细菌产生的纤维素酶（综述）
摘 要：纤维素是地球上一种丰富的天然生物聚合物和主要的农业废弃物。这种纤维素生物质是一种具有被生物转化为增值生物产品巨大潜力的丰富的可再生资源。它可以被纤维素分解菌产生的纤维素酶降解。这种酶有多种工业用途，目前被认为是最重要的工业酶。本综述将探讨纤维素酶的应用、分类和定量以及纤维素分解菌的类型和筛选，也将介绍通过液态发酵和固态发酵方式生产纤维素酶、纤维素酶的性质以及纤维素酶基因的克隆和表达的最新知识。此外，本文还将讨论研究纤维素酶的生物技术及其未来展望。
关键词：纤维素分解菌；生物转化；纤维素酶；内切葡聚糖酶；外切葡聚糖酶；β-葡萄糖苷酶；纤维小体
地球每年大约产生2 000亿t CO2，这意味着有相同数量的有机物被降解，其中30%被动植物利用而其他的70%被微生物降解。一般来说，纤维素约占植物生物质干重的50%。这些植物生物质是可供人类使用的燃料和材料的唯一可预见的可持续来源。农业废弃物是木质纤维素生物质的主要来源，木质纤维素具有可再生、未开发且廉价的特点。这些可再生资源来自玉米皮、玉米秸秆、甘蔗渣、稻草、稻壳、木本作物、森林残留物的叶子、茎和秸秆。除此之外，它们还来自工业和农业生产中产生的木质纤维素废弃物，如柑橘皮、椰子生物质、木屑、纸浆、工业废料、城市纤维固体废物和造纸厂污泥。此外，它们还可来自生物燃料专用能源作物，包括多年生牧草（如柳枝稷）和其他牧草饲料（如芒草、大象草、百慕达草等）。
大约70%的植物生物质被锁定在5-碳糖和6-碳糖中。这些糖存在于木质纤维生物质中，木质纤维生物质主要由可被一种复杂的酶系统即纤维素酶（外切葡聚糖酶、内切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶等）水解的木质素（由β-1，4糖苷键链接的葡萄糖同源聚合物）、少量的半纤维素（由戊糖D-木糖、达拉定糖和己糖D-甘露糖、D-葡萄糖、D-半乳糖与糖酸组成的5-和6-碳糖的异源聚合物）和极少量的木质素（一种复杂的芳香族聚合物）组成。在硬木中，半纤维素主要为木聚糖；而在软木中，半纤维素主要是葡甘露聚糖。简单来说，木聚糖降解需要内切-1，4-β-木聚糖酶、β-木糖苷酶、α-葡糖苷酸酶、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶以及乙酰木聚糖酯酶。葡甘露聚糖的降解需要β-甘露聚糖酶和β-甘露糖苷酶切割其聚合物骨架。
有限的天然化石燃料储备正在以惊人的速度被文明世界消耗。燃烧化石燃料也引起了对不稳定且不确定石油资源、燃料成本上涨以及全球气候变暖的担忧。这些担忧已经转向到利用可再生资源来生产能够满足世界高能需求的“更加绿色的”能源替代品。到2010年，加拿大可再生能源燃料标准提高到乙醇含量5%的混合燃料；2009年美国环保局将其可再生燃料标准提高到乙醇含量10.21%的混合燃料；而巴西的混合燃料的标准是含25%的乙醇（2007年确立）。纤维素酶占全球工业酶需求量的8%。当纤维素酶用于将预处理的纤维素类物质水解成糖（所产糖可以大规模发酵成生物乙醇和生物碱产品）时，纤维素酶市场将大幅扩张。据估计，美国的纤维素酶市场每年高达4亿美元。在2004-2014年期间，作为一种特殊的酶，纤维素酶的使用量预计将增加一倍。生物技术公司Genencor国际公司和Novozymes公司报道，他们已经开发了可以降低纤维素至乙醇转化工艺中所用纤维素酶成本的技术，使每加仑乙醇的生产成本从5.4美元降低至20美分左右，其中两个重要策略是：（1）控制纤维素酶的生产成本，通过优化加工工艺和增强菌株产酶能力来降低每千克酶的生产成本，例如：从乳糖到葡萄糖选用更廉价的培养基和新的诱导系统； （2）提高纤维素酶的性能以在减少酶使用量的同时能获得与酶混合物相同的水解能力，同时改善酶产品的组成。
除此之外，纤维素酶在工业上的主要应用是纺织工业中织物的生物抛光和生产砂洗外观的牛仔布以及用于增加衣物柔软度和亮度的家用洗涤剂。另外，它们还应用于动物饲料中以提高养分消化率和质量，以及用来制作果汁和烘焙食品，而纸张脱墨是另一个新兴的用途。纤维素酶有可能发挥重要作用的一个挑战性领域是将可再生的纤维素生物质转化为商用化学品的生物转化。酶在清洁剂、皮革和造纸工业中的应用需要能够在极端pH和温度条件下具有高稳定活性。纤维素酶和纤维素分解菌的一些重要用途列于表1中。
本篇综述将阐述在自然以及人工技术条件下纤维素酶的生产。此外，本文将从综合视角以及纤维素分解菌和酶系统多样性的角度描述细菌性纤维素酶的应用，并将力图讨论纤维素酶在细菌系统中的作用方式和它们的分子生物调节作用。此外，本文还将探讨异源宿主中纤维素酶基因的克隆和表达、以及这些罕见的纤维素酶如何帮助人们解决生物燃料工业的一些重要技术瓶颈和生物技术中一些独特的细菌策略如何帮助生物炼制。
1 纤维素酶的分类
微生物产生的纤维素酶以游离或与细胞结合的方式水解和代谢不可溶性纤维素。在过去30年中，人们已经对需氧、厌氧细菌及真菌产生的纤维素酶系统的生物化学分析技術进行了全面的综述。以下的纤维素酶系统是根据其催化作用模式进行分类的（表2）。
1.1 内切葡聚糖酶或内切-1，4-β-D-葡聚糖水解酶（EC 3.2.1.4）
内切葡聚糖酶在纤维素多糖链中的内部无定形位点随机切割，产生各种长度的寡糖以及新的链末端。它通常作用于酸膨胀的无定形纤维素、纤维素的可溶性衍生物如羧甲基纤维素和纤维低聚糖等底物。
1.2 外切葡聚糖酶或1，4-β-D-葡聚糖纤维二糖水解酶（纤维二糖水解酶）（EC 3.2.1.91）
外切葡聚糖酶以强占的方式作用于纤维素多糖链的还原性或非还原性末端，产生两个重要的产物葡萄糖（葡萄糖水解酶）和纤维二糖（纤维二糖水解酶）。这些酶对结晶底物如微晶纤维素、无定形纤维素和纤维寡糖具有活性。然而，它们对纤维二糖或可溶性纤维素衍生物如羧甲基纤维素无活性。
1.3 外切葡聚糖酶或1，4-β-D-葡聚糖纤维二糖水解酶（也称为纤维糊精酶）（EC 3.2.1.74）
它能够催化除去纤维寡糖或硝基苯基-β-纤维二糖苷中的纤维二糖，但对无定形纤维素或羧甲基纤维素无活性。
1.4 β-葡糖苷酶或β-D-葡萄糖苷葡糖水解酶（EC 3.2.1.21）
β-葡糖苷酶可从非还原端将可溶性纤维糊精和纤维二糖水解成葡萄糖。它对结晶或无定形纤维素无活性。
1.5 纤维二糖磷酸化酶或纤维二糖：正磷酸α-D-葡萄糖基转移酶（EC 2.4.1.20）
它能够催化纤维二糖的可逆磷酸裂解部。该酶最初由Ayers等在红球菌（Ruminococcus albus）的细胞中发現。
纤维二糖 + H3PO4 = α-D-葡萄糖 1-磷酸 + 葡萄糖
1.6 纤维糊精磷酸化酶或1，4-β-D-寡葡聚糖正磷酸盐α-D-葡萄糖基转移酶（EC 2.4.1.49）
它在热感染梭菌细胞中被人们发现，对纤维二糖不起作用，但可催化纤维糊精从纤维三糖到纤维六糖的可逆磷酸化裂解。
（1，4-β-D-葡糖基）n + H3PO4 = （1，4-β-D-葡糖基）n-1 +α-D-葡萄糖-1-磷酸
1.7 纤维二糖差向异构酶（EC 5.1.3.11）
它最初在红球菌的细胞中被人们发现，催化下列反应：
纤维二糖 = 4-O-β-D-葡萄糖基甘露糖
2 筛选产生纤维素酶的细菌
通常在含有结晶纤维素或微晶纤维素（如微晶纤维素）[琼脂中的最终浓度为0.1%～0.5%（w/v）]的平板上筛选有细菌性纤维素酶活性的微生物分离株。在经过一段合适时期的孵育后，若菌落周围出现一个清除的区域，表明这是纤维素生产者。然而，能分解纤维素的噬细胞菌属细菌不会出现任何的清除区域。因此清除区域的直径可能无法精确反映此细菌真实的纤维素酶活性。
为快速筛选可以产生纤维素酶的细菌，在用含0.5%（w/v）的羧甲基纤维素为唯一碳源的琼脂培养基孵育后，用1%（w/v）刚果红浸泡；20 min后倒出该染料，该平板再用 5 M的NaCl溶液浸泡，20 min～30 min后倒出NaCl溶液。在红色背景上，被一个浅橙色至透明的区域包围的菌落即是可产生纤维素酶的阳性细菌。此纤维素分解菌可用此类平板直接筛选出，但要分离出活性菌落，利用总平板的复制平板培养法更适合，因为浸泡的试剂会伤害分离株。Plant等报道了将天青色纤维素加入琼脂管上面两层来分析细菌的纤维素酶活性的半定量测定法。底物中释放的染料可以用光密度法测定。Kasana等（2008）发现，用革兰氏碘替代十六烷基三甲基溴化铵或刚果红染色平板，能快速得到高辨识度的结果。
然而，利用染料进行的平板筛选法并不是一种定量方法，因为酶活性与光晕大小之间的相关性较差。这个问题可通过开发一类含有经过修饰的还原末端和发色/荧光基团（如荧光素、试卤灵和4-甲基伞形酮）的短纤维寡糖来解决，以获得更高的灵敏度和定量。但是，将荧光底物用于琼脂平板的一个主要限制是其水解产物往往会大量扩散，因此使用这样的化合物仍然存在困难。因此，在平板法中，人们会合成新的底物——2-（2'-苯并噻唑基）-苯基[2-（2'-benzothiazolyl）-phenyl，BTP]纤维寡糖来筛选纤维素分解菌。
现在，研究人员已经将重点放在极端环境中不可培养的微生物的纤维素酶基因上，因为它们对恶劣环境条件有较高的抵抗力，希望能分离到的酶是新的且在生物炼制工业中具有特殊的用途。为了快速鉴定从可培养或不可培养的所有细菌中分离到的新的纤维素酶，我们应该建立宏基因组克隆库，然后进行功能筛选。
（待续）
作者：严鸿林
摘 要：纤维素酶是能够将纤维素水解成葡萄糖的一组酶的总称。纤维素作为一种含量最为丰富的糖类之一，其具有十分广泛的运用价值。纤维素酶作为能够降解纤维素的催化剂，其在纤维素的运用中也将起到十分重要的作用。现目前，纤维素酶在各个领域(纺织、造紙、医药、工业洗涤、废水处理等)都得到了重要的作用，在食品工业中也具有十分广阔的发展前景。因此，本文即对纤维素酶在食品工业中的应用进展进行了研究。
关键词：纤维素酶 食品工业 应用研究
随着时代的不断发展，社会经济水平不断提升，人们的消费需求也逐渐提高，其中最为突出的即是人们对食物的数量、种类、品质等诉求的提升。传统食品工业不仅难以高效地生产食物，同时还难以制造丰富的食物种类，保证食物的品质。因此，新的历史时期，新的食品工业技术亟待开发应用。纤维素酶在食品工业中的有效运用，则在一定程度上推动了现代食品工业的发展，也极大地满足了人们对食物的要求。
1 纤维素酶的来源及性质探析
1.1 纤维素酶的来源
