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第1章 概论——木质纤维素生物降解转化技术的意义、进展与展望 1

1.1社会发展过程中的资源、能源、环境问题 1

1.2木质纤维素生物降解转化技术的工艺路线和研究进展 6

1.2.1植物纤维原料预处理技术 8

1.2.2纤维素酶生产技术 8

1.2.3乙醇发酵菌株选育和戊糖代谢工程菌构建 9

1.2.4纤维素糖化发酵工艺 9

1.3纤维素发酵产乙醇技术的产业化 10

1.3.1国外纤维素乙醇产业化的进展 10

1.3.2国内纤维素乙醇产业化的进展 10

1.3.3生物炼制和产物多样化 11

1.3.4纤维素资源生物炼制技术的发展战略 12

1.4木质纤维素生物降解转化研究中的关键科学难点问题 12

1.4.1植物纤维类生物质的抗生物降解性 13

1.4.2物理化学预处理仍是暴露细胞壁纤维素的有效方法 14

1.4.3木质纤维素生物降解机理和相关酶类的工作效率 15

1.4.4微生物攻击天然植物生物质的机理及其多样性和新酶源的发现 16

1.4.5真菌降解木质纤维素复杂酶系的解析、合成调控及重组 16

1.4.6纤维来源糖类的发酵进入了系统和合成生物学时代 18

1.5新一代纤维素降解转化技术的发展思路和研究策略 19

1.6实现纤维素生物炼制技术产业化的前景 21

参考文献 22

第2章 植物纤维资源的结构及其理化性质 24

2.1可再生的木质纤维素资源及分类 24

2.1.1木材纤维原料 24

2.1.2非木材纤维原料 25

2.1.3二次纤维原料 25

2.2木质纤维素资源的组织结构层次 25

2.2.1植物纤维原料的生物结构 25

2.2.2细胞壁的微观结构 27

2.2.3主要化学成分在细胞壁中的分布情况 29

2.3木质纤维素的组成成分及分析技术 32

2.3.1 纤维素 32

2.3.2半纤维素 33

2.3.3木素 35

2.3.4次要成分 37

2.3.5木质纤维素成分的分析测定技术 38

2.4纤维素的结构层次分析及定量测定技术 41

2.4.1 纤维素的结晶结构 41

2.4.2纤维素超分子结构中的氢键 42

2.4.3纤维素的细纤维结构 43

2.4.4纤维素结构的分析及定量测定技术 43

2.5木质纤维素生物质结构的复杂性及其抗降解屏障 46

参考文献 48

第3章 降解纤维素的微生物及其酶系 50

3.1降解纤维素的微生物 50

3.1.1 细菌域微生物 50

3.1.2古菌域微生物 54

3.1.3真核生物域 55

3.2微生物的纤维素降解酶系 61

3.2.1纤维素酶的催化类别 61

3.2.2纤维素酶系的组合形式 61

3.3高效降解纤维素微生物的筛选及选育过程 67

3.3.1 常规方法筛选纤维素酶产生菌 67

3.3.2高产纤维素酶生产菌种的选育 68

3.3.3基因工程途径构建产纤维素酶高效工程菌 70

3.3.4关于耐热纤维素酶的研究 73

3.3.5环境基因组与未培养微生物纤维素酶的筛选 73

3.3.6环境蛋白质组学及其在寻找新纤维素酶及非酶因子中的应用 80

3.4纤维素酶合成的调控机理 81

3.4.1 诱导机制假设 81

3.4.2诱导因子与纤维素酶及半纤维素酶的诱导表达模式 81

3.4.3纤维素与半纤维素酶基因的转录调控 82

3.5纤维素酶活力测定方法 84

3.5.1 外切纤维素酶活力测定方法 85

3.5.2内切纤维素酶活力测定方法 85

3.5.3β-葡萄糖苷酶活力测定方法 85

3.5.4纤维素酶总活力测定方法 85

3.5.5影响酶活力测定的因素与评价技术 86

