硫酸鹽處理、有機溶劑萃取和白腐真菌生物處理等方法。

本文概括總結了白腐菌特點及生物質材料中木質素降解的機理，主要論述了白腐菌預處理在生物質材料功能化改性中的研究進展，在此基礎上展望了白腐菌預處理在生物質材料中應用的研究方向，以期為該領域的深入研究提供參考。

1 白腐菌預處理機制

1.1 白腐菌特點

白腐菌是屬于擔子菌亞門的絲狀真菌，相比其他木腐菌對木質素有較好的降解能力[6], 大多數(shù)白腐菌對針葉木、闊葉木以及草本植物都有不同程度的降解作用, 這些菌表達的多種酶能夠把木質生物質分解為簡單的碳水化合物[7]，是最有應用前景的微生物預處理菌種之一。

白腐菌作為分解者在自然界的碳循環(huán)中起著不可或缺的作用[8]。根據白腐菌降解特性和對木質纖維素的降解能力，可分為同步降解菌和選擇性降解菌。研究人員開始關注以白腐菌為基礎的技術應用，這既是為了利用木質纖維素，也是為生物技術用于解決能源和環(huán)境問題提供一種可能[9-10]。白腐菌獨特的降解系統(tǒng)可廣泛應用于生物制漿、生物漂白、提高產氫量和滲透率，以及廢水處理等過程[11]。又因其具有降解結構不規(guī)則、分子質量大的去木質素能力，被用于研究對多種環(huán)境污染物的降解和礦化作用[12]。

1.2 木質素降解

木質素是一類由苯丙烷單元通過醚鍵和碳碳鍵等連接而成的天然聚合物。木質素的降解過程是非特異性的氧化反應，是以自由基為基礎的鏈式反應[13]。

要使木質纖維素順利分離出纖維素和半纖維 素[14-15]，從而進行高效的酶化或酸糖化，預處理是一個必要的過程，有效的預處理能夠降低木質素含量和結晶度，增加材料的表面積或孔徑。Xu等[16]通過對預處理的大麥秸稈在漆酶液體發(fā)酵中的熱重分析比較，發(fā)現(xiàn)白腐菌在木質纖維素生物質生物預處理方面的巨大潛力。

白腐菌的高效木質素降解能力得益于其胞外降解酶系統(tǒng)[17-18]，主要包括木質素降解酶類和多糖水解酶類。Yu等[19]的酶解實驗研究了白腐菌降解木質纖維素的過程，發(fā)現(xiàn)不同樹種未降解木材的纖維素酶具有同樣的抗降解能力，而在被真菌生物降解后，纖維素的抗降解能力下降。Ferraz等[20]對放射松針葉材經6種白腐菌和2種褐腐菌30～360 d腐朽后的重量和組分損失進行研究，發(fā)現(xiàn)白腐菌和褐腐真菌在不同的時間內(最長為90 d)產生選擇性的木質素降解。Qin等[21]利用乳白耙菌（Irpexlacteus）對玉米秸稈進行預處理，9 d后在基因組和轉錄組分析中發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈的木質素、纖維素和半纖維素的分解效率分別為74.9%、86.3%和83.5%，由此判斷Irpexlacteus具有一套完整的木質纖維素降解酶系統(tǒng)。

諸多研究表明，白腐菌能夠完全降解木質素及其衍生物，釋放出纖維素和半纖維素組分，增強纖維素酶水解的可及性。Zhang等[22]從白腐真菌處理的楊樹中提取磨木木質素(MWL)和木質素降解化合物，發(fā)現(xiàn)β-O-4'鏈斷裂（從76.4/100Ar到31.5/100Ar）和明顯的超鏈以及β-5'鏈的降解，導致分子重量減少。此外，G型木質素比S型木質素降解程度更高，S/G比值從1.13 提高到1.29。Istek等[23]用真菌接種冷杉和側柏后對不同時間梯度的樣品進行分析，發(fā)現(xiàn)2 種木材的纖維素含量都有輕微的相對增加，全新纖維素的百分比下降但溶解度值顯著增加。說明白腐菌對木質素的改善有利于可再生植物資源中化學工業(yè)、材料和燃料的可持續(xù)生產。