总体上讲，纤维素酶的来源十分广泛，其不仅来源于大量的微生物，同时也可以由部分昆虫新陈代谢产得。但在实际利用上，多数微生物产出的纤维素酶对于结晶纤维素没有作用，因此这就极大地降低了其使用价值。据实际情况来看，在食品工业上广泛使用的纤维素酶，主要来源于丝状真菌，其主要可以产出绿色木霉素、青霉、曲霉等多种对结晶纤维素有较高活性的纤维素酶[1]。目前在食品工业中，使用较为广泛且受到公认的纤维素酶，主要有绿色木霉、黑曲霉、镰刀霉等几种。
1.2 纤维素酶的性质分析
将纤维素酶应用于食品工业中时，应该切实分析纤维素酶的有关性质并掌握其特点，从而才能有效提升纤维素酶的应用效率[2]。譬如首先可以从纤维素酶的最适pH值研究入手，从而在食品工业中营造出一个最优化的pH值环境。根据研究调查发现，大多数纤维素在作用于底物的最适pH值为4.0～6.0，pH值的稳定范围为4.0～9.0。同时纤维素酶的最适温度也是值得关注的问题。据有关调查研究显示，纤维素酶的最适温度普遍在50℃～70℃，不同種类的纤维素酶也存在一定的差异，并且还受到pH值环境的影响[3]。此外，对于离子及化学物质对纤维素活性的影响，也是将其应用于食品工业之前应该重点研究的问题。据有关研究显示，染料、重金属(Ag，Cu，Mn，Hg等)、单宁、部分卤素化合物等物质都会在一定程度上抑制纤维素酶的活性，而镁、氟化钠及半胱氨酸则能够有效激活纤维素酶的活性。总而言之，在食品工业中应用纤维素酶时，首先则应该了解其特性与特点，从而才能将其进行有效的应用[4]。
2 纤维素酶在食品工业中的应用进展
2.1 纤维素酶在发酵食品工业中的应用
现目前，纤维素酶在发酵食品工业中已然取得了较为广泛的应用。现目前，主要应用酒类酿造及酱油酿造方面。据有关调查研究显示，在酿酒工业中，如果纤维素酶的加入量为10～50μmol/min，那么则能够有效提升其7.5%～23.8%的酒精产量。此外，在酒类酿造工业中，加入纤维素酶，还能够在一定程度上降低醪液的粘度并缩短发酵周期[5]。因为酒类酿造的主要原料玉米、高粱等粮食作物的外壳都含有纤维素，所以在酒类酿造中使用纤维素酶既可以水解纤维素使其转化为酿酒所需的葡萄糖，而且可以分解细胞壁从而提升原材料的使用效率。
此外，在酱油酿造工业中使用纤维素酶后也提升产率、品质，同时也有效缩短了其生产周期[6]。在酱油酿造中，纤维素酶的主要作用在于软化破坏大豆等原料的细胞膜，从而诱导其细胞中的碳水化合物及蛋白质大量释放出来，并有效分解原料中的纤维素，从而提升酱油的糖分及氨基酸含量[7]。
2.2 果蔬加工中的应用
现目前，我国食品工业中果蔬加工产业具有较大的市场，其主要有果汁加工、蔬菜脱水、副食生产等。现目前，纤维素酶也逐渐应用于果蔬加工产业中。譬如在果汁加工中应用纤维素酶，则能够有效分解水果中的纤维素，以此提升水果的出汁率[8]。而在蔬菜脱水产业中应用纤维素酶，则能够有效分解蔬菜细胞壁，从而软化植物组织，从而增强脱水蔬菜复原性[9]。
2.3 榨油产业中的应用
植物油提取是目前食品工业的支柱性产业，在人们生活中占有较大的比重。为了满足人们的使用需求，榨油产业也逐渐采取了纤维素酶榨油工业，有效实现了植物油脂、蛋白质分离，从而提升了原料的产油率，同时也缩减了榨油的周期，达到了产率、质量双丰收的效果[10]。
2.4 茶叶加工中的应用
随着我国饮茶文化的兴起，茶叶加工产业也逐渐复苏。然而为了满足快节奏、多元化的都市生活特点，茶叶加工就有必要实现速溶化、复合化。在新时期的茶叶加工中有效应用纤维素酶，则能够取代传统茶叶加工中微生物发酵作用，并有效导出水溶性不强的咖啡因及茶单宁，以此全面提升速溶茶的口感并缩短其提炼周期。
2.5 单细胞蛋白生产中的应用
单细胞蛋白，又被称之为菌体蛋白，其纯蛋白含量高达40%～80%，并且其氨基酸的含量也较为齐全，尤其还含有谷物中较少的赖氨酸。现目前，在单细胞蛋白生产中，也主要依靠纤维素酶将纤维素进行水解，然后再利用微生物生产单细胞蛋白。其生产机理是，利用纤维素酶降解纤维素，微生物在纤维素的降解物上生长，从而形成纤维杆菌属，其蛋白质含量通常可高达45%以上。
3 结语
综上所述，纤维素酶是降解纤维素的有效催化剂。在食品工业中，为了提升实物原材料的使用效率，提升食品加工的产率及品质，可以有效应用纤维素酶，有效分解植物原材料中的纤维素及细胞壁，从而有效提高原材料的转化率。总而言之，目前纤维素酶在食品工业应用中取得了巨大的进展，除了上文所述的几种产业，其还在食品烘焙、废渣回收利用等方面进行了有效应用。因此，纤维素酶在食品工业中应用前景还有待于进一步的研究开发。
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作者：袁蒲 孙经 李杉 杨丽
摘 要：当前，包括污水治理、医药制备、食品加工等多个行业均对纤维素酶有一定的使用需求，为了促使其期能够在食品加工行业得到更为广泛以及充分应用，本文对纤维素酶的作用机制以及应用进行深入分析，以期对相关单位有所帮助。
关键词：纤维素酶;食品加工;发酵
引言
纤维素酶有着非常优越的木聚糖酶活力，是较为常见的复合酶类型之一。经过分析包括葡萄糖内切酶、外切酶以及B-葡萄糖苷酶等均是其重要构成成分。目前业内用于生产纤维素酶办法大致可以划分为2类，首先，基于对优良菌株的选择，从而获得目标带有多纤维素的复合体;其次，基于基因技术工程来重建富含纤维素酶基因的克隆菌株。当前，纤维素酶的作用可以使得纤维素被进一步分解为乙酸、乙醇以及乳酸等小分子形式纤维素，因此本广泛应用于化工以及食品发酵加工等领域。
1.纤维素酶特性
1.1纤维素酶性质
实际不同的菌属以及发酵方式所得到的纤维素酶也各不相同。有学者经过研究曾提出，基于同一类微生物所得到的纤维素酶进行酶学特性的研究，包括酸碱度、环境的温湿度情况、离子变化以及其它物质的含量等均会对纤维素酶产生一定的影响，另外，常规纤维素酶较适宜在30-45摄氏度的环境下反应，而35-37摄氏度为最理想的反应温度。大部分纤维素酶即便在高温高热环境下依然保持较好的稳定特性，而环境温度为四十至六十五摄氏度时较为理想，且不同的酸碱度环境下酶的热稳定也会有一定的不同。
1.2纤维素酶作用形式
当前，业内普遍公认的形式为，首先基于葡萄糖内切酶与微纤维的非结晶区产生反应，从而使其露出大量的末端并供外切酶反应，纤维二塘水解就非还原末端逐个分解，得到纤维二糖，随后一些降解了的纤维素被进一步的在葡聚糖内切酶以及葡聚糖外切酶的共同作用下，被分解为其它形式的低聚糖，最后经过B-葡萄糖苷酶的租用得到葡萄糖。
2.食品加工中的应用
2.1方便面与大豆加工中的应用
基于纤维素酶的作用，可以促使大豆被进一步的脱皮，此外由于其可以对细胞壁产生一定的干扰，因此可以使蕴含在其中的蛋白质以及油脂等被进一步彻底分离，提升了就大豆以及豆饼内部所获得的高品质水溶性蛋白质以及油脂，大大降低加工成本的同时也很好的缩短了整个的加工时间，产品的品质也有了显著提升。而在方便面的加工过程中，基于酶制剂和面粉之间的预混合，就弹性、爽滑性以及耐泡性等几个方面评估，可以较好的改良方便面的泡吃效果。
2.2速溶茶中的应用
速溶茶是一种应用较为快捷方便的饮品，因此对于其速溶、无熔渣等有一定的要求。生产过程中普遍基于热水浸提的方式来获得产业中的目标成分。而基于纤维素酶的作用则无需在高温状态下获得，在低温的环境下也能得到，且提取收得率效果更好，可以更为理想的保持茶叶原本的色香味。如果将沸水浸泡的方式与酶法相混合使用，不但可以有效降低整个提取的时间，同时也能够提升水溶性不好的茶单宁、咖啡因等获得。
3.食品发酵中的应用
3.1酱油酿造中的应用
作为一种极富营养的调味品，酱油的整个生产制造过程相对复杂，涉及到多个过程的多项内容。其主要将原本无味的但被指、脂肪以及淀粉等经由发酵、制曲等流程，在各种酶的促使下得到氨基酸、甘油、有机酸等一些具有味道的物质。随后再次进行后熟发酵混合食盐等形式，制成具有酸、甜、苦、鲜、咸的不同的五种味道以及具有独特风味的调味品。而在整个的酱油加工制造过程中，纤维素酶主要起到了对原本存在的天然纤维素分解、将细胞壁进行损坏以及帮助米曲霉酶系反应作用。在整个的酱油制取过程中混合了极强的蛋白酶活力，为了能够使得组织中可以充分的裸露出大都蛋白酶，需要额外的增加植物崩裂酶活力的作用。纤维素酶在固态无盐酱油的加工过程中，可以进一步强化并促使原料组中结构的损坏，促使蛋白进一步的裸露出来，以利于进一步进行蛋白酶的分解作用，提升酱油的获得效果，加速了发酵，较好的改良了酱油的颜色以及还原糖的配置，且就其整体质量以及口味上也有了很好的改善。降低了生产时间的同时，各方面质量均有明显的改善。
3.2食醋酿造中的应用
在食醋的整个制取工艺流程中，将糖化酶和纤维素酶进行整合应用，可以大大改善对原料的利用情况以及出品率。依据相关研究结果，纤维素酶菌株与糖化酶菌株的混合发酵过程，相较于单菌株发酵的形式，糖化酶的整个活力得到了大大提升。例如利用薯干粉为基础原料酿造食醋，实际食醋的出品率得到了显著提升。相较于其它纤维素酶形式，乾氏曲霉纤维素对于周边环境的要求并不高，因此可以大面积的培植，不但可以得到活性较好的纤维素酶，也可以帮助获得更为高质量的果胶酶等，故而较为适用于食醋的制取过程。
3.3乙醇生产加工中的应用
诸如高粱、玉米、薯干等均为目前最为常用制取酒精的原料，纵观这些原料，均具有非常高的淀粉含量以及一定比例的纤维素、碳水化合物以及半纤维素成分。但在一定的环境条件下可以用于纤维素酶的分解，并将其中一部分转变为可用于发酵的糖。以薯干为例，因为受到淀粉、果胶以及蛋白质等的约束，因此其对于水解具有一定的抗力，难以直接转化为纤维素酶，因此需要进行一定的预处理。酒精生产期间原料的状态以及改变，很大程度上符合该预处理需求，就成立纤维素酶是否可以得到酒精的重要因素，预处理的过程主要涵盖了蒸煮以及粉碎等几个方面。而在整个的流程中加入适量的纤维素酶则能够大大改善蛋白质以及酒精品质，并能够提升对原料的利用情况。
4.结束语
相较于其它酶类，纤维素酶具有非常大的市场潜力以及工业生产价值。本文对纤维素酶的特性以及作用机理进行分析，随后探讨了其在食品的发酵以及加工领域的多方面应用。由此可见，无论是食品的加工还是发酵过程，加入一定量的纤维素酶都可以很好的提升食品的加工质量，有利于企业的稳定健康发展。
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作者：张浩年
