全 文 ：中　国　造　纸　学　报
　Vol.25, No.2, 2010 TransactionsofChinaPulpandPaper
白腐菌预处理对粉单竹化学成分和
微观纤维形态结构的影响
熊建华 1, 2, 3, 4　程　昊 2　王双飞 3, ＊　李可成 4
(1.广西大学化学化工学院 , 广西南宁 , 530004;2.广西工学院生化系 , 广西柳州 , 545006;
3.广西大学造纸科学研究所 , 广西南宁 , 530004;4.加拿大 NewBrunswick大学 , 加拿大弗雷德里克顿 , E3B6C2)
摘　要: 3种白腐菌菌株对粉单竹进行 1～ 4周的生物培养 , 通过考察竹片在生物预处理后质量损失率 、 木素去除率 、 综纤维素损失
率 、 木素降解选择因子的变化 , 筛选出能够选择性有效去除竹片木素的白腐菌Trameteshirsuta19-6作为研究对象。用显微镜观测粉单
竹纤维细胞壁的结构特点 , 以及白腐菌预处理引起的竹片纤维微观形态结构的变化 , 探讨白腐菌生物降解竹片的机理。
关键词:粉单竹;生物机械制浆;扫描电子显微镜;透射电镜;白腐菌
中图分类号:TS71+2;TS749　　　　文献标识码:A　　　　文章编号:1000-6842(2010)02-0027-05
　收稿日期:2010-02-01 (修改稿)
　本课题为国家 973计划前期研究项目 (2006CB708600)资助课题。
　作者简介:熊建华 , 女;博士;主要研究方向:生物制浆及清洁生产。
　＊通信联系人:王双飞 , E-mail:wangsf@gxu.edu.cn。
　　自然界中有数千种白腐菌可以不同程度地降解
木素 、 纤维素和半纤维素 。白腐菌有能力降解纤维
细胞的所有成分 , 包括木素 。不同白腐菌对木素 、
纤维素和半纤维素的降解程度差异很大 , 很多菌种
是没有选择性或有选择性地袭击同一原料的不同区
域 , 从而产生了生物降解过程的不同 。不同的菌属
对不同类型的材种有不同的作用效果 , 即使同一菌
属的不同白腐菌对纤维细胞成分的生物降解能力差
别也很大 [ 1] 。
生物制浆需要筛选出能够选择性降解木素的白
腐菌 , 筛选的原则是生长快速而且能够选择性地有
效去除木素 。最初菌种的筛选是根据原料化学成分
的变化来确定木素的去除效率 , 其优点是能够直观
反应木素的降解情况 。之前对于白腐菌菌种的筛选
和降解机理的研究较多集中在木材纤维原料上 , 对
于非木材纤维原料 , 国内已有对麦草和蔗渣研究的
相关报道 [ 2-4] 。竹子作为一种非常重要的非木材纤
维原料 , 在白腐菌预处理的机理和生物制浆领域的
研究报道甚少 。因此 , 本研究用生物处理前后化学
成分的变化来初步筛选有效预处理竹片的白腐菌 ,
同时 , 借助显微镜观察生物预处理对竹纤维细胞壁
的腐蚀情况 , 为竹子生物化机浆的研究提供理论
依据 。
1　实　验
1.1　实验原料
本研究所用的粉单竹产自广西 , 竹子切片 (2cm×
2cm×0.2cm)后在空气中干燥并储存 , 在生物预处理
前 , 竹片在水中浸泡 12 h。本研究采用的 3种白腐菌
菌株 Trameteshirsute19-6、 Trameteshirsute19-6(w)和
P.chrysosporium(Pc-1767)由华南理工大学制浆造
纸工程国家重点实验室提供。所有菌株均保存在
PDA斜面固体培养基中 , 菌株特性如下 。
Pc-1767主要分泌木素酶 (Lip)、锰过氧化物酶
(Mnp)、 纤维素酶和半纤维素酶 , 之前的研究表明
Pc-1767最适宜的生长温度为 39℃、 pH值为 4.5[ 4] 。
