木質(zhì)纖維素降解酶與生物煉制

內(nèi)容概要

　　本書(shū)內(nèi)容主要包括木質(zhì)纖維素生物降解轉(zhuǎn)化的意義、進(jìn)展與展望，植物纖維資源結(jié)構(gòu)及其理化性質(zhì)，降解纖維素的微生物及其酶系，木質(zhì)纖維素微生物降解的機(jī)理，高效降解菌株和酶系的篩選，纖維素酶分子改造和酶系改造，乙醇發(fā)酵菌株選育與改造，原料預(yù)處理技術(shù)，糖化與發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)及生產(chǎn)工藝，木質(zhì)纖維素資源的生物煉制技術(shù)等。
　　本書(shū)突出的特點(diǎn)在于，參與寫(xiě)作的每位作者都長(zhǎng)期從事與所寫(xiě)章節(jié)相關(guān)領(lǐng)域的研究，對(duì)各章的內(nèi)容有較深刻的理解和體會(huì)，在介紹相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，注意突出了對(duì)包括作者自身研究在內(nèi)的最新研究進(jìn)展的介紹，可以幫助新近進(jìn)入這一研究領(lǐng)域的科學(xué)研究工作者和工程技術(shù)人員，能夠?qū)@一復(fù)雜的多學(xué)科交叉的科學(xué)和工程技術(shù)問(wèn)題較快地獲得較深入的了解。
　　本書(shū)可供從事纖維素科學(xué)研究、教學(xué)的科技人員及研究生閱讀，也可為從事農(nóng)業(yè)資源利用和產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)的科技人員和管理人員提供參考。

書(shū)籍目錄

第1章 概論——木質(zhì)纖維素生物降解轉(zhuǎn)化技術(shù)的意義、進(jìn)展與展望1
　1.1 社會(huì)發(fā)展過(guò)程中的資源、能源、環(huán)境問(wèn)題1
　1.2 木質(zhì)纖維素生物降解轉(zhuǎn)化技術(shù)的工藝路線和研究進(jìn)展6
　　1.2.1 植物纖維原料預(yù)處理技術(shù)8
　　1.2.2 纖維素酶生產(chǎn)技術(shù)8
　　1.2.3 乙醇發(fā)酵菌株選育和戊糖代謝工程菌構(gòu)建9
　　1.2.4 纖維素糖化發(fā)酵工藝9
　1.3 纖維素發(fā)酵產(chǎn)乙醇技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化10
　　1.3.1 國(guó)外纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)展10
　　1.3.2 國(guó)內(nèi)纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)展10
　　1.3.3 生物煉制和產(chǎn)物多樣化11
　　1.3.4 纖維素資源生物煉制技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略12
　1.4 木質(zhì)纖維素生物降解轉(zhuǎn)化研究中的關(guān)鍵科學(xué)難點(diǎn)問(wèn)題12
　　1.4.1 植物纖維類(lèi)生物質(zhì)的抗生物降解性13
　　1.4.2 物理化學(xué)預(yù)處理仍是暴露細(xì)胞壁纖維素的有效方法14
　　1.4.3 木質(zhì)纖維素生物降解機(jī)理和相關(guān)酶類(lèi)的工作效率15
　　1.4.4 微生物攻擊天然植物生物質(zhì)的機(jī)理及其多樣性和新酶源的發(fā)現(xiàn)16
　　1.4.5 真菌降解木質(zhì)纖維素復(fù)雜酶系的解析、合成調(diào)控及重組16
　　1.4.6 纖維來(lái)源糖類(lèi)的發(fā)酵進(jìn)入了系統(tǒng)和合成生物學(xué)時(shí)代18
　1.5 新一代纖維素降解轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)展思路和研究策略19
　1.6 實(shí)現(xiàn)纖維素生物煉制技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的前景21
　參考文獻(xiàn)22
第2章 植物纖維資源的結(jié)構(gòu)及其理化性質(zhì)24
　2.1 可再生的木質(zhì)纖維素資源及分類(lèi)24