一、再生纤维素纤维在棉纺织行业的应用情况
再生纤维素纤维是天然纤维素（棉、木、竹、麻等）经过溶解后再加工形成的纺织原材料，本文主要分析常规产品粘胶短纤维及新产品莱赛尔纤维。再生纤维素纤维是性能最接近棉纤维的化纤产品，其吸湿性、透气性和染色性甚至优于棉纤维，有着良好的亲肤性和吸水性。根据国家统计局和中国化学纤维工业协会数据，2020年我国再生纤维素纤维产量400万吨，其中短纤维产量383.5万吨。随着市场需求的增加和化纤科技水平的发展，棉纺织企业对再生纤维素纤维的应用持续增长，见图1。根据中国棉纺织行业协会数据，2020年我国棉纺用再生纤维素纤维317万吨，是2010年2.1倍，占非棉纤维用量的28.1%，分别较2010年和2015年提高了13.9和4.3个百分点。
二、棉纺织企业应用再生纤维素纤维的情况
（一）概述
2021年调研覆盖棉纺织企业产能合计超过2000万锭，用量超过100万吨，占我国再生纤维素纤维纺纱领域需求量的30%以上，并针对95%以上在我国从事再生纤维素纤维生产、销售活动企业的供应情况进行了调研。
（二）棉纺织行业应用品种
从调研的数据看，棉纺织企业用量最多的是常规粘胶短纤维，随着棉纺织行业逐渐向高质量发展以及市场消费需求升级，常规粘胶短纤维的用量占比不断下降，莱赛尔、莫代尔和其他新纤维的占比上升。调研显示，常规粘胶短纤维应用占再生纤维素纤维总量的87%，呈下降趋势，莱赛尔、莫代尔等新纤维的用量都有所增加，见表1。
据《The Fiber Year 2021》数据，2020年，全球莱赛尔产量约25-30万吨，约占再生纤维素纤维的4.6%。调研显示出三个特点，一是莱赛尔纤维用量达到再生纤维素纤维总用量的6.2%左右，主要应用在规模较大的企业中，对产品创新与发展发挥着较大作用;二是绿色可持续发展成为纺织行业新的风向标，莱赛尔纤维的“绿色纤维”理念正在被消费者认可;三是莱赛尔纤维的服用性能，在一定程度上既丰富产品创新的发展，也有利于市场推广及技术的储备。
（三）产品质量指标评价
棉纺织企业对生产再生纤维素纤维企业的产品质量进行了评价，见表2，结果分析如下。
1、纤维强度
纤维强度是纤维内在质量的反映，是纤维具有加工性能和最终用途的必要条件。再生纤维素纤维的强力和伸长可在加工过程中控制，除拉伸断裂特性外，纤维在外力作用下的变形恢复能力会影响到纺织品的尺寸稳定性和使用寿命。与2019年相比，2021年的调研认为纤维强度指标好的棉纺织企业占比下降了了个百分点，也反映出棉纺织企业对该指标的要求提高或纤维本身的强度下降，纤维生产企业要进一步加大对纤维强度这一核心指标的关注度。
2、并丝、疵点和批次稳定性
棉纺织企业对并丝、疵点和批次稳定性三项指标的评价主要包括两个方面，一是认为并丝和疵点指标好的企业占比提升了6个百分点，但与其他质量指标相比评价仍然较低;二是企业对批次稳定性指标的评价明显提高，但认为该指标较差的企业占比上升。整体看，棉纺织企业对此三项指标的评价均有了一定的提高，但纤维生产企业在质量控制方面还需要继续努力。
3、回潮率
在粘胶短纤维生产过程中，回潮率指标始终是生产和用户反应最敏感的指标，回潮率的控制向来是纤维生产企业的难题。棉纺织企业对回潮率指标的认可度明显提升，认为回潮率指标好的企业较2019年提高了13个百分点，认为一般和较差的企业占比明显下降，说明纤维生产企业结合生产实践，把控回潮率的措施取得了一定的效果。
4、油剂
粘胶短纤维油剂是纤維后处理工序的重要化学用剂，它能增加纤维的润滑性，减少纤维的静电效应，增加纤维的抱合力，还可增加纱线的强力和耐磨性能，降低加捻强度损失。棉纺织企业对纤维油剂指标的认可度最高，占比也有所提升，有利于纺纱企业提高可纺性和适用性，但仍有23%的企业认为纤维油剂的品质存在差距。
（四）服务满意度评价
对再生纤维素纤维供应企业服务满意度的评价主要包括三个方面，供货稳定性、包重稳定性和售后服务，结果如表3所示。
1、供货稳定性
调研结果显示，认为供货稳定性好的棉纺织企业占比较2019年下降了16个百分点，满意度较低。一个好的纤维生产企业，拥有持久的竞争力才有利于增加企业的经济效益和社会效益，纤维生产企业既要提高供货的稳定性，也要保证供货的及时性。
2、包重稳定性
棉纺织企业对包重稳定性的满意度最高，82%的企业认为包重稳定性好，与2019年相比提高了11个百分点。包重的稳定性与回潮率相关性较大，对比表3企业对回湖率指标的评价可见，随着纤维生产企业对回潮率的控制提升，包重的稳定性随之提高。
3、售后服务
棉纺织企业对售后服务的满意度有所下降，认为售后服务好和一般的企业分别下降了5和2个百分点，认为较差的企业增多。售后服务最能体现纤维生产企业的服务品质，也会影响甚至决定纤维生产企业的长远发展，售后服务质量下降将会造成订单的流失，纤维生产企业的服务意识有待提升。
（五）产品开发能力
从原料来源看，除了使用传统的棉浆、木浆、竹浆以外，随着回收利用的棉纺织品制浆技术逐步工业化，循环再利用再生纤维素纤维也成功推向市场，再生纤维素短纤维功能性产品进一步扩展。针对不同纺织设备开发的定制化纤维产品进一步提升了下游的生产效率及产品质量，受到了下游市场的广泛欢迎。
棉纺织企业对再生纤维素纤维产品开发能力的好评明显提升，主要在两方面有突出表现，一是新产品开发能力有所增强，但仍有39%的企业认为开发能力一般和较差，说明再生纤维素纤维产品的开发还存在很大的提升空间;二是合作开发的积极性大幅提高，认为合作开发的积极性高的企业占比较2019年提高了17个百分点，见表4。再生纤维素纤维生产企业与棉纺织企业合作开发能够更充分地发挥各自优势，有利于加强双方之间的交流，充利用各方资源，研发出更多符合市场需求的产品。
三、思考分析
总体而言，在纺纱应用中，对再生纤维素纤维纤维的纤维强度，并丝、疵点，批次稳定性，供货稳定性，售后服务，新产品种类六方面的意见较为突出，各纤维生产企业在此六方面的表现也差异明显。
（一）六家优质供应商的发展分析
中国棉纺织行业协会与中国化学纤维工业协会于2021年联合推出了6家棉纺织产业链“优质供应商”，企业经营各有特点，见图2，主要情况如下。
1、赛得利、唐山三友各方面表现较为均衡，没有明显短板，结合当前国内市场实际情况，不论产品质量、服务及业内影响力均不愧为龙头企业。
2、兰精、新疆中泰有较明显的优劣势。兰精在纤维强度、并丝、疵点，批次稳定性、新产品种类四方面表现突出，但在供货稳定性及售后服务两项中有一些非议，部分原因或受制于产能及市场，或因在新冠疫情导致国际海运受阻的情况下，使问题被进一步放大。新疆中泰则是“另一个极端”，由于地处新疆，其粘胶纤维产能多通过“疆内循环”，这使其具有稳定的客户群体，产业链能够形成稳定的供需关系，生产连续性较强，产品稳定性好，也利于提供售后服务，但另一方面，需要进一步提升产品品质。
3、山东雅美、丝丽雅两家企业总体表现比较优秀，不过在稳定产品供应、新产品研发等方面应有较大的提升空间，质量稳定性控制、回潮率控制及售后服务能力也需要进一步加强。
（二）国产莱赛尔纤维的发展分析
随着国产莱赛尔纤维逐步成熟并形成一定规模，此次调研中，除常规粘胶短纤维外，棉纺织企业也对国产莱赛尔纤维进行了评价，见图3，主要情况如下。
1、大多数棉纺织企业对莱赛尔纤维的强度指标表示满意，这主要得益于纤维的本征特性，对纤维回潮率、油剂指标的评价也不错，部分指标甚至好于常规粘胶短纤维，但在并丝、疵点方面的问题较为突出。
2、棉纺织企业对莱赛尔纤维生产企业的供货稳定性、包重稳定性两项指标较为满意，主要由于近几年莱赛尔纤维行业产能增长迅速，行业库存较高，能够保证下游需求;对包重稳定性的评价则更高，得益于纤维生产企业的供货理念，应用的打包设备基本是业内通用的新设备，对包重控制相对更好。
3、棉纺织企业对我国莱赛尔纤维行业评价最低的两个维度是新产品种类和合作开发积极性，说明目前我国莱赛尔纤维生产企业产品较为单一，多为常规莱赛尔短纤维（非交联型），交联型、半交联型产品尚未成熟。与之对应的，我国莱赛尔纤维行业发展时间相对较短，能够支撑产业链合作、开发的人才相对匮乏，纺纱技术、印染技术仍是制约莱赛尔纺织品后道应用的关键瓶颈。由此看，通过产业链合作打通关键技术瓶颈，是进一步拓展莱赛尔纤维下游需求的关键。
（三）粘胶短纤市场运行情况
除了产品质量、服务满意度和产品开发能力外，价格也是棉纺织企业应用原料时考虑的重要因素。棉花、涤纶短纤和粘胶短纤是棉纺行业的三大主要原料，近五年的价格走势主要有以下几个特点：一是三者有一定关联度，整体走势趋向一致;二是2020年以来，在中美贸易摩擦及新冠疫情等因素的影响下大幅波动，2021年3月粘胶短纤价格甚至高于同期的棉花价格：三是与棉花和粘胶短纤相比，涤纶短纤价格走势相对较为平稳，见图4。
粘胶短纤价格波动除了与市场需求相关外，还受粘胶行业产能及产量变化的影响。2017年，粘胶行业库存处于历史较低水平，供给紧缺支撑粘胶短纤价格上涨，从表5可以看出，当年粘胶短纤与棉花价格基本持平;进入2018年，粘胶行业产能逐渐释放，供需矛盾明显，叠加中美贸易摩擦对下游纺织需求的影响及新冠疫情冲击，两年间价格一路下滑;从2020年8月开始，随着供给端边际改善，需求端出现增长，价格持续攀升;到2021年3月涨至峰值后，受下游需求不振影响，价格下跌。
四、再生纤维素纤维产业链面临的挑战及发展展望
（一）产业链面临的挑战
1、供需结构阶段性失衡
随着再生纤维素纤维行业技术的进一步发展，粘胶短纤维单线产能快速增长，莱赛尔纤维技术实现突破，“十三五”期间，再生纤维素纤维行业迎来产能的快速增长，粘胶短纤维增量超百万吨，莱赛尔产能突破20万吨。但受中美贸易摩擦、产业转移、新冠疫情等一系列因素影响，下游需求增长幅度与上游产能扩张速度相比存在较大差距。再生纤维素纤维产能利用率近几年持续维持低位，再生纤维素纤维企业正面临严峻的生存挑战。
2、绿色可持续属性尚未转化为竞争力
相比于粘胶短纤维，尽管莱赛尔纤维被称作新一代“绿色纤维”产品，并被视为未来有可能全面替代粘胶短纤维的创新产品，但由于产品本身特點及后道加工与常规粘胶短纤维存在差异，目前市场销售、终端需求中普遍被当做独立产品进行销售。下游客户采购原料主要考虑的因素是价格、加工费、产品质量、售后及终端需求，当前国内莱赛尔纤维产品销售的竞争仍是莱赛尔纤维行业内的竞争，比拼的是产品的品质与价格，因此，尽管莱赛尔纤维生产企业多用“绿色纤维”作为产品亮点作为宣传，但短期内并不能对下游采购形成明显的促进作用。