由于白腐菌對木質素的降解能力較強，且木質素具有不規(guī)則的結構和較大的分子質量，因此有關該菌對許多環(huán)境污染物的降解和礦化作用也得到 了 研 究[24]。Costa等[25]將2 種 白 腐 菌（B.adusta和P.crystosporium）作為接種物處理合成和工業(yè)制漿造紙廢水，兩株真菌對木質素的降解率分別達到97%和74%。在8～10 d內均能完成100%脫木素，總有機碳（TOC）顯著降低。Adejoye等[26]篩選了3 種白腐真菌在不同的時間段內對稻草、麥芽和木屑的木質素降解能力，證實白腐真菌還可以有效應用于廢物處理。

2 白腐菌預處理在生物質材料中的應用

2.1 改善滲透性

白腐菌去除木質素可以改善木質細胞壁的滲透性，促進物質擴散進入木質內部。研究表明，亞臥孔菌（P. vitreus）在不造成沖擊彎曲強度顯著損失的情況下，具有誘導松材心材大量滲透變化的能力[27]。Solár[28]用白腐菌預處理木材，改變了木材的軸向滲透率，改善了木材的物理性能和化學成分。Thompson等[29]利用白腐菌降解秸稈成分，有效地改善了樹脂的滲透和結合，打破了秸稈復合材料樹脂和聚合物的穿透性差、樹脂消耗過多等因素的限制。榮賓賓等[30]利用白腐菌對山楊木進行預處理，在高錳酸鉀染色和滲透性分析中，觀察到處理后的試件相較對照組，滲透性顯著提高，滲透距離呈S型變化，并隨著白腐菌處理時間的增加而增大，平均滲透距離最大能提高到2.65 倍。

2.2 提高產氫量

為了解決化石能源短缺以及過度消耗引發(fā)的環(huán)境問題，氫能作為替代能源因熱值高、污染小、來源廣泛等優(yōu)點逐漸受到關注[31]。厭氧發(fā)酵制氫是目前產氫速率快、成本低廉的制氫方法，而對厭氧發(fā)酵進行預處理，可進一步提高制氫效率。黃文博等[32]采用4 種白腐菌進行厭氧消化實驗，其中蟲擬蠟（Ceriporiopsis subvermispora）預處理效果較佳，對木質素的相對選擇降解系數(shù)較高，能夠在15 d內徑向完全覆蓋秸稈, 累積產甲烷量較未預處理提高了12.32%。證明白腐菌預處理可以提高以麥稈為底物的厭氧發(fā)酵生物制氫的產氫量。

白腐菌預處理可以加快秸稈厭氧發(fā)酵啟動速率，使產氣高峰提早出現(xiàn)[33]。支澤侖等[34]用黃孢原毛平革菌在恒溫固態(tài)發(fā)酵條件下預處理麥稈，在初始pH為6.5、40 ℃的反應條件下即獲得了最大累積產氫量。許敬亮等[35]在稻草秸稈上接種黃孢原毛平革菌一段時間后，再通過Z28（肉座菌）發(fā)酵產纖維素酶，CMCase（CMC酶）、FPA（濾紙酶）和β-葡萄糖苷酶的活力分別提高了31.4%、51.2%和60.8%。秸稈經過白腐菌預處理后，不僅營養(yǎng)成分有所提高，而且大部分木質素結構被降解或破壞，非常有利于后續(xù)酶解的可及性。