　　2.1.1 木材纖維原料24
　　2.1.2 非木材纖維原料25
　　2.1.3 二次纖維原料25
　2.2 木質(zhì)纖維素資源的組織結(jié)構(gòu)層次25
　　2.2.1 植物纖維原料的生物結(jié)構(gòu)25
　　2.2.2 細(xì)胞壁的微觀結(jié)構(gòu)27
　　2.2.3 主要化學(xué)成分在細(xì)胞壁中的分布情況29
　2.3 木質(zhì)纖維素的組成成分及分析技術(shù)32
　　2.3.1 纖維素32
　　2.3.2 半纖維素33
　　2.3.3 木素35
　　2.3.4 次要成分37
　　2.3.5 木質(zhì)纖維素成分的分析測(cè)定技術(shù)38
　2.4 纖維素的結(jié)構(gòu)層次分析及定量測(cè)定技術(shù)41
　　2.4.1 纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)41
　　2.4.2 纖維素超分子結(jié)構(gòu)中的氫鍵42
　　2.4.3 纖維素的細(xì)纖維結(jié)構(gòu)43
　　2.4.4 纖維素結(jié)構(gòu)的分析及定量測(cè)定技術(shù)43
　2.5 木質(zhì)纖維素生物質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及其抗降解屏障46
　參考文獻(xiàn)48
第3章 降解纖維素的微生物及其酶系50
　3.1 降解纖維素的微生物50
　　3.1.1 細(xì)菌域微生物50
　　3.1.2 古菌域微生物54
　　3.1.3 真核生物域55
　3.2 微生物的纖維素降解酶系61
　　3.2.1 纖維素酶的催化類(lèi)別61
　　3.2.2 纖維素酶系的組合形式61
　3.3 高效降解纖維素微生物的篩選及選育過(guò)程67
　　3.3.1 常規(guī)方法篩選纖維素酶產(chǎn)生菌67
　　3.3.2 高產(chǎn)纖維素酶生產(chǎn)菌種的選育68
　　3.3.3 基因工程途徑構(gòu)建產(chǎn)纖維素酶高效工程菌70
　　3.3.4 關(guān)于耐熱纖維素酶的研究73
　　3.3.5 環(huán)境基因組與未培養(yǎng)微生物纖維素酶的篩選73
　　3.3.6 環(huán)境蛋白質(zhì)組學(xué)及其在尋找新纖維素酶及非酶因子中的應(yīng)用80
　3.4 纖維素酶合成的調(diào)控機(jī)理81
　　3.4.1 誘導(dǎo)機(jī)制假設(shè)81
　　3.4.2 誘導(dǎo)因子與纖維素酶及半纖維素酶的誘導(dǎo)表達(dá)模式81
　　3.4.3 纖維素與半纖維素酶基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控82
　3.5 纖維素酶活力測(cè)定方法84
　　3.5.1 外切纖維素酶活力測(cè)定方法85
　　3.5.2 內(nèi)切纖維素酶活力測(cè)定方法85
　　3.5.3 β?葡萄糖苷酶活力測(cè)定方法85
　　3.5.4 纖維素酶總活力測(cè)定方法85
　　3.5.5 影響酶活力測(cè)定的因素與評(píng)價(jià)技術(shù)86
　　參考文獻(xiàn)88
第4章 纖維素酶類(lèi)糖苷水解酶及其降解機(jī)理94
　4.1 導(dǎo)言94
　4.2 纖維素酶系統(tǒng)的組成95
　4.3 糖苷水解酶家族96
　4.4 厭氧細(xì)菌纖維素酶的結(jié)構(gòu)與功能97
　　4.4.1 纖維小體的一般組裝模式97
　　4.4.2 粘連模塊與對(duì)接模塊98
　　4.4.3 纖維小體上的催化模塊100
　　4.4.4 碳水化合物結(jié)合模塊CBM101
　　4.4.5 纖維小體的多樣性101
　　4.4.6 纖維小體基因在基因組中的分布規(guī)律103
　　4.4.7 微型人造小體的研究進(jìn)展103
　4.5 好氧真菌纖維素酶的結(jié)構(gòu)與功能104
　　4.5.1 催化結(jié)構(gòu)域及催化斷鍵機(jī)理104
　　4.5.2 纖維素結(jié)合結(jié)構(gòu)域的結(jié)構(gòu)與功能107
　　4.5.3 連接區(qū)的結(jié)構(gòu)與功能108
　4.6 纖維素酶持續(xù)性降解結(jié)晶纖維素的動(dòng)態(tài)催化過(guò)程109
　　4.6.1 纖維素酶分子?底物之間的結(jié)合過(guò)程109
　　4.6.2 外切纖維素酶對(duì)底物分子的催化斷鍵過(guò)程110