3、产品质量及研发力度仍需提升
从2021年调研棉纺织企业反映的情况看，我国再生纤维素纤维生产企业在产品质量、新产品研发及合作开发积极性等方面虽然有了明显的进步，但仍存在较大的提升空间。除传统意义上的莫代尔、高白纤维、功能性纤维等差异化产品研发外，针对产品质量提升，部分再生纤维素纤维企业正在深入研究更加适用于特定纺纱机型的“定制化”产品。通过生产参数微调、油剂调整等手段，优化纤维在纺纱中的表现，支撑下游客户提升纱线抱合力、提高纺速等，值得行业其他企业学习、参考。
（二）未来发展展望
1、打造绿色可持续发展产业链
再生纤维素纤维作为原料可再生、产品可降解的纤维产品，具有天然的绿色可持续属性。随着终端服装品牌对“可持续原材料”采购需求的进一步增加，产业链需要进一步加强合作，共同打造绿色可持续产业链，提供源于自然、归于自然的可持续、高品质绿色纺织原材料。与此同时，产业链也需要形成合力，进一步加强宣传推广力度，让下游企业及终端消费者真正了解、认识再生纤维素纤维，感受到再生纤维素纤维的魅力。
2、加大产品开发与应用领域拓展力度
随着人们消费理念的提高，再生纤维素纤维越来越受到人们的青睐。再生纤维素纤维行业需要继续挖掘产品特点，加大市场开发及配套服务工作，针对性开发、定制差异化产品，扩展下游应用领域、提升产品用量。重点关注再生纤维素纤维产品追溯示踪技术、“可持续粘胶短纤维”品牌建设、交联莱赛尔纤维研发以及莱赛尔纤维纺纱、印染技术等。
3、充分发挥协会、联盟作用
产业链商业环境、传统粘胶纤维的环境保护及行业形象、莱赛尔纤维纺纱、印染技术瓶颈等问题，均属于产业链上下游从业者面临的共性问题。需要充分发挥中国棉纺织行业协会、中国化学纤维工业协会、再生纤维素纤维行业绿色发展联盟在相关工作中的引领性作用。依托协会、联盟的工作平台，通过行业交流合作，共同探讨相关问题的解决方案，并依靠其影响力，逐步解决行业面临的共性问题，进一步引导再生纤维素纤维产业链的高质量发展。
作者信息
徐漾源 中国棉纺织行业协会 副秘书长
张子昕 中国化学纤维工业协会发展部副主任/CV联盟秘书长
作者：徐潇源 张子昕
摘要：纤维素是重要的可再生纤维原料。改善再生纤维素纤维生产的可持续性，减少对环境的冲击是再生纤维素纤维生产商的重要任务。本文重点介绍了近年来再生纤维素纤维技术的新进展，主要包括熔纺再生纤维素纤维、生物酶纤维素直接纺丝工艺、原纤化制纳米纤维素纤维以及高附加值铜氨纺粘非织造技术等，并对我国以粘胶纤维生产为主的再生纤维素纤维行业提出了环境友好发展建议。
关键词：环境友好；熔法纺再生纤维素纤维；粘胶纤维；铜氨纤维
Key words： eco-friendly； melt spinning regenerated cellulose fiber； viscose fiber； cuprammonium rayon
近年来，新型溶剂的开发以及生物技术等的发展与应用，为替代传统粘胶纤维的高污染工艺提供了可能。与此同时，纤维素熔法纺丝工艺、Lyocell纺熔非织造布技术、原纤化制纳米级再生纤维素纤维等新技术和新成果也表明，再生纤维素纤维工业的发展与环境友好同行。
1 再生纤维素纤维生产的环境评述
1.1 粘胶纤维生产的环境因素分析
纤维素系可再生资源，可通过化学改性转化成多种高附加值的纤维产品。再生纤维素纤维生产可能带来的环境冲击，对纤维素资源的合理利用和企业的持续发展至关重要。以下就每生产一吨产品，涉及到的环境因素进行分析。（注：该部分所有数据均基于以针叶木溶解浆为原料的粘胶纤维。）
（1）大气环境
每生产一吨再生纤维素纤维对大气的冲击主要包括：氧化氮（NOx）排放量2.32 kg，颗粒物0.63 kg，二硫化碳0.95 kg，总硫降低（TRC）0.08 kg，挥发性有机化合物（VOC）1.85 kg。
（2）碳足迹（GHG）
每生产一吨再生纤维素纤维的GHG排放为535 kg CO2 e，其中直接GHG排放245 kg CO2 e，占总GHG的46%；购买电力34 kg CO2 e，占6%；运输等56 kg CO2 e，占10%；添加剂200 kg CO2 e，占38%。
（3）能源
100%电能靠自给，为清洁能源；生物质（木材残留物）占90%，燃油占10%。
（4）残留物管理
总残留物对环境的冲击为350 kg/t，其中已燃烧能源占80%，重复使用占6%，焚烧掩埋危险废物占14%。
（5）生产用水
水资源的利用对水环境的冲击包括：总悬浮物（TSS）1.44 kg/t，BOD 0.77 kg/t，总氮0.23 kg/t，总磷0.07 kg/t，可吸附有机卤化物0.11 kg/t，废水排放58.1 m3/t。
1.2 国内粘胶纤维生产的环境状况
国内再生纤维素纤维生产中，醋酯纤维主要用于烟用丝束，纺织用再生纤维素纤维基本采用粘胶纤维工艺，其中兰精（南京）纤维有限公司的短纤维生产在“三废”治理与管理水平上居领先水平，国内其他粘胶纤维企业尚无法与之相比。虽然如此，但依据2011年奥地利Lenzing（兰精）集团纤维素纤维生命循环的研究报告，兰精（南京）纤维有限公司的粘胶短纤维生产对环境的冲击还要远高于兰精集团奥地利工厂的指标。其中臭氧层损耗高达10倍，光化学氧化高3.6倍，环境毒性高2.4倍，详细数据如表 1 所示。这说明，即便是在国内达标的粘胶企业其环境状况也与国际水平有较大差距，这应该引起国内粘胶纤维行业的重视。
2 再生纤维素纤维生产的环保新技术
2.1 热塑性再生纤维素纤维熔法纺丝新技术
对纤维素分子链上的氢氧基进行化学改性处理，可以取得提升纤维素热塑性的明显效果。例如采用开环聚合方法，于纤维素主上链镶嵌环状酯基，可以制得热塑性纤维素衍生物，纤维素酯基可以是CH3—CO—或CH3CH2—CO—基团。亦可采用大型取代基与纤维素氢氧基进行酰化反应，进而制得热塑性纤维素，纤维素醚可以使用CH3—O—或CH3CH2—O—基团。
日本东丽公司开发了商品名为Foresse的熔融纺再生纤维素纤维，改性后的纤维素酯经过混合工序，送入挤压装置与水溶性塑化剂捏合，形成热塑性纤维素复合物料。热塑性纤维素的成形采用熔法纺丝工艺，卷绕速度为2 000 m/ min。卷装的长丝纱需经过皂洗处理以去除塑化剂，亦可以织物的形式进行皂洗。东丽熔融法再生纤维素纤维的工艺流程为：标：模量30 ～ 50 cN/dtex，遮光指数1.84，静电势 2 ～ 3 kV，标准吸湿率4.0%。
熔法成形可以有效地生产多类异形截面的纤维，亦便于更换品种，具有十分好的生产灵活性。目前已成功制得的热塑性再生纤维素纤维主要包括三叶形异形长丝、中空纤维和海岛型双组分纤维。其中中空纤维的表现比重0.80，孔隙率40%，非常适用于加工超轻织物，如单丝直径0.08 dtex（直径 3 μm）的细旦丝，可以织制手感超柔软的纺织品。改性的异形截面熔融纺再生纤维素纤维具有吸湿快干的特点。
德国纺织与化纤研究所（ITCF）与Rhodia公司合作，制得具有优良膨润性和渗透性的三甲基甲硅烷纤维素（TMSC），而后采用熔法纺丝工艺，后经水解处理制得100%再生纤维素纤维。在这一工艺中，熔融纺温度低于250 ℃，纺丝卷绕速度为1 000 m/min。表 2 为该纤维的品质指标。
2.2 纤维素纺熔非织造新技术
20世纪60年代，英国Courtaulds（考陶尔兹）公司、德国Enka（恩卡）公司开始进行以纤维素为初始原料的纺丝成网非织造技术研究。进入21世纪以来，众多的纤维生产商尝试改进纤维素非织造产品的性价比，纤维素纺熔技术与产品的开发日趋活跃。立足于Lyocell 技术，兰精集团、美国Weyerhaeuser制浆造纸公司、欧洲Fraunhofer应用聚合物研究所和德国非织造机械制造商Reifenhauser（莱芬豪舍）公司、Biax等在纤维素直接成网技术上均进行了研究和探索。
2.2.1 纤维素纺粘非织造新技术
德国Fraunhofer研究所、美国制浆造纸企业公司和莱芬豪舍合作进行纤维素纺丝成网非织造布产品的开发，试验以针叶木溶解浆为原料。以低聚合度原料浆粕制得低粘度Lyocell纺丝液，纤维素组分浓度7.5%。纺丝成网使用的纺丝板孔径为0.4 mm，每孔挤出量为0.2 g/（m2？min），纤网单丝纤度 1 dtex。以纤网克重22 g/m2计，纤维素纺粘产品的品质指标为：湿态强力110 N/m（MD）、95 N/m（CD），伸长率19% ～ 36%；干态强力700 N/m（MD）、500 N/m（CD），伸长率10% ～ 20%。试验在幅宽为600 mm的Reicofil试验设备上完成。
德国SME公司开发的全新纤维素纺粘非织造工艺采用NMMO/水溶液系统，纺丝成网装置具有结构简洁实用的特点，对初始浆粕的品质适应性好，并可最大限度将纤维素转化为纤维素网材，网的单丝直径分布在 1 ～ 15 μm范围内。产品适用于医用、卫生保健和防护服装等领域。目前这一装置和工艺正在商业化试验中。
台湾地区聚龙（Alon）公司采用NMMO溶剂系统，纤维素纺粘非织造产品的克重可控制在10 ～ 300 g/m2之间，纤网强力MD>196 N，CD>118 N，单丝直径约15 μm，空气透过率3 500 cm3/（cm2？min）。装置的加工速度为200 m/ min。
在纤维素纺粘非织造产品的开发中，Nanoval公司的Nanovlisz纤维素纺粘产品在细旦化和生产效率方面具有优势。该工艺采用DMMO溶剂系统，纺丝液浓度8%，商业化设备幅宽750 mm，喷头孔密度250 ～ 400孔/m，纤网单丝直径分布为 1 ～ 15 μm。纺丝组件和喷头呈三排孔分布，排间距10 mm，生产效率可达到20 kg/（h？m）。
2.2.2 纤维素熔喷非织造新技术
随着消费者环保诉求的日益强烈，近年来非织造布工业使用生物可降解原料的趋势明显增长。以纤维素为原料的熔喷非织造布的研究也取得了很大进展，这主要包括纤维原液的制备工艺、挤压装置，微细再生纤维素纤维成形、后整理技术等。Biax公司选择的NMMO溶剂系统，其纺丝液纤维素浓度控制在6% ～ 15%之间。纺丝温度在70 ～120 ℃之间，溶剂回收率可达到99.6%。
Biax公司专门设计的纤维素熔喷成形组件为多排孔分布，喷头的孔密度为200孔/英寸，具有高产、高效特点。整个纺丝系统在高压条件下运行，挤出效率要大大高出传统熔喷系统。Biax的熔喷系统使用的纺丝液在常温下呈固状，随着温度变化其流动性能发生变化，所呈现出来的的物理状态和普通热塑性树脂十分相似。