参考文献 88

第4章 纤维素酶类糖苷水解酶及其降解机理 94

4.1导言 94

4.2纤维素酶系统的组成 95

4.3糖苷水解酶家族 96

4.4厌氧细菌纤维素酶的结构与功能 97

4.4.1 纤维小体的一般组装模式 97

4.4.2粘连模块与对接模块 98

4.4.3纤维小体上的催化模块 100

4.4.4碳水化合物结合模块CBM 101

4.4.5纤维小体的多样性 101

4.4.6纤维小体基因在基因组中的分布规律 103

4.4.7微型人造小体的研究进展 103

4.5好氧真菌纤维素酶的结构与功能 104

4.5.1 催化结构域及催化断键机理 104

4.5.2纤维素结合结构域的结构与功能 107

4.5.3连接区的结构与功能 108

4.6纤维素酶持续性降解结晶纤维素的动态催化过程 109

4.6.1 纤维素酶分子-底物之间的结合过程 109

4.6.2外切纤维素酶对底物分子的催化断键过程 110

4.6.3外切纤维素酶催化降解结晶纤维素的分子内协同模型 113

4.6.4外切纤维素酶持续性催化过程动力从何而来 114

参考文献 115

第5章 纤维素酶基因及酶系的分子改造与优化 121

5.1纤维素酶的分子改造 121

5.1.1纤维素酶的理性设计 121

5.1.2纤维素酶的定向进化 125

5.1.3纤维素酶结构域拼接和结构域工程 130

5.2纤维素酶组分的协同作用和酶系改造 131

5.2.1 纤维素酶系组分的协同作用 131

5.2.2纤维素酶系组分的重构与改造 134

5.3纤维素酶系表达调控机理与改造 135

5.3.1纤维素酶系的表达调控 135

5.3.2启动子和信号肽序列的改造 137

5.3.3纤维素/半纤维素酶系组分的过表达 138

5.3.4纤维素酶表达调控蛋白的修饰与改造 138

5.4产酶丝状真菌分子改造的新策略 139

5.4.1 产酶丝状真菌的基因敲除策略 139

5.4.2蛋白质分泌的优化与工程菌的稳定性 142

5.4.3全基因组改组提高纤维素酶产量 144

5.4.4与丝状真菌蛋白质表达和分泌相关的组学研究 145

5.4.5比较基因组学预测纤维素酶/半纤维素酶基因 148

5.4.6利用宏基因组学和生物信息学工具发现新的纤维素酶基因 149

5.4.7酶系筛选的新策略与新方法 150

5.5展望 151

参考文献 152

第6章 纤维素原料全糖乙醇发酵菌株选育及改造 155

6.1戊糖代谢途径 155

6.1.1 木糖代谢途径 155

6.1.2阿拉伯糖代谢途径 156

6.2戊糖发酵微生物的选育 156

6.2.1 自然界中的戊糖发酵菌种 157

6.2.2采用原生质体融合技术选育发酵木糖产乙醇的微生物 158

6.2.3代谢工程在戊糖发酵菌种选育上的应用 158

6.2.4酿酒酵母戊糖代谢工程改造 159

6.3酿酒酵母戊糖代谢工程改造 159

6.3.1 戊糖的专一性运输 159

6.3.2木糖代谢途径的引入 160

6.3.3下游代谢途径的改进 161

6.3.4氧化还原平衡与有氧呼吸对木糖代谢的影响 162

6.3.5阿拉伯糖代谢工程改造 162

6.4酿酒酵母戊糖代谢的辅酶工程 163

6.4.1辅酶在酵母中的作用及转化形式 163

6.4.2木糖利用重组酿酒酵母的辅酶工程 164

6.5生物加工过程中的抑制物对酿酒酵母的影响及应对措施 168

6.5.1 木质纤维素生物加工过程中抑制物的形成、影响及其作用机制 168

6.5.2发酵前预处理原料的脱毒 170

6.5.3利用进化工程提高菌种对抑制物耐受性 170

6.5.4基因工程改造提高酿酒酵母的耐受性 172