　　4.6.3 外切纖維素酶催化降解結(jié)晶纖維素的分子內(nèi)協(xié)同模型113
　　4.6.4 外切纖維素酶持續(xù)性催化過(guò)程動(dòng)力從何而來(lái)114
　參考文獻(xiàn)115
第5章 纖維素酶基因及酶系的分子改造與優(yōu)化121
　5.1 纖維素酶的分子改造121
　　5.1.1 纖維素酶的理性設(shè)計(jì)121
　　5.1.2 纖維素酶的定向進(jìn)化125
　　5.1.3 纖維素酶結(jié)構(gòu)域拼接和結(jié)構(gòu)域工程130
　5.2 纖維素酶組分的協(xié)同作用和酶系改造131
　　5.2.1 纖維素酶系組分的協(xié)同作用131
　　5.2.2 纖維素酶系組分的重構(gòu)與改造134
　5.3 纖維素酶系表達(dá)調(diào)控機(jī)理與改造135
　　5.3.1 纖維素酶系的表達(dá)調(diào)控135
　　5.3.2 啟動(dòng)子和信號(hào)肽序列的改造137
　　5.3.3 纖維素/半纖維素酶系組分的過(guò)表達(dá)138
　　5.3.4 纖維素酶表達(dá)調(diào)控蛋白的修飾與改造138
　5.4 產(chǎn)酶絲狀真菌分子改造的新策略139
　　5.4.1 產(chǎn)酶絲狀真菌的基因敲除策略139
　　5.4.2 蛋白質(zhì)分泌的優(yōu)化與工程菌的穩(wěn)定性142
　　5.4.3 全基因組改組提高纖維素酶產(chǎn)量144
　　5.4.4 與絲狀真菌蛋白質(zhì)表達(dá)和分泌相關(guān)的組學(xué)研究145
　　5.4.5 比較基因組學(xué)預(yù)測(cè)纖維素酶/半纖維素酶基因148
　　5.4.6 利用宏基因組學(xué)和生物信息學(xué)工具發(fā)現(xiàn)新的纖維素酶基因149
　　5.4.7 酶系篩選的新策略與新方法150
　5.5 展望151
　參考文獻(xiàn)152
第6章 纖維素原料全糖乙醇發(fā)酵菌株選育及改造155
　6.1 戊糖代謝途徑155
　　6.1.1 木糖代謝途徑155
　　6.1.2 阿拉伯糖代謝途徑156
　6.2 戊糖發(fā)酵微生物的選育156
　　6.2.1 自然界中的戊糖發(fā)酵菌種157
　　6.2.2 采用原生質(zhì)體融合技術(shù)選育發(fā)酵木糖產(chǎn)乙醇的微生物158
　　6.2.3 代謝工程在戊糖發(fā)酵菌種選育上的應(yīng)用158
　　6.2.4 釀酒酵母戊糖代謝工程改造159
　6.3 釀酒酵母戊糖代謝工程改造159
　　6.3.1 戊糖的專(zhuān)一性運(yùn)輸159
　　6.3.2 木糖代謝途徑的引入160
　　6.3.3 下游代謝途徑的改進(jìn)161
　　6.3.4 氧化還原平衡與有氧呼吸對(duì)木糖代謝的影響162
　　6.3.5 阿拉伯糖代謝工程改造162
　6.4 釀酒酵母戊糖代謝的輔酶工程163
　　6.4.1 輔酶在酵母中的作用及轉(zhuǎn)化形式163
　　6.4.2 木糖利用重組釀酒酵母的輔酶工程164
　6.5 生物加工過(guò)程中的抑制物對(duì)釀酒酵母的影響及應(yīng)對(duì)措施168
　　6.5.1 木質(zhì)纖維素生物加工過(guò)程中抑制物的形成、影響及其作用機(jī)制168
　　6.5.2 發(fā)酵前預(yù)處理原料的脫毒170
　　6.5.3 利用進(jìn)化工程提高菌種對(duì)抑制物耐受性170
　　6.5.4 基因工程改造提高釀酒酵母的耐受性172
　　6.5.5 發(fā)酵過(guò)程控制減少抑制物影響173
　6.6 釀酒酵母纖維素乙醇統(tǒng)合加工（CBP）的策略及研究進(jìn)展173
　　6.6.1 影響外源基因在釀酒酵母中表達(dá)水平的因素174
　　6.6.2 纖維素酶和半纖維素酶在釀酒酵母中的表達(dá)176
　　6.6.3 利用釀酒酵母統(tǒng)合加工纖維素乙醇的策略178
　參考文獻(xiàn)180
第7章 原料預(yù)處理技術(shù)187
　7.1 稀酸預(yù)處理技術(shù)188
　　7.1.1 稀酸預(yù)處理工藝簡(jiǎn)介188
　　7.1.2 預(yù)處理過(guò)程分析189
　　7.1.3 幾種原料的稀酸預(yù)處理效果190
　　7.1.4 稀酸預(yù)處理技術(shù)存在的問(wèn)題192
　7.2 蒸汽預(yù)處理/蒸汽爆碎技術(shù)192
　　7.2.1 技術(shù)簡(jiǎn)介192
　　7.2.2 作用過(guò)程分析和影響因素192