使用的初始纤维素原料的平均聚合度DP在330 ～ 420之间。熔喷工艺的基本条件为：挤压机三区温度分别控制在165 ℃/198 ℃/230 ℃，法兰区温度为230 ℃，过滤网调节装置为230 ℃，输送泵温度为230 ℃；组件喷头的使用压力为650 psi；热空气温度250 ℃，压力14 psi。纤网单丝直径可控制在4 ～ 25 μm内。表 3 为Lyocell 与PP、PET熔喷非织造产品的性能特征。
实验室规模制得的Lyocell纤维素熔喷网，克重为50 g/ m2，在干态条件下，其纵横向强力比为75/60，干伸长比达1∶1。最大吸附率为0.3 g/s，动态吸附能力7.0 g/g（前/后， Gats），压力条件下的水吸附性能为6.5 g/g。
目前，Lyocell 纤维素熔喷试验在提高成本效率、可行的纺丝液配置及成形系统以及溶剂回收技术等方面的研究正稳步向商业化阶段推进。
纤维素熔喷材料取材于可再生资源，产品具有生物可降解性能，在高温条件下也具有较好的耐用性，制品的强度、抗静电性和染色性优越，可用于纸尿裤、卫生巾、医用绷带、揩巾和清洁袋等领域。工业领域的使用主要为空气过滤介质、液体过滤介质、电池隔膜等。
2.3 原纤化纳米纤维素纤维的开发技术
采用原纤化工艺制备纳米纤维素纤维技术目前已实现了商业化运营，并由美国EFT公司建设了产能规模为300 t/a的装置。
原纤化Lyocell纳米纤维，即通过原纤化和连续的撕裂（Splitting）作用，形成单丝直径在50 ～ 500 nm之间的原纤化纳米纤维素纤维。原纤化纳米纤维素纤维网材具有静电纺或其他熔纺纳米纤维产品的基本技术特征，纤网中单纤的平均直径在300 nm左右。以Lyocell纤维网的单丝直径分布为例，直径<200 nm的纤维占15%，200 nm的占21%，300 nm的占23%，400 nm的占14%，500 nm的占10%。直径大于2 ～5 μm的纤维所占比例很少，一般来说原纤化纳米纤维素纤维的长径比可达到1 000∶1以上。
原纤化纳米纤维素纤维适用于加工特种纸制品、湿态或干态加工的多种工程用材料。据了解，EFT的原纤化纳米纤维材料已得到美国食品药品管理局（FDA）的使用认证。原纤化工艺对原料的适应性很强，除正规原料外，对含固量为20%的湿态颗粒料、含固量为5%的液态浆料亦可正常使用。
原纤化法制纳米纤维成本较低，同时更能适应规模化生产的需要。表 4 为原纤化Lyocell纳米纤维生产工艺与其他工艺生产效率的对比情况。
旭化成公司的纤维技术研究中心通过原纤化技术，成功制得了纳米再生纤维素纤维非织造布。该产品的单纤直径在30 ～ 400 nm之间，克重为 3 ～ 20 g/m2。纤网的透明度为70%（浸入苯溶剂中），厚度 7 μm，干态强力为8.8 ～12.7 N/15 mm。
原纤化Lyocell纳米纤维的湿态纸制品，孔隙尺寸<1mm，目前已在空气过滤、液体过滤、医用屏蔽材料和室内清洁揩巾等领域得到使用。旭化成公司开发的纳米纤维网材具有十分好的热性能，是功能性过滤、高性能电池隔膜材料的理想选择。
2.4 生物基再生纤维素纤维生产技术
欧盟开展的EO-PR6计划系采用安全、可生物降解的生物酶纤维素为原料，将其直接溶于碱溶液，进而纺制新型再生纤维素纤维。该方法摒弃了传统粘胶纤维生产中使用的溶剂CS2和纤维素磺化工序。目前其生物基再生纤维素纤维（Biocelsol）已进入半放大试验（semi-pilot）阶段。
2.4.1 生物酶纤维素制备
首先将初始纤维素原料进行机械粉碎处理，时间为5 h；生物酶在50 ℃下处理 3 ～ 5 h，pH值控制在 5 左右。生物酶制剂采用已商业化的市场供给产品，生物酶处理得率在97%左右。表 5 为采用生物酶工艺的Biocelsol纤维素与普通粘胶的技术特征。
2.4.2 生物酶再生纤维素纤维的成形工艺
（1）纺丝液配置
经生物酶处理的纤维素的平均聚合度为350，在氢氧化纳溶液中的溶解度达99%。在总碱度7.9%的条件下，纺丝液的纤维素含量为6.0%，氧化锌为0.84%。纺丝液的阻塞值（Kw）低于200，不溶性颗粒物低于0.5%。物料溶解和混合过程保持在 3 ℃的恒温条件下，过滤、脱泡于0 ℃条件下完成。
（2）纤维素成形特点
生物酶纤维素采用酸浴为成形浴，其组成为：硫酸含量5% ～ 15%，硫酸纳10%，成形温度15 ℃。纺丝试验采用湿法立式纺丝工艺，纺丝头牵伸0.4 ～ 1.1倍，纺丝板孔数
波兰生物与化纤研究所采用Biocelsol的生产工艺已顺利制得长丝产品。初始原料为芬兰产溶解浆DP550。纺丝液配置温度为 3 ℃，落球秒数从70 s升至90 s，混合时间为 1 ～6 h，过滤时间 4 h，纺丝液过滤值K为100，不溶物低于0.5%。纺丝板孔径为0.06 mm，纺丝速度为40 m/min。所产单丝的纤度为1.7 dtex，强力为1.6 cN/dtex，伸长率达11.5%。2.4.3 生物酶再生纤维素纤维技术的可行性评价
与传统粘胶纤维比较，生物酶再生纤维素纤维技术具有较高的平均聚合度，其配置的纺丝液浓度和相对粘度较高。基于溶解浆和纤维素成形的技术条件，生物酶再生纤维素纤维工艺有取代传统粘胶纤维的可能性。特别值得一提的是，以Biocelsol为代表的生物酶再生纤维素纤维生产技术摒弃了使用有毒溶剂CS2的磺化工艺，避免了严重的环境污染问题。
生物酶再生纤维素纤维的纺丝工艺具有较低的碱/纤维素比，即将粘胶法的碱/纤维素比从7.8∶6.0降至3∶9。纤维品质指标进一步优化，如强度从1.2 cN/dtex提高至1.8 cN/ dtex。根据欧盟EO-PR6 研究团队的研究，Biocelsol技术拥有很大的开发空间。目前其工业化生产的可行性研究已取得了共识。
2.5 铜氨纺粘法非织造布
日本旭化成公司以棉短绒为初始原料，铜氨溶液为溶剂，采用纺粘法成功制得了100%再生纤维素纤维非织造产品，并实现了4 500 t/a级的工业化生产，其产品的商品名为Bemliese。
2.5.1 铜氨纺粘法非织造布的技术特征
铜氨纤维素纺粘法非织造布取材于棉短绒，其纤维制品具有良好的吸湿性。Bemliese不使用黏合剂，具有较高的使用安全性。值得一提的是，由于纤网由连续长丝构成，因此纤维表面不会产生绒毛，为在高端医用和卫生保健用品上的应用提供了可能。
铜氨纤维素纺粘非织造工艺主要包括 3 个操作区，即溶液配置、挤压成形和成网，此外还包括水处理和氨与铜的回收。
铜氨纤维成形需要大量的水，平均每吨纤维约耗用600 m3纯水。因此，在生产中除实现对铜和氨水的回收外，还必须完成水处理过程，以保证排水达到环保指标，即铜含量≤0.01 mg/kg，氨含量<13 mg/kg。
（1）铜氨纤维素纺丝液的配置
原料短绒的甲纤含量通常高于98%，平均聚合度为500。铜氨溶液一般使用碱式硫酸铜与氨水配置而成。
纤维素经开松处理、苛性钠碱液浸渍、汽蒸处理、过滤、漂白和溶解等工艺，制得铜氨纤维素纺丝液。原液的纤维素浓度在10%左右。
（2）铜氨纺粘法非织造布的技术特征
铜氨纤维素纺粘非织造布的成形装置采用 3 组矩形纺丝组件和矩形纺丝板，纺丝板孔径在0.5 ～ 0.7 mm之间。在牵伸工序中，纤维素丝束的牵伸倍数为100。纤维成形速度为150 m/min，纤网加工速度为20 ～ 40 m/min，纤网单丝直径可控制在 3 ～ 5 μm内。铜氨再生纤维素纺粘非织造布的工艺流程如图 1 所示。
2.5.2 铜氨纤维素纺粘法非织造布的应用
铜氨纤维素纺粘法非织造布产品具有吸湿性好、对粘着物和表面活性剂脱除能力强、抗化学性突出（IDA测定值达50）等优点。旭化成公司Bemliese克重27.5 g/m2的揩巾产品的ESP值为400 V，而同规格的梳理型非织造布（粘胶/ PET）的ESP值高达900 V，凸显了良好的抗静电性能。铜氨纤维没有软化点，其熔点在260 ～ 300 ℃之间，比聚酯纤维的热性能要好；此外，铜氨纤维网材的吸水测试结果显示，其吸水率达13.6 mL/g，吸水速率达92 ～ 120 mL/（m2？s）。
铜氨纤维素纺粘非织造布及其制品的独特使用性能，使其在高端医用、卫生保健以及特别工业用途方面取得了市场的普遍认可。诸如化妆用品使用的网材，干态和湿态垫片，湿纸巾和面部清洁巾，卫生保健用品清洁毛巾、纸巾等。工业用主要为高擦拭效果的揩巾、试验室用揩布、网材与抛
2.6 环保功能性再生纤维素纤维的开发
2.6.1 Alceru 抗菌再生纤维素纤维
德国Thuringian纺织与塑料研究所（TITK）成功制得了具有抗菌功能的银系再生纤维素纤维，该纤维采用Alceru纺丝工艺，即将经过预处理的浆粕直接溶于NMMO水溶液配置成纺丝液，经纺丝成形、后处理后得到抗菌再生纤维素纤维。TITK在开发专用于食品加工操作服装的抗霉菌纤维的试验中，选择了 3 种类型的纤维试样，分别为含ZnO再生纤维素纤维、含ZnO的离子交换再生纤维素纤维以及含AgNO3和TiO2的离子交换再生纤维素纤维。3 种纤维的技术特征如表 7 所示。
除此之外，TITK也可提供纳米级的银系抗菌剂。使用NMMO水溶液配置的纳米银系列纺丝液具有较高的热稳定性，银系列的添加剂粒度在80 ～ 140 nm之间，抗菌纤维的单丝纤度低于 2 dtex。据介绍，银系纳米抗菌剂的添加量即使低至100 mg/kg仍能满足正常的抗菌性能要求。
在应用方面，Alceru银系抗菌再生纤维素纤维可按2% ～10%的比例与其他纤维混合使用，目前已在空气过滤介质、食品行业作业着装以及医用纺织品等领域展现出了良好的市场潜力。
2.6.2 磁性再生纤维素纤维
将六铁酸钡（BaFe12O19）改性剂添加到Lyocell的纺丝液中，制得的纤维具有电磁传感功能，或可作为微波吸收材料。通常六铁酸钡改性剂粉末在使用前要经受840 ℃高温的预处理，该磁性再生纤维素纤维的直径可控制在15 μm左右。
波兰Lodzd技术大学在磁性再生纤维素纤维的研究中，采用羧基铁粉（CIP）作为改性剂，磁性纤维的加工工艺紧凑，流程较短，大致为：所用原料浆粕的甲纤含量不低于94%，平均聚合度为800；采用DMMO水溶液做溶剂，直接配置的纺丝液中纤维素的浓度为12%，溶解过程的最高温度为110 ℃，压力240 mbar，溶解时间80 min；纺丝成形采用干-湿法工艺，凝固浴温度为20 ℃，塑化浴温度为70 ℃，加工速度在50 ～ 70 m/min之间。
