李志蘭，杜孟浩

(1.浙江省自然科學(xué)基金委員會(huì)，浙江杭州 310012;2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 亞熱帶林業(yè)研究所，浙江 富陽(yáng) 311400)

木質(zhì)素是植物體的主要化學(xué)組分，它與纖維素緊密結(jié)合，是植物細(xì)胞的胞間層和細(xì)胞壁纖維構(gòu)造中的主要填充物，增強(qiáng)植物體的韌性和機(jī)械強(qiáng)度，協(xié)助疏導(dǎo)組織水分運(yùn)輸，并能在一定程度上抵抗外界環(huán)境因子對(duì)植株的侵害，在植物的正常生長(zhǎng)中起著重要的作用，同時(shí)木質(zhì)素元也是自然界僅次于纖維素的第2大宗可再生的生物資源，遠(yuǎn)自制漿造紙業(yè)興起的年代就受到關(guān)注［1］。近10年來(lái)，關(guān)于木質(zhì)素的研究集中在木質(zhì)素生物合成，木質(zhì)素的化學(xué)降解和木質(zhì)素的生物降解這3個(gè)方面。

1 木質(zhì)素的生物合成

木質(zhì)素的生物合成，主要是結(jié)合植物的生長(zhǎng)發(fā)育、細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)、纖維素和纖維束結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)行的。木質(zhì)素生物合成的生化機(jī)理和途徑大體上是清楚的［1－3］，但具體酶促反應(yīng)的調(diào)節(jié)和控制機(jī)制還不是十分了解，木質(zhì)素合成途徑 (圖1)是根據(jù)中野維三等［2］，Campbell等［3］，Wheteen 等［4］的工作綜合繪制的。近10年來(lái)，對(duì)木質(zhì)素與人類(lèi)生活的密切關(guān)系認(rèn)識(shí)日益深化，高含量木質(zhì)素的木材和秸稈對(duì)獲得能源有利，而在木材、秸稈制漿造紙或生產(chǎn)纖維素乙醇過(guò)程中，木質(zhì)素存在不利于生產(chǎn)紙漿，也不利于從木質(zhì)纖維素中分離纖維素以及纖維素降解成還原性糖，木質(zhì)素對(duì)生物降解的抗性也會(huì)影響地球碳循環(huán)的速率［5］?；诖耍陙?lái)又廣泛開(kāi)展了木質(zhì)素含量遺傳變異、木質(zhì)素合成酶基因、木質(zhì)素合成的基因調(diào)控以及多酶基因反義轉(zhuǎn)化的研究，并已取得了顯著的進(jìn)展。

1.1 木質(zhì)素生物合成的可能途徑

木質(zhì)素的合成途徑依據(jù)分析和推測(cè)可以簡(jiǎn)要概括為二大步驟，即木質(zhì)素前體即單木質(zhì)酚生成和單木質(zhì)酚脫氫聚合成木質(zhì)素，一般認(rèn)為，禾本科植物主要是對(duì)羥基苯基木質(zhì)素，裸子植物主要是愈創(chuàng)木基木質(zhì)素，被子植物有的種類(lèi)是愈創(chuàng)木基木質(zhì)素，有的是紫丁香基木質(zhì)素，或兩者兼有 (圖1)，裸子植物主要是愈創(chuàng)木基木質(zhì)素，被子植物有的種類(lèi)是愈創(chuàng)木基木質(zhì)素，有的是紫丁香基木質(zhì)素，或兩者兼有，但近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，裸子植物卷柏(Selaginella tamariscina)能通過(guò)不同于被子植物合成紫丁香基木質(zhì)素的途徑合成紫丁香基木質(zhì)素，這可能是趨同進(jìn)化結(jié)果［6］?，F(xiàn)今已有許多實(shí)驗(yàn)證明一些酶系控制著木質(zhì)素含量變化，利用懸浮細(xì)胞培養(yǎng)方法來(lái)研究PAL、4CL、OMT等酶對(duì)木質(zhì)素前體誘導(dǎo)合成試驗(yàn)［4，7］，證明這些酶系的活性與木質(zhì)素前體濃度的相關(guān)性。一些植物如苜蓿 (M.sativa L)等編碼其木質(zhì)素合成過(guò)程的一些酶 (PAL、4CL、CAD)基因存在多基因族［3］，班克松樹(shù) (P.bmnksiana Lamb)PAL基因族成員有1～5個(gè)(PAL1 －5)［8－9］，基因家族的存在意味著可能存在一些有別于圖1的其他合成途徑。木質(zhì)素合成過(guò)程中還存在許多非常規(guī)的亞單位和代謝的可塑性［4］，當(dāng)一種牽涉單木質(zhì)酚合成有關(guān)的酶受抑制時(shí)，植株個(gè)體的木質(zhì)素含量仍保持在相對(duì)穩(wěn)定水平上，并會(huì)出現(xiàn)非常規(guī)的木質(zhì)素亞單位，這意味著存在一種補(bǔ)償機(jī)制以防止木質(zhì)素含量減少，且存在一些未知酶的合成［9］，因此木質(zhì)素的合成途徑有可能不同于圖1所描述的過(guò)程，或是存在可切換的途徑。