6.5.5发酵过程控制减少抑制物影响 173

6.6酿酒酵母纤维素乙醇统合加工（CBP）的策略及研究进展 173

6.6.1 影响外源基因在酿酒酵母中表达水平的因素 174

6.6.2纤维素酶和半纤维素酶在酿酒酵母中的表达 176

6.6.3利用酿酒酵母统合加工纤维素乙醇的策略 178

参考文献 180

第7章 原料预处理技术 187

7.1稀酸预处理技术 188

7.1.1 稀酸预处理工艺简介 188

7.1.2预处理过程分析 189

7.1.3几种原料的稀酸预处理效果 190

7.1.4稀酸预处理技术存在的问题 192

7.2蒸汽预处理/蒸汽爆碎技术 192

7.2.1 技术简介 192

7.2.2作用过程分析和影响因素 192

7.2.3蒸汽预处理/蒸汽爆碎技术的应用效果实例 194

7.2.4两段蒸汽预处理 195

7.2.5蒸汽爆碎法现存的问题 195

7.3低温氨爆处理 195

7.4湿氧化法及其他脱木素技术 196

7.4.1湿氧化法 196

7.4.2碱性预处理技术 198

7.4.3氧化脱木素技术 200

7.4.4有机溶剂脱木素技术 201

7.4.5亚硫酸盐脱木素技术 203

7.4.6生物预处理技术 204

7.5原料预处理过程中结构变化分析 205

7.5.1原料性质和结构变化分析 206

7.5.2纤维素性质和结构变化分析 207

7.5.3木素性质和结构变化分析 208

参考文献 209

第8章 纤维素酶生产和纤维素糖化发酵技术 211

8.1纤维素酶生产用工业微生物 211

8.1.1瑞氏木霉 212

8.1.2斜卧青霉 214

8.1.3溶纤维素枝顶孢霉 215

8.1.4勒克瑙金孢 216

8.2产纤维素酶菌种的改良技术 217

8.2.1诱变育种技术 217

8.2.2抗降解物阻遏突变株筛选技术 219

8.2.3原生质体融合技术 220

8.2.4基因组重排技术 221

8.2.5基因工程技术 223

8.3影响纤维素酶生产的因素和产酶工艺 223

8.3.1纤维素酶的生产方式 223

8.3.2纤维素酶生产效率评价指标 225

8.3.3丝状真菌液体深层发酵的产酶过程 225

8.3.4液体产酶发酵中的补料技术 226

8.3.5其他产酶影响因素 226

8.3.6外来杂菌污染的控制 229

8.4纤维素糖化发酵工艺 229

8.4.1 分步水解发酵法 229

8.4.2同步糖化发酵法 230

8.4.3纤维素酶现场生产和同步糖化发酵工艺的整合 232

8.4.4统合生物加工工艺 233

参考文献 235

第9章 木质纤维素资源的生物炼制技术及其前景 238

9.1生物炼制技术的概念和实践 238

9.2木质纤维素组分分离和综合高效利用 242

9.3木质纤维素类生物质的生物炼制技术研发和产业化举例 243

9.3.1 纸浆-乙醇-饲料酵母联产技术 243

9.3.2玉米芯生物炼制：木糖产品-乙醇联产技术 244

9.3.3玉米秸秆生物炼制联产丁醇-纤维素衍生物-多元醇技术 247

9.3.4燃料-饲料联产技术产业化 249

9.3.5油棕树生物炼制技术 250

9.4木质纤维素生物炼制生产生物基化学品和生物材料 251

9.4.1利用大肠杆菌由纤维水解糖生产琥珀酸 251

9.4.2微生物发酵秸秆水解液生产乳酸 253

9.5木质纤维素生物炼制工艺和产物的多样化 254

9.5.1 玉米全株生物炼制技术 255

9.5.2热化学平台与生物化学平台的整合 256

9.5.3木素转化高值化学品 256

9.6木质纤维素生物炼制技术的前景展望 257

参考文献 258