引言

　　隨著環境和資源問題日益嚴峻，開發及應用天然生物質材料勢在必行。木質素作為植物細胞壁主要成分之一，是地球上第二大木質纖維資源，且在工業生產中產量巨大。但長期以來，木質素多被焚燒供能或丟棄，造成資源浪費。利用工業木質素開發高附加值產品，對降低企業成本、推動可再生資源利用和緩解石化資源短缺意義重大。分離木質素存在分子質量小、縮合度大、異質性高等問題，因此，小分子木質素聚合是提升其應用性能、拓寬應用領域的重要策略。木質素在植物體內聚合形成過程復雜，細胞壁內蛋白質發揮了重要催化作用。生物催化聚合反應能合成高活性、高分子質量和結構明確的聚合物，且不同催化條件影響木質纖維組分聚合過程。本文旨在為生物法實現工業木質素高分子化及功能化提供理論指導和參考。

　　1 木質素在植物細胞壁內的聚合形成過程

　　木質素是復雜多酚聚合物，與纖維素和半纖維素交織，對植物生長、水分運輸和抵抗脅迫意義重大。其生物合成過程主要涉及多糖形成、木質素單體聚合以及細胞壁內木質素 - 多糖的聚合。

　　多糖形成：多糖的形成為植物體內木質素聚合提供基礎環境條件。纖維素和半纖維素的形成優先于木質素，其優先沉積在發育中的細胞壁，可作為木質素聚合支架并提供適宜局部環境。

　　木質素單體聚合：木質素單體聚合過程由一系列游離和結合的酶介導，可分為初始階段、木質素單體形成階段和模板聚合階段。細胞壁中富含鈣的酶是聚合起始位點，木質素單體在細胞質中合成后釋放到細胞壁，向起始位點擴散并聚合形成木質素大分子。木質素單體通過自由基偶聯過程聚合，形成多種連接方式。

　　木質素 - 多糖聚合：纖維素被木質素和半纖維素包圍，多糖基質特性影響植物細胞壁木質化過程。在木質化過程中，細胞壁碳水化合物成分影響木質素片層膨脹，木質素被多糖包埋保證細胞水分運輸和結構支撐性能。

　　2 催化木質素體外聚合的蛋白質

　　在木質素體內聚合過程中，植物細胞中的蛋白質發揮主要作用，其中的氧化酶和過氧化物酶可催化木質素單體在生物體外聚合。

　　漆酶：漆酶是糖蛋白，屬藍銅族多酚氧化酶，按來源分為漆樹漆酶、真菌漆酶和細菌漆酶。其分子結構含 4 個 Cu²⁺ ，不同類型 Cu²⁺ 有不同特性。漆酶基因在擬南芥木質部形成過程中特異性表達，可增加木質素分子質量，通過活性自由基中間體介導低分子酚類氧化偶聯反應，生成多種聚合物。

　　過氧化物酶：過氧化物酶在植物細胞壁木質化過程中起重要作用，多種過氧化物酶參與木質化。其催化木質化機理與漆酶相似，以過氧化氫為底物。不同過氧化物酶對不同木質素單體氧化活性不同，周圍介質等因素會影響木質素聚合物結構。

　　指導蛋白：除漆酶和過氧化酶外，含有直接結構域的蛋白質(DIR)參與木質化過程。DIR 可控制木質素初級結構及自由基偶聯反應區域 / 立體化學，研究揭示了其在凱氏帶木質素合成機制中的作用，多糖等因素會影響天然木質素分子結構。

　　3 酶催化引發木質素體外聚合的影響因素

　　木質素原料

　　原料來源：不同植物和工藝獲得的木質素性質差異影響其高分子化及功能化改性效果，如不同來源的工業木質素經漆酶催化聚合后，氧化程度不同。

　　酚羥基：木質素反應活性隨分子質量降低和酚羥基含量增加而增加，酚羥基含量高的木質素經酶催化聚合后分子質量提升明顯。

　　初始分子質量：降低木質素分子質量可增加反應性，不同分子質量的木質素在漆酶作用下反應不同，提高木質素含量可促進聚合反應。

　　磺化度：木質素磺酸鹽的磺化度影響其分子聚合程度，磺化度最低的木質素磺酸鹽聚合度最低。

　　酶

　　酶種類：以漆酶為例，真菌漆酶和細菌漆酶在培養、酶活、成本、產量、分離純化及性質等方面存在差異。

　　酶活性及用量：酶活性影響催化速率，反應條件影響酶活性，酶用量對木質素聚合反應有顯著影響，如木質素聚合度隨嗜熱細菌漆酶用量增加而增加。

　　適用底物：酶對底物具有高度選擇性，漆酶和過氧化物酶作用底物不同，漆酶主要底物為酚類及其衍生物，過氧化物酶底物包括鹵化物離子等多種物質。

　　穩定性：酶的穩定性影響其活性和木質素最終聚合結果，受自身化學結構和環境因素影響，調控這些因素對酶穩定性研究意義重大。

　　反應條件

　　介體：介體的存在對漆酶催化木質素聚合有明顯促進作用，如以 1 - 羥基苯并三唑(HBT)為介體，不同漆酶處理木質素磺酸鈣后分子質量提升不同。

　　pH 值：pH 值影響木質素溶解度和反應活性，不同木質素在不同 pH 值下聚合效果不同，大多數真菌漆酶最佳 pH 值在弱酸性范圍，不利于木質素溶解，因此堿性漆酶的開發受到關注。

　　溫度：反應溫度影響漆酶催化活性和木質素溶解度，真菌漆酶在高于 60℃時催化活性迅速下降，細菌漆酶熱穩定性更好。

　　氧氣：漆酶介導催化反應中氧氣可作為共底物，充足氧氣供應是保證漆酶介導木質素氧化過程順利進行的必要條件，且對木質素聚合反應比介質更重要。

　　4 結語與展望

　　木質化是復雜生物化學反應過程，生物聚合方法合成高分子化木質素效果出色，但仍面臨挑戰，發展方向主要包括：

　　酶催化木質素小分子自聚合前景廣闊，但高分子木質素基材料存在黏度升高、降解困難、回收性能差等問題，探究可控、可調節技術十分必要。

　　現階段對酶催化木質素聚合的研究多關注分子質量變化，未來應進一步提升酶催化聚合木質素的分子質量，實現木質素大分子功能化，開發新型木質素基材料。

　　隨著對木質素聚合的深入研究，木質素有望成為制造低成本、高性能產品的可再生資源，但實現大規模生產和替代仍需進一步研究。

閆 莉;劉海波;唐德羲;司傳領;戴 林,天津科技大學輕工科學與工程學院;生物源纖維制造技術國家重點實驗室;天津市制漿造紙重點實驗室,202402