Trameteshirsute19-6、 Trameteshirsute19-6(w)是
从竹子上分离出的新菌种 , 它们主要分泌锰过氧化物
酶 、漆酶 、 纤维素酶和半纤维素酶。 Trameteshirsute
19-6为野生白腐菌 Trameteshirsute19-6(w)驯化得到
的菌株 , 其纤维素酶的分泌量低于 19-6(w)菌株。白
腐菌 Trameteshirsute19-6、 Trameteshirsute19-6(w)最
适宜的生长温度为 28℃、 pH值为 4.5[ 5] 。
1.2　竹片的预处理
竹片测定水分后分别在 1000mL的锥形瓶中装入
80 g绝干竹片 , 再加入营养液和无菌水 , 相对湿度保
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白腐菌预处理对粉单竹化学成分和微观纤维形态结构的影响 第 25卷　第 2期
持在 70% ～ 80%。调节初始 pH值为 4.5, 经过高温
(121℃, 30 min)灭菌后 , 在无菌条件下转接 10 mL
悬浮菌丝液。悬浮菌丝液的制备见参考文献 [ 5] 。
装有白腐菌 Trameteshirsute19-6、 Trameteshirsute19-
6(w)的样品在 28℃恒温恒湿培养箱中培养 , 而 Pc-
1767则在 39℃恒温恒湿培养箱中培养。所有样品每
天充氧 15min, 静置培养 1 ～ 4周 。
1.3　竹片化学成分的测定
竹子原料化学成分的分析方法见参考文献 [ 6] 。
经白腐菌处理的竹片用蒸馏水浸泡后将表面的菌丝
体冲洗掉 , 自然风干后称量 , 根据生物预处理前后
的质量差计算质量损失率 。 Klason木素含量根据相
关国家标准测定 。白腐菌的脱木素能力可用竹片质
量损失率 、 残留木素含量 、 木素降解选择因子来
评估 。
竹片质量损失率 =(竹片处理前质量 -竹片处理
后质量)/竹片处理前质量
综纤维素损失率 =竹片质量损失率 -木素
损失率
木素降解选择因子(SF)=木素损失率 /综
纤维素损失率
1.4　竹片微观纤维形态结构的观测
竹片微观纤维形态结构的观测见参考文献
[ 6] 中植物纤维原料生物结构的观察部分 。
2　结果与讨论
2.1　粉单竹的化学组成和纤维形态结构
粉单竹的化学组成见表 1。由表 1可见 ,
粉单竹的纤维素和戊聚糖含量较高 , 木素含量
较低 , 适合用于生产化机浆和生物化机浆 。
表 1　粉单竹的化学组成 %
纤维素 戊聚糖 Klason木素 酸溶木素 苯-醇抽出物 灰分
48.46 20.82 22.20 0.16 3.19 1.31
通过扫描电镜和透射电镜观察到的粉单竹
纤维形态结构如图 1 ～图 3所示。由图 1可
知 , 粉单竹含有较多的薄壁细胞 , 细胞壁较薄
而细胞腔较大。竹子的表皮细胞组织紧密 , 细
胞壁表面光滑完整 , 没有任何空洞和凹穴 , 药
液和菌丝都难以从表皮细胞组织渗入 。同时薄
壁细胞的细胞壁又具有薄的初生壁和厚的次生
壁 (见图 2和图 3)。粉单竹的薄壁竹纤维为
多层复合结构 , 多层的次生壁结构中宽层和窄
层交替分布 , 层与层之间还有黑的线条出现 ,
胞间层和细胞角隅结构组织相对疏松 。多层的次生壁
结构是竹子纤维形态的一个重要特征 , 早期的研究结
果显示 , 竹子的木素含量主要集中在胞间层 、 细胞角
隅和次生壁的窄层[ 7-8] 。
2.2　白腐菌生物预处理对竹片化学成分的影响
竹片在添加营养液和供氧的条件下用 3种菌种
分别预处理 1 ～ 4周 , 计算出质量损失和残余木素
含量 , 而综纤维素损失和木素降解选择因子可通过
木素损失和质量损失计算得出 , 结果见表 2。已有