2.3 生物制漿預處理

生物制漿預處理是在原料蒸煮前進行微生物菌體或酶系的預處理, 這種處理方法能夠在獲得相同紙漿品質的條件下，節(jié)省蒸煮藥液，提高紙漿得率[36]。

傳統(tǒng)的硫酸鹽法制漿產生的有毒氣體和含氯化物對環(huán)境危害極大，為此，高慧[37]等選擇脈射菌（Phlebia radiata）、 雜色木云芝菌（Polystictus versicolor）和佛羅里達側耳（Pleurotusflorida）對楊木進行預處理，結果表明：白腐菌生物預處理能夠在保證紙張物理性能的條件下, 達到有效降低污染、節(jié)約能耗的目的。尤紀雪等[38]研究了松木層孔菌（Phellinus pini）預處理楊木對后續(xù)硫酸鹽蒸煮及漿料性能的影響，發(fā)現(xiàn)在與對照組相同的培養(yǎng)條件下，生物預處理能節(jié)省1%的用堿量。眾多研究也表明，生物制漿可以降低kappa值和電能消耗，提高紙漿產量及紙張強度，降低對環(huán)境的影響等。隨著人們對環(huán)境和能源消耗的日益重視，將進一步推動白腐菌在生物制漿中的應用[39]。

2.4 醇解預處理

由于生物乙醇的清潔和可再生性，許多研究人員嘗試通過木材的糖化醇解轉化獲得生物燃料，以期代替人類長期依賴的石化工業(yè)能源。

用木質纖維素原料生產乙醇的預處理是在酶解前分解木質素。在現(xiàn)存的預處理方法中，生物法能夠節(jié)約能耗, 降低對反應器的要求。Sasaki等[40]分別對經真菌處理和不經真菌處理的紙漿餾分進行同步糖化和發(fā)酵，根據紙漿中全新纖維素的含量，得到的乙醇產量分別為35.8%和27.0%。Itoh等[41]采用山毛櫸木片以糖化發(fā)酵(SSF)法生產乙醇，其中蟲擬蠟菌（Ceriporiopsis subvermispora）同步糖化發(fā)酵的產量較高，用蟲擬蠟菌預處理后得到的乙醇產量是不加真菌處理的1.6 倍。Baba等[42]用蟲擬蠟菌FP-90031 和一種新的真菌分離物針層孔菌（Phellinus sp.）處理杉木連續(xù)8 周后，通過乙醇分解得到的每100 g真菌預處理生物量產生42.2 g總還原糖。研究發(fā)現(xiàn)，采用溶劑分解和白腐菌培養(yǎng)相結合的預處理方法顯著增加了乙醇的生產效率。由此，大力發(fā)展纖維素燃料乙醇代替石油燃料,符合我國的國情和可持續(xù)發(fā)展的政策。

2.5 糖化預處理

木質纖維素是一種有效代替化石能源的可再生資源,將其高效糖化是獲取生物質液體燃料的關鍵，也為生物預處理應用于工業(yè)提供了依據。

大多數(shù)白腐菌能同時降解木質素和多糖[43]，Li 等[44]的研究表明：白腐真菌具有優(yōu)先降解抗性木質素的能力，并且在真菌腐爛過程中，LPMOs（裂解多糖單加氧酶）可作為輔助酶參與木質素氧化，促進多糖的酶解過程。Qin等[45]利用6 種真菌對竹子進行生物培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)預處理基質的纖維素-葡萄糖轉化率(CGCY)與菌種、預處理時間和培養(yǎng)基的關系。研究表明：部分真菌經預處理后能顯著提高CGCY，用真菌對竹材進行糖化處理是可行的。Lee等[46]使用3 種白腐真菌對日本紅松進行8 周生物預處理，發(fā)現(xiàn)木材的總失重和化學成分的變化與這些真菌中與木質素和纖維素降解相關的酶活性密切相關。當木粉中的有效孔徑增加到120 nm以上時，木粉中的酶還可用于進一步的酶促糖化。因此認為毛韌革菌（S.Hirsutum）可以有效提高木質生物質的糖產量。Machado等[47]利用白腐菌預處理甘蔗的總體質量平衡試驗也表明：白腐菌能夠保留大部分葡聚糖組分從而提高糖產量，同時對木質素具有選擇性降解作用，提高了生物處理材料對纖維素的消化率。Saha等[48]將白腐真菌在28 ℃、74%的水分條件下固體培養(yǎng)30 d后預處理玉米秸稈，并加入3 種商用酶配制的混合物，酶解后發(fā)現(xiàn)玉米秸稈中產生可發(fā)酵糖,預處理時間越長糖產量越高。王偉等[49]綜合利用L.betulinus C5617（樺褶孔菌）協(xié)同熱水預處理毛白楊的試驗也證實，真菌菌株結合其他條件進行生物預處理也可以提升糖化產率。