磁性再生纤维素纤维可以织物或梳理型非织造布形式进行应用。目前，该纤维的织物已用于电器等电装置的部件中，如感应传感器、电磁制动器等。此外，磁性纤维非织造布还可用作电磁环境下的屏蔽保护材料。
3 关于国内再生纤维素纤维技术开发的思考
目前，粘胶纤维是再生纤维素纤维的主要品种，但其生产过程伴有严重的环境危害。自20世纪70年代以来，欧美与日本等发达国家和地区基于正常的技术更新规律，已基本放弃了传统粘胶纤维的生产。现阶段，粘胶纤维生产企业在技术方面的投入基本集中于应对或缓解生产中的“三废”对环境的冲击，可以说，传统粘胶纤维工艺基本不会再有较大的技术上的变革。而无限制地生产和过度使用粘胶纤维，对于纤维资源相对富足的我国来说也并非是合理的选择。
我国是世界上最大的纺织品生产国，而化纤占据着国内纤维加工总量的约70%。与此同时，资源瓶颈、环境污染等问题也正困扰着以粘胶纤维为代表的再生纤维素纤维行业。当前，国际上通过技术创新和升级实现再生纤维素纤维的可持续发展已逐渐转移至新型溶剂、高效低能耗熔法纺丝、生物酶纤维素直接纺丝等环保技术领域，这对我国粘胶纤维行业扩充产能和转型升级均具有现实的借鉴意义。
1 我国环境保护节能减排的目标
我国已向全世界宣布，到2020年要全面达到小康社会，2005 — 2020年15年间，GDP总量以平均每年8%的速度增长，2020年将达到2005年的 4 倍，单位GDP污染物排放量要比2005年降低40% ～ 45%。经过各方努力，2010年我国已完成“十一五”的减排计划，国务院也于2012年发布了《国家环境保护“十二五”规划》和相应的规定及重要指示，确定了重点工作部门的分工方案，要坚定不移地完成各项环保指标。
（1）全国污染物排放总量控制目标
根据国家的相关规划，2015年全国化学需氧量（COD）排放总量应控制在2 347.6万t以内，比2010年减少8%；二氧化硫（SO2）排放总量控制在2 086.4万t，比2012年减少8%；氨氮排放总量控制在238万t，比2010年减少10%；氮氧化物排放总量控制在2 046.2万t，比2012年减少10%。
（2）“十二五”污染减排的目标与核心任务
根据《国家环境保护“十二五”规划》、《节能减排“十二五”规划》和《“十二五”节能减排综合性工作方案》的要求，“十二五”期间全国应减排化学需氧量420万t，二氧化硫277万t，氨氮40万t，氮氧化物358万t，以实现全国总量控制、行业总量控制和区域总量控制三大目标。同时规划，至2020年实现单位GDP二氧化碳排放量比2005年下降4%的目标。
（3）工业行业污染物减排目标
根据规划，2015年我国工业化学需氧量、二氧化硫、氨氮、氮氧化物将分别比2010年减少10%、10%、15%和15%；农业化学需氧量、氨氮分别比2010年减少8%和10%。工业中，火电二氧化硫和氮氧化物、钢铁二氧化硫、水泥氮氧化物、造纸化学需氧量和氨氮、纺织印染化学需氧量和氨氮排放量将分别比2010年减少16%、29%、27%、12%、10%、10%、10%和12%，具体如表 1 所示。
作者：芦长椿
摘 要：【目的】解淀粉芽胞杆菌菌株FJAT-8754是一株高产纤维素酶、淀粉酶的芽胞杆菌，具有在复合饲料酶制剂生产中的应用潜力。为深入了解该菌株的发酵进程，以便实现对发酵过程进行最优化控制。【方法】采用50 L发酵罐发酵菌株FJAT-8754，分析发酵过程中菌体数量、pH值、底物浓度、纤维素酶和淀粉酶等的动态变化，并选用Logistic方程和Luedeking-Piret方程构建发酵动力学模型。【结果】根据菌株FJAT-8754发酵过程中各参数变化动态建立了模拟菌体生长、纤维素酶与淀粉酶产生和底物消耗的动力学模型，并应用SPSS 16.0软件对数据进行计算与分析，Origin 9.0软件经非线性拟合与优化，获得了最佳模型参数值。【结论】所构建的动力学模型的计算值与实验值拟合良好，较好地反映了菌株FJAT-8754发酵过程中菌体生长、底物消耗和酶合成的动力学特征。菌株FJAT-8754发酵过程中产物的合成属于生长部分偶联型。
关键词：解淀粉芽胞杆菌;发酵;动力学模型;纤维素酶;淀粉酶
Key words：Bacillus amyloliquefaciens; fermentation; kinetic model; cellulase; amylase
0 引言
【研究意义】解淀粉芽胞杆菌 Bacillus myloliquefaciens是芽胞杆菌科Bacillaceae芽胞杆菌属Bacillus的一种革兰氏阳性杆菌，由于其能产生液化淀粉酶分解淀粉，而被定为该名[1]。解淀粉芽胞杆菌在自然界广泛存在，许多菌株可以产生一系列能够抑制真菌和细菌生长的代谢产物及多种水解酶，因此具有防治植物病害、促进动植物生长、水果保鲜等功能[2-4]。有较多学者对从自然界分离到的解淀粉芽胞杆菌进行了发酵方面的研究，期望将其应用于植病生防、动物饲养、环境保护等领域。王卉等[5]用正交试验法优化了具有植物促生长效果的解淀粉芽胞杆菌L-S60的固体发酵工艺，可以使发酵产物中的菌体数达到2.42×1010 cfu·g-1;郦金龙等通过响应面分析法，确定了解淀粉芽胞杆菌菌株11568液体发酵产柚苷酶的最优培养基成分和发酵条件 [6];王全等[7]对解淀粉芽胞杆菌菌株12-7产抗菌蛋白的发酵条件进行了优化，为将该菌株应用于棉花黄萎病生物农药的研制开发奠定了基础。
【前人研究进展】发酵动力学研究微生物发酵过程中菌株生长速率、培养基消耗速率和产品形成速率间的相互作用和随时间变化的规律，是对微生物生长和产物合成过程的定量描述。目前，关于解淀粉芽胞杆菌产纤维素酶和淀粉酶发酵动力学的研究未见报道，但其他芽胞杆菌发酵动力学研究有过许多的报道。欧志敏等阐明了蜡样芽胞杆菌Bacillus cereus菌株CGMCC No.12336分批发酵过程的动力学模型，并拟合得到了动力学参数 [8];于晓萌等[9]优化了巨大芽胞杆菌Bacillus megaterium菌株GJT321生产Levan果聚糖的发酵条件，并研究了该菌株发酵生产Levan果聚糖的数字化模型;田雪等[10]基于Logistic方程和Luedeking-Piret等方程建立了地衣芽胞桿菌Bacillus licheniformis产β-甘露聚糖酶分批发酵动力学模型;孙宏等[11]优化了枯草芽胞杆菌Bacillus subtilis菌株Z-4产纤维素酶的培养条件，探索了该菌株发酵产酶过程中细胞生长和纤维素酶产物积累的规律，建立了相关数学模型;马永强等[12]建立了地衣芽胞杆菌菌株2709产碱性蛋白酶的发酵动力学模型;刘朝辉等[13]构建了能够较好表征枯草芽胞杆菌TJ-200603分批发酵过程中菌体细胞生长、产物β-甘露聚糖酶合成以及基质总糖消耗的3个动力学方程，这些都为各菌株发酵过程的在线控制和预测提供了理论基础。
【本研究切入点】解淀粉芽胞杆菌菌株FJAT-8754是本研究所筛选到的具有高产纤维素酶和淀粉酶复合酶的菌株，为了通过发酵获得大量的菌体及高活力的复合酶制剂产品，王凯等前期对菌株的发酵条件进行了优化[14]。【擬解决的关键问题】为了从数学层面去分析、揭示菌株发酵过程中菌体数量、底物消耗、酶产生的动态变化，为该菌株的中试扩大培养以及工业化生产提供理论基础，作者进行了菌株的发酵动力学研究。
1 材料与方法
1.1 菌株与培养基
菌株：解淀粉芽胞杆菌菌株FJAT-8754，保存于福建省农业科学院农业生物资源研究所菌种库;培养基：菌株FJAT-8754的一级种子液培养基为Luria-Bertani(LB)培养基，二级种子液培养基的组成为玉米淀粉10 g、豆粕粉10 g、NaCl 5.0 g、MgSO4·7H2O 0.5 g、KH2PO4·2H2O 0.5 g、K2HPO4·2H2O 0.5 g、CaCl2 0.2 g，蒸馏水1 000 mL，pH值6.2，上罐发酵培养基同二级种子液培养基。
1.2 菌株FJAT-8754的发酵培养
活化菌株FJAT-8754，并分别制备一级、二级种子液。应用50 L发酵罐(GUJS-50L型，镇江东方生物工程设备技术公司)，参照葛慈斌等[15]的方法，配制发酵培养基30 L、灭菌、接种，设定罐温35℃、通气量30 L·min-1、转速200 r·min-1，进行发酵培养，并每隔4 h 记录发酵罐中发酵液的pH值、DO值，并取样300 mL分装成3份，用于发酵液中活菌数、纤维素酶与淀粉酶活力、总糖、还原糖等状态参数的测定。共进行3次发酵试验，取上述状态参数平均值进行发酵动力学分析。
1.3 发酵液的活菌数测定
采用稀释涂布平板法测定发酵液的活菌数，取×10-4、×10-5、×10-6等3个梯度的稀释液100 μL，均匀涂布在LB培养基平板(每个浓度重复3次)，放置在30℃恒温培养箱内培养，3 d后统计平板上的菌落数，计算各发酵液的菌体数。
1.4 纤维素酶、淀粉酶活力的测定
取不同时段的发酵液5 mL，6 000 r·min-1离心10 min，上清液即为粗酶液，置于4℃冰箱备用;参照王凯等[14]的方法，用3，5-二硝基水杨酸(3，5-dinitrosalicylic acid，DNS)显色法测定发酵液中纤维素酶、淀粉酶的活力。
1.5 发酵液总糖、还原糖含量的测定
还原糖含量测定：采样3，5-二硝基水杨酸法[16]测定，取1 mL发酵液于50 mL容量瓶中并用蒸馏水定容，取定容后的l mL稀释液于20 mL的比色管中，加入1.5 mL DNS溶液，混匀后沸水浴10 min，冷却至室温后定容至20 mL，于520 nm波长处测吸光度，计算出发酵液中的还原糖含量。总糖含量测定：取5 mL发酵液于100 mL锥形瓶中，加蒸馏水15 mL和6 mol·L-1盐酸15 mL，混匀，在沸水浴中加热30 min后，用碘化钾-碘溶液检测水解程度，至完全水解;冷却后，加入甲基红指示液两滴，用10% NaOH溶液中和至红色消失，过滤并定容至100 mL;取定容后的溶液1 mL，按照还原糖的测定方法测定发酵液中的总糖含量。
1.6 动力学模型的构建
1.6.1 菌株FJAT-8754的生长动力学模型
在描述发酵过程中菌体细胞生长时，最常用的是Logistic方程(阻滞方程)，该方程能较好描述菌体的生长规律。Logistic方程为：