木質(zhì)素合成酶的分子生物學(xué)特性及其作用機(jī)理研究日益受到重視，由圖1可看到的十幾種較為清楚的酶參與木質(zhì)素合成，其中有些酶基因的DNA順序已被測(cè)定出來(lái)，所涉及的植物種類(lèi)有玉米［10］、煙草［11］、擬 南 芥［12］苜 蓿［13］、楊 樹(shù)［14］、白 楊［15］、班克松［9］、火 炬松［16］、岡尾桉［17］卷柏［4］等 10 多種，從實(shí)際編碼的DNA大小看，編碼同一個(gè)酶DNA堿基數(shù)在不同的種間還是較為接近的，酶CAD、CoMT、OMT、CCR及過(guò)氧化物酶基因大小基本上在1 000 bp以上，LAC和4CL酶的基因稍大些，在1 500 bp以上，而 CcoAOMT基因大小為700～750 bp。這些酶系的實(shí)際編碼數(shù)量并不很大，這為基因轉(zhuǎn)化研究提供了可能。

圖1 木質(zhì)素合成的可能途徑

1.2 木質(zhì)素生物合成基因的遺傳操作

目前直接應(yīng)用的方法來(lái)改變木質(zhì)素含量的研究方興未艾。Piguemal等［17］將 CCR(EC 1.2.1.44)酶的cDNA的反義構(gòu)件通過(guò)農(nóng)桿菌載體轉(zhuǎn)化到煙草上，結(jié)果顯示CCmRNA含量和CCR活性下降，葉形異常，導(dǎo)管皺縮。CAD是催化木質(zhì)素前體合成的最后一步的酶 (圖 1)，Baucher等［18］將分離出來(lái)的CAD酶的cDNA通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)進(jìn)行正義和反義轉(zhuǎn)化到楊樹(shù)中，結(jié)果表明3個(gè)反義轉(zhuǎn)化品系木質(zhì)素組織CAD活性下降70%，但木質(zhì)素含量與對(duì)照相似，并未下降。Hignchi等［19］也進(jìn)行了類(lèi)似的試驗(yàn)，CAD反義轉(zhuǎn)化的植株木質(zhì)素含量并不下降，但木質(zhì)素的組成和化學(xué)特性發(fā)生了變化。OMT是重要的控制木質(zhì)素合成的酶，Dwivedi等［10］將編碼bi-OMT酶 (EC2.1.1.68)的反義序列與CaMV35S基因的增強(qiáng)子、啟動(dòng)子和終止子組裝后轉(zhuǎn)化到煙草基因組內(nèi)后，轉(zhuǎn)基因植株表面出正常的表現(xiàn)型，植株莖部中bi-OMT酶活性平均下降29%，木質(zhì)素含量下降水平與bi-OMT酶活性程度相關(guān)。Doorselaere等［11］應(yīng)用反義 COMT轉(zhuǎn)化楊樹(shù)后，轉(zhuǎn)化植株COMT活性下降為正常的5%，但木質(zhì)素含量并不下降。依據(jù)應(yīng)用轉(zhuǎn)化單酶基因方法改造木質(zhì)素含量的研究報(bào)道，降低單個(gè)酶 OMT、CAD、POD、COMT和F5H等酶系的活性，并不影響木質(zhì)素含量變化，而降低酶系PAL、C4H4CL和CCR等的活性，則可減少木質(zhì)素含量。雖然還有許多單一酶系影響木質(zhì)素含量的報(bào)道，但單一酶系的作用到底有多大仍然不清楚，且因不同植物種而表現(xiàn)不同，離體試驗(yàn)結(jié)果和體內(nèi)表現(xiàn)也不一致，這顯示了木質(zhì)素合成途徑的復(fù)雜性，也可能存在多途徑的替代和切換，至今所有有關(guān)木質(zhì)素基因工程植株研究都沒(méi)有進(jìn)行田間的穩(wěn)定性評(píng)估。