　　7.2.3 蒸汽預(yù)處理/蒸汽爆碎技術(shù)的應(yīng)用效果實(shí)例194
　　7.2.4 兩段蒸汽預(yù)處理195
　　7.2.5 蒸汽爆碎法現(xiàn)存的問(wèn)題195
　7.3 低溫氨爆處理195
　7.4 濕氧化法及其他脫木素技術(shù)196
　　7.4.1 濕氧化法196
　　7.4.2 堿性預(yù)處理技術(shù)198
　　7.4.3 氧化脫木素技術(shù)200
　　7.4.4 有機(jī)溶劑脫木素技術(shù)201
　　7.4.5 亞硫酸鹽脫木素技術(shù)203
　　7.4.6 生物預(yù)處理技術(shù)204
　7.5 原料預(yù)處理過(guò)程中結(jié)構(gòu)變化分析205
　　7.5.1 原料性質(zhì)和結(jié)構(gòu)變化分析206
　　7.5.2 纖維素性質(zhì)和結(jié)構(gòu)變化分析207
　　7.5.3 木素性質(zhì)和結(jié)構(gòu)變化分析208
　參考文獻(xiàn)209
第8章 纖維素酶生產(chǎn)和纖維素糖化發(fā)酵技術(shù)211
　8.1 纖維素酶生產(chǎn)用工業(yè)微生物211
　　8.1.1 瑞氏木霉212
　　8.1.2 斜臥青霉214
　　8.1.3 溶纖維素枝頂孢霉215
　　8.1.4 勒克瑙金孢216
　8.2 產(chǎn)纖維素酶菌種的改良技術(shù)217
　　8.2.1 誘變育種技術(shù)217
　　8.2.2 抗降解物阻遏突變株篩選技術(shù)219
　　8.2.3 原生質(zhì)體融合技術(shù)220
　　8.2.4 基因組重排技術(shù)221
　　8.2.5 基因工程技術(shù)223
　8.3 影響纖維素酶生產(chǎn)的因素和產(chǎn)酶工藝223
　　8.3.1 纖維素酶的生產(chǎn)方式223
　　8.3.2 纖維素酶生產(chǎn)效率評(píng)價(jià)指標(biāo)225
　　8.3.3 絲狀真菌液體深層發(fā)酵的產(chǎn)酶過(guò)程225
　　8.3.4 液體產(chǎn)酶發(fā)酵中的補(bǔ)料技術(shù)226
　　8.3.5 其他產(chǎn)酶影響因素226
　　8.3.6 外來(lái)雜菌污染的控制229
　8.4 纖維素糖化發(fā)酵工藝229
　　8.4.1 分步水解發(fā)酵法229
　　8.4.2 同步糖化發(fā)酵法230
　　8.4.3 纖維素酶現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和同步糖化發(fā)酵工藝的整合232
　　8.4.4 統(tǒng)合生物加工工藝233
　參考文獻(xiàn)235
第9章 木質(zhì)纖維素資源的生物煉制技術(shù)及其前景238
　9.1 生物煉制技術(shù)的概念和實(shí)踐238
　9.2 木質(zhì)纖維素組分分離和綜合高效利用242
　9.3 木質(zhì)纖維素類(lèi)生物質(zhì)的生物煉制技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化舉例243
　　9.3.1 紙漿?乙醇?飼料酵母聯(lián)產(chǎn)技術(shù)243
　　9.3.2 玉米芯生物煉制：木糖產(chǎn)品?乙醇聯(lián)產(chǎn)技術(shù)244
　　9.3.3 玉米秸稈生物煉制聯(lián)產(chǎn)丁醇?纖維素衍生物?多元醇技術(shù)247
　　9.3.4 燃料?飼料聯(lián)產(chǎn)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化249
　　9.3.5 油棕樹(shù)生物煉制技術(shù)250
　9.4 木質(zhì)纖維素生物煉制生產(chǎn)生物基化學(xué)品和生物材料251
　　9.4.1 利用大腸桿菌由纖維水解糖生產(chǎn)琥珀酸251
　　9.4.2 微生物發(fā)酵秸稈水解液生產(chǎn)乳酸253
　9.5 木質(zhì)纖維素生物煉制工藝和產(chǎn)物的多樣化254
　　9.5.1 玉米全株生物煉制技術(shù)255
　　9.5.2 熱化學(xué)平臺(tái)與生物化學(xué)平臺(tái)的整合256
　　9.5.3 木素轉(zhuǎn)化高值化學(xué)品256
　9.6 木質(zhì)纖維素生物煉制技術(shù)的前景展望257
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