式中：μm为最大比生长速率，h-1;X为菌体浓度，×107 cfu ·mL-1;X0为初始菌体浓度，×107 cfu ·mL-1;Xm为最大菌体浓度，×107 cfu ·mL-1;t为时间，h。对方程(1)积分可得菌体浓度X的时间函数为：
以方程(2)为自定义函数，利用Origin 9.0软件对菌株FJAT-8754的生长进行非线性拟合，即可得到该菌株生长的动力学模型。
1.6.2 菌株FJAT-8754的纤维素酶、淀粉酶合成动力学模型
微生物发酵过程中除产生菌体以外，还会形成次级代谢产物。Elmer等[17]把代谢产物的形成方式分为三类，即生长相关型(也叫生长偶联型)、部分生长相关型(部分偶联型)和非生长相关型(非偶联型)。Luedeking-Piert方程常用于描述发酵产物合成动力学，当发酵产物的产生同时存在非生长相关型和生长相关型时，用下列公式表示：
式中：P为纤维素酶或淀粉酶的酶活，U ·mL-1;α为与生长相关联的产物合成系数;β为与生长无关的产物合成比速率。
将公式(2)带入公式(3)并积分，整理得到公式(4)：
将已知X0、Xmax、μmax拟合值代入公式(4)，应用Origin 9.0软件进行非线性自定义函数拟合，使用Levenberg-Marguardt参数拟合工具箱，分别进行拟合求参数α、β，将参数带入公式(4)，即得解淀粉芽胞杆菌FJAT-纤维素酶、淀粉酶合成动力学模型：
(1)纤维素酶合成动力学模型
(2)淀粉酶合成动力学模型
1.6.3 菌株FJAT-8754的碳源消耗动力学模型
在菌株FJAT-8754发酵过程中，玉米淀粉作为唯一碳源，主要用于产生新的菌体、维持菌体基本生命活动和代谢产物的生成这3个方面;但在发酵过程中，维持菌体基本生命活动所需消耗的底物所占比例相对较小，经常被忽略不计，为方便建模，可将该菌株发酵过程中玉米淀粉的消耗分为菌体生长消耗和产物合成消耗2部分，因此底物消耗方程式可用类似于Luedeking-Piert模型，具体公式如下：
式中：S为碳源(玉米淀粉)的质量浓度，mg ·mL-1;YX/S为细胞对碳源的得率常数;YP/S为酶活对碳源的得率常数。
将公式(2)、(3)代入公式(7)，并进行积分处理得：
将纤维素酶、淀粉酶合成动力学公式(5)、(6)代入(8)整理得：
其中：α1為纤维素酶合成系数，β1为产物合成比速率(对纤维素酶)，Y1为纤维素酶活产物与基质的得率常数;α2为淀粉酶合成系数，β2为产物合成比速率(对淀粉酶);Y2为淀粉酶酶活产物与基质的得率常数;S0为培养初期的初始基质浓度，μg ·mL-1。
利用Origin 9.0软件，采用Levenberg-Marguardt参数拟合工具箱，对菌株FJAT-8754发酵过程中基质消耗进行拟合，可得底物(总糖)消耗的动力学模型。
2 结果与分析
2.1 解淀粉芽胞杆菌FJAT-8754的发酵特征
解淀粉芽胞杆菌菌株FJAT-8754在50 L发酵罐培养过程中，随着菌株的生长，发酵液中的DO值、pH值、菌体浓度、还原糖浓度等参数也相应发生着一系列的动态变化(图1)。从图1可以看出，菌株FJAT-8754接种4 h后进入对数生长期，并在24 h时进入稳定期，28 h时菌体浓度达到最大值1.30×109 cfu ·mL-1，此后菌体浓度缓慢下降;纤维素酶、淀粉酶的酶活在刚开始发酵时极低，随着菌株进入对数生长期，酶活也随之迅速升高，并在32 h时(略迟于菌体浓度达到最大值的时间)达到最大酶活，酶活分别为125.8、1 267.7 U ·mL-1。
菌株FJAT-8754发酵液的溶氧量(DO)在开始培养后便快速下降，在16 h时达到最低、只有18.2，此后随着底物的消耗和菌株生长进入稳定期、衰亡期，发酵液的DO值逐渐上升。发酵液的pH在发酵2 h后开始快速下降，至发酵12 h时达到最低点5.22，这可能是因为菌体快速生长大量消耗葡萄糖产酸的缘故;之后pH值开始缓慢上升，至发酵36 h时升至6.17。
发酵液的总糖含量在0～4 h几乎没变化，之后随着菌株进入对数生长期，菌体快速生长需要消耗大量的碳源而开始迅速降低，至发酵20 h后由于菌体增长速度放缓，总糖消耗变小，浓度缓慢降低至基本保持稳定。还原糖浓度在0～4 h变化不大，发酵4 h后随着大量总糖被水解，还原糖浓度开始较快上升，并于16 h时达到峰值2.53 mg ·mL-1，之后由于总糖水解的减少，发酵液中的还原糖浓度又开始下降，至发酵36 h时降至1.92 mg ·mL-1。
分析菌株FJAT-8754发酵过程中，发酵液的菌体浓度、DO值、pH值、纤维素酶活力、淀粉酶活力、总糖浓度和还原糖浓度等7个参数之间的相关性(表1)，可以看出，pH值与其他6个参数之间的相关性均不显著;菌体浓度与除pH值之外的另5个参数之间存在着极显著的相关性，其中与DO、总糖浓度之间是负相关;纤维素酶活力与总糖浓度、淀粉酶活力及还原糖浓度之间的相关性也极显著，与DO之间的相关性显著;淀粉酶活力与总糖浓度、还原糖浓度、DO之间的相关性与纤维素酶活性基本一致;总糖浓度与DO之间显著相关，与还原糖浓度之间则极显著负相关;还原糖浓度与DO之间也存在着极显著的负相关关系。
2.2 解淀粉芽胞杆菌FJAT-8754生长动力学
解淀粉芽胞杆菌菌株FJAT-8754在50 L发酵罐的培养过程中，菌体细胞在经过短暂的延迟期后，进入对数生长期，之后趋于稳定(图1)。用Logistic方程描述菌株生长过程，用origin软件对试验所得的数据进行非线性拟合，得到了该菌株生长的动力学模型(10)，拟合模型曲线(图2)R2=0.99766，且试验值都在95%的置信区间内，模型预测值与实测值能较好的拟合。
2.3 解淀粉芽胞杆菌FJAT-8754的纤维素酶、淀粉酶合成动力学
由菌株FJAT-8754发酵过程参数测定(图1)可以看出，纤维素酶、淀粉酶的活性随菌体的增长而增加，达到稳定期后这两种酶才达到最高酶活，表明这两种酶的形成方式为部分偶联型。运用Luedeking-Piert公式计算得到的菌株FJAT-8754产纤维素酶、淀粉酶合成动力学模型分别为公式(5)和(6);产纤维素酶的拟合模型曲线见图3，R2=0.99657;产淀粉酶的拟合模型曲线见图4，R2=0.99298。
2.4 菌株FJAT-8754的底物(总糖)消耗动力学模型
用类似于Luedeking-Piert模型计算得到的菌株FJAT-8754发酵过程中底物(总糖)消耗的动力学模型见公式(11)，拟合模型曲线见图5，R2=0.98905。
3 讨论与结论
菌株FJAT-8754发酵过程中，菌体生长、纤维素酶与淀粉酶合成、底物消耗互为联系，密不可分。菌株FJAT-8754纤维素酶、淀粉酶活力的增长趋势滞后于菌体细胞生长，即产酶峰值滞后于菌体浓度峰值，这与郑毅等[18]、徐莹等[19]的研究结果较相似，即菌体细胞生长进入稳定期后，发酵体系中纤维素酶、淀粉酶的生产量仍在增长，酶活力继续提高，由此认为菌株FJAT-8754发酵生产纤维素酶、淀粉酶分为菌体生长和产物合成两个阶段，产物合成属于部分偶联型。
发酵动力学是微生物发酵过程优化和控制的重要基础，研究发酵动力学有助于深入了解微生物的代谢规律，从而有利于建立合理的发酵工艺，或是优化已有的发酵过程 [20];Monod、Aiba、Logistic和Luedeking-Piret等函数常用于发酵动力学模型的构建[21-22]。李浩等[23]对生防菌吡咯伯克霍尔德氏菌菌株JK-SH007液体分批发酵产生抑菌活性的动力学进行了研究，运用非线性拟合的方法确立了该菌株分批发酵动力学模型。Zhang等[24]建立了酿酒酵母菌株D254发酵过程中酵母菌生长、乙醇产生和底物消耗的动力学模型，有助于及时了解发酵液中乙醇及残糖的浓度。赵健烽等[25]以Logistic、Luedeking-Piret等方程为基础，建立了铜绿假单胞菌菌株M14808发酵过程中菌体生长、鼠李糖脂合成和碳源消耗的动力学模型，拟合度较好;周有彩等[26]构建了50 L发酵罐小球藻分批培养的Logic和Ludeking-Piret动力学模型，可用于描述小球藻分批培养细胞生长、蛋白质合成和葡萄糖消耗的过程;潘丹阳等[27]通过Logistic方程构建了层生镰孢菌细胞生长、几丁质脱乙酰酶(CDA)合成及糖基质消耗的非结构动力学模型;聂国兴等[28]基于Logistic和Luedeking-Piret，根据分批发酵过程中菌体生长、总糖消耗、反应体系pH值变化规律等构建枯草芽胞杆菌E79发酵过程中菌体细胞生长、产物合成及基质消耗的动力学模型，并应用Oirgin7.5软件经非线性拟合与优化，获得了最佳模型参数值，能较好反映菌株E79发酵的动力学特征。
本研究使用Origin 9.0软件对解淀粉芽胞杆菌菌株FJAT-8754产纤维素酶、淀粉酶复合酶发酵过程进行分析处理，建立了该菌株发酵过程中菌体生长、纤维素酶与淀粉酶合成以及底物消耗的动力学模型。经过模型拟合，发现这些模型与实验结果拟合较好，R2都在0.989以上，说明这些模型可较准确地描述发酵过程中菌株FJAT-8754菌体生长、纤维素酶与淀粉酶合成、基质消耗的变化规律。
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(责任编辑：林海清)
作者：葛慈斌 蓝江林 刘波 王凯 郑雪芳
纤维素酶结构和功能
概述了细菌纤维素酶的水解机制及其基因的克隆和表达，总结了近年来纤维素酶结构和功能方面的研究成果，展望细菌纤维素酶领域的研究前景。 1 引言
2 纤维素分解性细菌的类群
纤维素分解性细菌是指能分解纤维素的细菌 分三大类群：
(1)厌氧发酵型：芽孢梭菌属(Clostridium)、牛黄瘤胃球菌属(Ruminococcus)、白色瘤胃球菌(Ruminococcusalbus)、产琥珀酸拟杆菌(Bacteroides succinogenes)、产琥珀酸丝状杆菌((
Fibrobactersuccinogenes
)、
溶热
纤纤
维梭
菌菌Butyrivibrio fibrisolvens)、(Clostridium thermocellum)、解纤维梭菌(Clostridiumcellulolyticum);
(2)好氧型：粪碱纤维单胞菌(Cellulomonasfimi)、纤维单胞菌属(Cellulomonas)、纤维弧菌属(Cellvibrio)、发酵单胞菌(Zymomonas)、混合纤维弧菌(Cellvibrimixtus);