2 木質(zhì)素的改性和降解

2.1 木質(zhì)素化學(xué)改性和降解

木質(zhì)素的化學(xué)降解是近十幾年來(lái)研究熱點(diǎn)之一，主要是圍繞1個(gè)目標(biāo)，一是木質(zhì)素的改性，常用的改性方法有氨化［20］、磺化［21］、氫化［22］、烷基化［23］、氧化［24］、接枝共聚［25］等，如任承霞等的試驗(yàn)結(jié)果，在一定濃度NaOH和 H2O2降解后，分子量>10 000的高分子組分含量明顯下降，氧化木質(zhì)素酚羥基含量上升，羥基、甲氧基含量下降。二是環(huán)保處理造紙黑液，主要是氧化降解，目前氧化降解方法有氧化氨解［26］、熱化學(xué)降解［27］、高溫堿液空氣氧化降解［19］、電化學(xué)降解［28－29］等。近年研發(fā)的電化學(xué)降解法可在較溫和的條件下降解木質(zhì)素，成為低分子量的有用物質(zhì)，但是用電化學(xué)法降解木質(zhì)素效率很低，主要原因是電極效率低。近來(lái)，各國(guó)學(xué)者在電極的種類(lèi)和反應(yīng)條件上進(jìn)行了一些改進(jìn)，選擇好的電極材料，成本低，耐腐蝕，有較高的析氧電位。Utley等［21］以鎳為陽(yáng)極，鉛為陰極，由于電位高，降解產(chǎn)物的產(chǎn)量可達(dá)20% ～36%，高出一般方法15% ～20%。涂賓等［30］進(jìn)行了木質(zhì)素磺酸鈉電化學(xué)降解研究，以PbO2膜電極電化學(xué)降解過(guò)程中降解和縮合是相伴進(jìn)行的，低分子質(zhì)量級(jí)分的含量隨時(shí)間增加而增加，羥基含量隨時(shí)間增加而減少，其他官能團(tuán)如羧基和醛基則是先增加后減少，經(jīng)反應(yīng)后木質(zhì)素磺酸鹽的表面活性提高了。Pardin等［31］用特制鎳網(wǎng)陽(yáng)極電化學(xué)反應(yīng)池，在1.5 mol·L－1NaOH溶液中150～160℃條件下，研究木質(zhì)素模型物的電化學(xué)氧化降解，結(jié)果產(chǎn)生了數(shù)種降解產(chǎn)物。楊衛(wèi)東等用PbO［32］2作為陽(yáng)極，不銹鋼網(wǎng)作陰極，將1.5%木質(zhì)素磺酸鈣溶于1 mol·L－1NaOH溶液進(jìn)行電解，分離出6種單酚基降解產(chǎn)物。另外有些學(xué)者也改進(jìn)了木質(zhì)素化學(xué)降解的技術(shù)，如陳云平等，以固體超強(qiáng)酸為催化劑，過(guò)氧化氫為氧化劑降解了高沸醇竹子木質(zhì)素得到了對(duì)羥基苯甲醛、香草醛、紫丁香醛、苯甲酸等有用化學(xué)單體［33］，鄧海波等利用溶膠-凝膠法制備了鈣鈦礦型復(fù)合氧化物L(fēng)aFeO3催化劑，進(jìn)行了木質(zhì)素濕法氧化合成芳香醛的研究，結(jié)果表明該方法能明顯提高木質(zhì)素的轉(zhuǎn)化率以及各芳香醛的產(chǎn)率［34］。