2.6 堆肥

堆肥化處理是將有機固體廢棄物轉化成有機質和氮等營養(yǎng)物質的有效途徑[50]。為了進一步有效降解堆肥中的木質素、縮短堆肥時間、促進腐殖質形成和減少堆肥生物質毒性[51]，國內外學者相繼開展了功能微生物添加劑方面的研究。

白腐菌作為一種常用的添加菌劑逐步應用于生物質堆肥中，在復雜的堆肥系統(tǒng)中，白腐菌與其他菌種協(xié)同作用降解木質素效果顯著。李文玉等[52]采用高溫好氧堆肥系統(tǒng)設計將試件接種在白腐菌+放線菌上，相比空白試件，接種白腐菌+放線菌處理堆體中木質素和纖維素的結構變化明顯, 降解程度更徹底，堆體升溫加速,在35 d (GI＞80%) 達到腐熟, 縮短堆體的腐熟期5～15 d。章淑艷等[53]采用室內堆肥試驗,結果表明：添加白腐菌較對照處理降解率高43.5%，而且在短時間內迅速升溫,節(jié)約了堆肥時間。添加白腐菌對秸稈腐熟的增效作用顯著。

2.7 飼料預發(fā)酵

用生物降解的方法去除木質素，能夠打破生物質結構的抗性屏障, 促進纖維類物質的水解釋放, 從而加快反芻動物對木質纖維素的消化速率[54]，一些學者已經通過實驗證實了生物預處理方法的可行性。Azmi等[55]利用白腐菌預處理油棕櫚葉(OPF) 以提高其營養(yǎng)價值，發(fā)現(xiàn)白腐菌在提高農副產品畜禽飼料利用率方面具有較好的酶活性。龔劍明[56]的實驗表明香菇菌和黃孢原毛平革菌能夠改善油菜秸稈降解率和有效消化率，提高飼料的適口性和利用率。王雨瓊等[57]選取4 種側耳屬白腐菌分別接種在試驗組玉米秸稈上固態(tài)發(fā)酵一段時間后，發(fā)現(xiàn) 4 種白腐菌組的粗蛋白質 (CP) 含量、粗脂肪 (EE) 含量、總氨基酸含量、體外干物質消化率均高于對照組。由此可見, 白腐菌預處理的玉米秸稈可以作為反芻動物新型飼料資源。

3 結語

從可持續(xù)發(fā)展角度，將生物預處理應用于生物質材料改性是一個重要的研究方向。白腐菌具有的獨特胞外過氧化物酶降解系統(tǒng)，使之成為生命科學環(huán)境工程應用開發(fā)的寶貴資源。但當前白腐菌的應用存在一些局限，其中預處理周期較長是制約白腐菌應用的最大瓶頸。因此培養(yǎng)生長迅速、能大規(guī)模應用于工業(yè)的白腐菌還需要進一步篩選。今后研究的突破點在于將白腐菌生物技術與其他學科（物理學、化學、生態(tài)學等）相互滲透結合，開發(fā)出能耗低、環(huán)境友好的生物質復合材料。