(3)好氧滑动菌，如噬胞菌属(Cytophaga)。
4 细菌纤维素酶分类
细菌纤维素酶是多酶复合体系，根据各酶的功能可分为三大
类：
(1)内切葡聚糖酶(1,4-D-glueanohydrolase
或endo-1,4-β-D-glucanase，EC 3.2.1.4)，简称Cen。作用于纤维素内部的非结晶区，随机水解β-1,4-糖苷键，将长链纤维素分子截短，产生大量非还原性末端的小分子纤维素，其分子量大小约为23-146KD。
(2)外切葡聚糖纤维二糖水解酶(1,4-β-D-glucan cellobio-hydrolase或exo-1,4-β-D- glucanase,EC3. 2.1.91)，简称Cex。作用于纤维素线状分子末端，水解β-1，4-D-14糖苷键，依次切下一个纤维二糖分子，故又称为纤维二糖水解酶(cellobiohydrolase)，分子量约38-118 KD。
(3)β-葡萄糖苷酶(β-1,4-glucosidase, EC3.2.1.21)简称BG或称纤维二糖酶。这类酶一般将纤维二糖或可溶性的纤维糊精水解成葡萄糖分子，其分子量约为76KD。
5 细菌纤维素酶水解机制
好氧细菌的三种纤维素酶是以各自独立的形式分泌到细胞外水解纤维素的;厌氧细菌的三种纤维素酶以多酶复合体形式结合在细胞壁上对纤维素进行水解。细菌纤维素酶通过多酶复合体系各组分协同作用彻底有效降解天然纤维素。
Cen负责进攻纤维素的非结晶区，随机水解β- 1，4 - 糖苷键，将长键纤维素分子截短，产生大量带非还原性末端的小分子纤维素
Cex负责从纤维素线状分子的非还原性末端水解切下纤维二糖单位
BG则将纤维二糖水解成葡萄糖
在已知结构的细菌纤维素酶分子中，通过在异头碳原子位通过构型的保留或构型的转化完成催化反应，其中两个保守的羧基氨基酸分别作为质子供体和亲核试剂，如C . thernmocellum的内切酶CelC催化域中Glu-280和Glu-140分别作亲核试剂和质子供体, C .fimi的外切酶Cex的Glu-574和Glu-645分别作亲核试剂和质子供体，证明了细菌纤维素酶降解纤维素的水解双置换机制。由于纤维素底物的高度复杂性以及底物的多样性，纤维素水解过程的并没有完全清楚。因此，纤维素酶系的降解机理还有待进一步研究和探讨。
6 细菌纤维素酶的结构和功能
通过对粪碱纤维单胞菌(Cellulomonas fimi)的一个外切酶Cex和一个内切酶CenA的研究表明，细菌纤维素酶的纤维素结合结构域(CBD)位于氨基端或羧基端，它借助连接桥(Linker)与催化结构域(CD)连接。在多种细菌的纤维素酶中发现有相似的结构。
催化结构域(CD)
纤维素酶分子的催化结构域主要体现酶的催化活性及对特定水溶性底物的特异性。不同 来源纤维素酶分子量差别很大，但其催化区的大小却基本一致，活性位点的三级结构都是保守区域。
Juy M et 等采用x光衍射的方法对热纤梭菌的Cel D的催化域进行了结晶和解析。结果表明，内切酶的活性位点位于一个开放的“裂缝”(Cleft)中，可与纤维素链的任何部位结合并切断纤维素链;外切酶的活性位点位于一个长“环”(1oop)所形成的“内部通道”(tunnel)里，它只能从纤维素链的非还原性末端切下纤维二糖。细菌的外切酶有两个酶切位点，有限酶切时，可将CBD和连接桥分别切去。Meinke A 等利用蛋白质工程的方法将粪碱纤维单胞菌的外切酶Cbh A分子的Loop删除后，发现该酶的内切酶活性提高。根据其氨基酸序列的相似性已知的纤维素酶的CD可分为70多个家族，在同一家族内具有相似的分子折叠模式和保守的活性位点，因此在同一家族内，其反应机制和对底物的特异性都可能相同，这已通过实验得到证实。 纤维素结合结构域(CBD)
许多纤维素酶主要依靠在肽链N端或C端的CBD结合底物，该结构又称纤维素结合模块，其功能是将相邻的催化结构域传递到晶体纤维素底物上。细菌纤维素酶的CBD由100-110个氨基酸组成，同源性较低。细菌CBD平坦的表面只露出2个或3个芳香族氨基酸残基和一些形成氢键的残基,多项研究证实，这些残基与CBD对结晶纤维素的结合有关。一些细菌的CBD结构有一定的共同特点：带电荷氨基酸含量很低;羟基氨基酸含量很高;都含有Trp、Asn和Gly，而且两个Cys在N、C末端的位置完全相同。汪天虹等用多维核磁共振和X射线衍射技术，证实了族
Ⅱ C. Fimi Cex、Cen以及族Ⅲ C.thermocelhun Cip的CBD有相似的结构：由2个β片层面对面折叠在一起，形成一个β三明治结构，CBDcex含有一个单一的二硫桥连接N-末端和C-末端，CBDcip有一个Ca2+的高亲和性结合位点[6]。然而，有的CBD的作用似乎不在于跟底物结合，而是破坏晶体纤维素链间的非共价相互作用;或者不仅结合底物，还提供结合不同底物结构的优先权。杨永彬等通过实验证实家族Ⅱ的CBD能够促使纤维素中氢键的断裂,从而释放单根纤维素分子链[7]。C.fimi的 CenA或Cex单独的CBD不具备对纤维素的水解活力，但能破坏棉纤维，形成短纤维，具有疏解结晶纤维素的能力。实验证明，细菌纤维素酶中的CBD对酶的催化活力是非必需的，但它们具有调节酶对可溶性和非可溶性底物专一性活力的作用。
连接桥(1inker)
连接肽(1inker)一级结构的研究发现，细菌纤维素酶分子的连接肽富含脯氨酸(Pro)和丝氨酸(Thr)，完全由Pro-Thr这样的重复序列约100多个氨基酸残基组成。在高级结构的分子形状上，细菌连接肽、CD、CBD之间呈135o。连接肽的作用可能是保持CD和CBD之间的距离，有助于不同酶分子间形成较为稳定的聚集体。
纤维素酶降解纤维素是酶的各组分之间协同作用的结果，目前主要有2种观点：一种观点认为，首先由EG在纤维素分子内部的无定形区进行酶切产生新的末端，然后由CBH以纤维二糖为单位由末端进行水解，
每次切下1个纤维二糖分子，最后由BG将纤维二糖以及短链的纤维寡糖水解为葡萄糖。另一种观点则认为，首先是由CBH水解不溶性纤维素生成可溶性的纤维糊精和纤维二糖，然后由EG作用于纤维糊精生成纤维二糖，再由BG将纤维二糖分解成2个葡萄糖。这种协同作用方式也决定了纤维素酶表达调控的复杂性。 7 细菌纤维素酶基因的克隆与表达
细菌中编码纤维素酶的基因在基因组的分布为随机的或形成基因簇。在基因簇中，有转录终止子，没发现有启动子。人们已从40多种细菌中克隆到了纤维素酶基因，其中一些酶基因已经在大肠杆菌和酵母中得到表达。如从Stropyomyces、Clostridium、Thermoanaer obacter、Themomonspora、Erwinia、Pseudomonas、Cellvibrio、Ruminococcus、Cellulomonas、Fibrobacter 和 Bacillus 中成功分离出葡聚糖基因，并先后克隆了瘤胃
的
Bacteroides
、
succi nogenes
、Butyrivibrio sp Ruminococcus albus等细菌的纤维素酶基因，同时热梭菌中的11种内切纤维素酶(CelA、CelB、CelD、CelE、CelF、CelG、CelH、CelI、CelJ、CelK、CelS)的基因已经被克隆，嗜纤维梭菌的5种内切纤维素酶(EngA、EngB、EngC、EngD、EngE)已经测序并在大肠杆菌中得到表达。不同的细菌中克隆了内切葡聚糖酶基因。Kim等克隆了Aquifex aeolicus VF5编码EG的 ce18Y基因，在E.coli XL1 -Blue中成功表达，Hakamada等运用盒式连接介导PCR 和反向
PCR 克隆到了基因egl-257。人们将纤维素酶、纤维二糖等外源基因转入运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)中并得到不同程度的表达，有望将它改造为能将纤维素转化为乙醇的重组菌株并在工业中广泛应用。细菌葡聚糖酶基因在S.cerevisiae的启动子和信号肽的控制下构建在同一质粒载体上，然后转入S.cerevisiae， 重组菌可向培养基分泌保留70%活性的葡聚糖内切酶和外切酶，这种酶能够分解滤纸和木浆中的纤维素。
7 展望
细菌以多酶复合体结构彻底有效降解天然纤维素，纤维小体是研究较多的细菌纤维素酶复合体。纤维小体的作用方式是理解纤维素降解和利用纤维素资源的关键。进一步了解纤维小体结构的普遍性，不同来源的纤维小体的组成同源性和多样性，纤维小体蛋白质之间的相互作用，纤维小体组织结构的形态发生等，从而为工程改造纤维小体，利用纤维素资源提供基础。
提高纤维素酶的分离纯化技术，利用基因工程和蛋白质工程的手段，对它的空间结构作进一步的研究，以便更好地了解它的结构、酶学特性和协同作用的降解机制，为纤维素酶蛋白质分子的改造和设计提供理论基础。
通过构建培养和未培养细菌的基因组DNA文库，筛选到高效的、多样性的纤维素酶基因，利用体外DNA分子定向进化等
基因操作技术，构建适应不同需要的高效工程菌，比如把纤维素酶基因克隆到Z.molis或酿酒酵母中，可以直接利用纤维素转化生产酒精。
吉林碳谷碳纤维有限公司
5000吨碳纤维原丝项目简介
吉林碳谷碳纤维有限公司于2008年12月注册成立，注册资本金1.9亿元，是奇峰化纤股份有限公司的全资子公司。公司于2007年创新出T300级聚丙烯腈基碳纤维原丝工业化生产技术，采用三元水相悬浮聚合、湿法二步法工艺生产碳纤维原丝，各项指标达到或超过日本东丽公司产品水平，目前正在进行T700级碳纤维原丝攻关。
公司计划投资17亿元，分四期建设2万吨/年原丝、2000吨/年碳纤维碳丝项目。目前，在建一期5000吨聚丙烯腈基碳纤维原丝项目，投资5.5亿元，主要建设一条聚合生产线、二条原液及四条纺丝生产线，形成1万吨/年碳纤维原丝聚合物、6000吨/年碳纤维原丝原液、5000吨/年碳纤维原丝生产能力。项目于2010年5月开工，厂房建设、地下管网基本完成，正在进行主体设备安装，计划8月份投料试车。
项目一期投产后，年可实现销售收入4亿元，利润1.8亿元，税金4500万元。项目全部建成达产后，预计年销售收入31亿元，利润5.2亿元、税金2.1亿元，吉林碳谷公司将建成全国最大的碳纤维原丝生产基地。
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