2.2 木質(zhì)素生物降解

參于木質(zhì)纖維素降解的微生物有真菌、放線菌和細(xì)菌，很多微生物都沒(méi)有獨(dú)立降解木質(zhì)纖維的能力，只有白腐菌一類(lèi)能夠獨(dú)立降解木質(zhì)素。參與木質(zhì)素降解的酶類(lèi)主要有木質(zhì)素過(guò)氧化物酶 (LiPs.EC 1.11.1.7)、錳過(guò)氧化物酶 (MnPsEC 1.11.1.7)和漆酶 (EC 1.10.3.2)，其中LiPs是最主要的降解酶。根據(jù)近來(lái)的研究［35－39］，這3種酶氧化降解木質(zhì)素的連鎖步驟大致是:LiPs以低濃度的H2O2為氧化劑，通過(guò)1個(gè)雙電子氧化步驟和2個(gè)單電子還原步驟，使非酚型木質(zhì)素分子氧化成陽(yáng)離子游離基，游離基再進(jìn)行一系列非酶反應(yīng)導(dǎo)致脂肪族側(cè)鏈和芳香環(huán)斷裂。MnPs在 H2O2存在時(shí)氧化酚型木質(zhì)素分子，并保護(hù)MnP反應(yīng)活性不受自由基的破環(huán)，MnP在一種螯合劑存在情況下催化芳香基奪取質(zhì)子的反應(yīng)。漆酶催化酚型木質(zhì)素及其同型物發(fā)生單電子氧化反應(yīng)，產(chǎn)生苯氧自由基，最后傳遞給氧，苯氧自由基間發(fā)生非酶反應(yīng)如脫甲氧基、脫羧基和C-C鏈斷裂，最后木質(zhì)素大分子解裂為單體。由于漆酶催化反應(yīng)不需要過(guò)氧化氫參與，一般認(rèn)為漆酶催化反應(yīng)是木質(zhì)素降解的啟動(dòng)步驟。在上述3種氧化酶降解木質(zhì)素過(guò)程中，藜蘆醇 (VA)是重要的調(diào)控因子，加入外源VA時(shí)木質(zhì)素生物降解提早起動(dòng)，降解速率增加，VA控制H2O2濃度，保護(hù)酶不至失活，同時(shí)還起到電子轉(zhuǎn)移介體的作用。

2.3 木質(zhì)素降解新方法

近來(lái)研究和發(fā)展起來(lái)的新方法電－酶降解方法(EEM，electroenzymatic method)為降解木質(zhì)素獲取中間化合物，生產(chǎn)化學(xué)品，開(kāi)辟了新途徑。EEM在水質(zhì)凈化、廢水處理、消除有機(jī)物等環(huán)保方面已顯示出相當(dāng)大的應(yīng)用潛力［40－44］。電化學(xué)降解和酶降解是對(duì)環(huán)境友好的兩個(gè)方法，把這2個(gè)方法結(jié)合起來(lái)，是綠色化學(xué)工業(yè)的重要組成部分。

EEM是增強(qiáng)酶降解的重要方法，在H2O2存在情況下，LiPs有許多底物，它能催化氧化許多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的分子，EEM用于在陰極產(chǎn)生的過(guò)氧化氫，接著發(fā)生酶促反應(yīng)，反應(yīng)器中裝置離子交換膜，使陽(yáng)極和陰極有各自的氧化還原環(huán)境，這就避免了陽(yáng)極過(guò)氧化氫使酶失活，辣根過(guò)氧化物酶利用電化學(xué)在原位產(chǎn)生過(guò)氧化氫氧化分解 TNT(三硝基甲苯)，清除 TNT效果遠(yuǎn)優(yōu)于化學(xué)法或生物法，在EEM中過(guò)氧化氫得以充分利用。同樣原理，利用EEM用LiPs利用電極原位產(chǎn)生過(guò)氧化氫為底物，氧化降解木質(zhì)素也會(huì)有一定的效果，利用EEM降解木質(zhì)素是一條值得深入探討的新方法，通過(guò)下述反應(yīng)模式降解木質(zhì)素，調(diào)節(jié)和控制各種反應(yīng)條件和參數(shù)，有望獲得各種各樣的產(chǎn)物。美國(guó)專(zhuān)利 (4，786，382)［45］在100℃的堿溶液中的電化氧化獲得低分子量產(chǎn)物達(dá)到18%，Lee［46］等利用電酶氧化法在電酶反應(yīng)器完成了藜蘆醇向藜蘆醛的轉(zhuǎn)化。

3 展望

木質(zhì)素是植物體生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中經(jīng)由苯丙烷代謝途徑合成的，苯丙氨酸/酪氨酸經(jīng)由肉桂酸-咖啡酸-芥子酸生成松柏醇、芥子醇等和其衍生物形成木質(zhì)素前體物，再經(jīng)脫H聚合生成不同類(lèi)型的木質(zhì)素，這些中間產(chǎn)物及其衍生物都是十分珍貴的化合物，而且大都有生理活性，可廣泛的應(yīng)用于食品、醫(yī)藥和化工。通過(guò)研究降解木質(zhì)素聚合物，獲取各種降解產(chǎn)物及其衍生物，生產(chǎn)化學(xué)品，在最大程度上開(kāi)發(fā)利用木質(zhì)素，可以開(kāi)拓綠色化工的新領(lǐng)域。目前制漿工業(yè)排放的廢液中木質(zhì)素是主要廢棄物，也是主要污染物，回收利用率就其總量而言是微不足道的，任其廢棄不僅污染環(huán)境，也影響自然界碳素循環(huán)速率，因此開(kāi)發(fā)利用木質(zhì)素具有極大的戰(zhàn)略意義。

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