研究证实 , 聚糖类和木素的降解分别在白腐菌生长
的初生和次生阶段发生 。当白腐菌在木质纤维原料
上繁衍时 , 首先从菌丝中分泌出纤维素酶和半纤维
素酶 , 降解部分聚糖类以供给真菌生长所需要的营
养物 , 在消耗聚糖类降解产物及生长蔓延的过程
中 , 分泌出一系列木素降解酶 , 此时生物进入木素
降解阶段 [ 4] 。
28
　第 25卷　第 2期 白腐菌预处理对粉单竹化学成分和微观纤维形态结构的影响
表 2　不同白腐菌预处理后竹片化学成分的变化
菌种 培养时间/周
质量
损失率 /%
木素
去除率 /%
综纤维素
损失率 /%
木素降解
选择因子
19-6
1 8.53 16.88 3.21 1.66
2 10.76 17.90 4.83 1.23
3 11.76 19.48 5.34 1.20
4 12.66 20.68 5.84 1.17
19-6 (w)
1 7.01 15.04 2.35 1.70
2 8.49 15.11 3.54 1.40
3 9.38 17.22 3.84 1.44
4 10.07 19.36 3.97 1.54
Pc-1767
1 8.08 12.75 3.68 1.20
2 8.26 15.23 3.33 1.48
3 8.39 16.31 3.21 1.61
4 8.69 16.72 3.37 1.58
2.2.1　白腐菌生物预处理对竹片质量损失率的影响
在 1 ～ 4周的培养过程中 , 白腐菌 Thrameteshir-
sute19-6预处理的竹片质量损失率为 8.53%～ 12.66%,
Trameteshirsute19-6(w)为 7.01% ～ 10.07%, Pc-1767
为 8.08% ～ 8.69%。这说明白腐菌 Trameteshirsute19-6
预处理带来的质量损失率要高于 Trameteshirsute19-6
(w)和 Pc-1767。因此 , 白腐菌种类对竹片质量损失率
是有影响的。
随培养时间的延长 , 质量损失率也相应增加。质
量损失率增加的速率在 3周后变缓慢 , 表明白腐菌的
生物降解主要发生在早期 。前期的研究表明 , 白腐菌
降解木素的同时也伴随着碳水化合物的降解 , 有些能
选择性降解木素的白腐菌在去除大量木素的同时也有
少量的纤维素和半纤维素损失 , 而有些白腐菌则同时
去除大量的多糖类物质和木素。因此 , 质量损失包含
木素损失和综纤维素损失 。
2.2.2　白腐菌生物预处理对竹片木素去除率的影响
在 1 ～ 4周的培养过程中 , 白腐菌 Trameteshirsute19-
6预处理的竹片木素去除率为 16.88% ～ 20.68%,
Trameteshirsute19-6(w)为 15.04% ～ 19.36%, Pc-1767
为 12.75% ～ 16.72%。即 Trameteshirsute19-6的木素
去除效果最好 , 同时 Trameteshirsute19-6(w)的木素
去除率要高于 Pc-1767。白腐菌 Trameteshirsute19-6
和 Trameteshirsute19-6(w)与 Pc-1767相比 , 由于增加
了漆酶的分泌作用 , 可能增强了降解竹片木素的活
性 。由此可见 , 不同种类的菌种由于分泌的酶不同 ,
对木素去除率的影响很大 。
培养周期也同样影响木素的去除率 , 竹片的木素
去除率随培养时间的增加而增加 , 最大的木素去除率
发生在第 4周。菌种的脱木素效率在前 2周比较高 ,
后 2周比较低 。其原因可能是前期营养液的消耗减缓
了木素降解 , 也可能是生物降解的产物积聚在一起影
响菌种的生长。生物降解的产物包括苯胺 、醛类物质
以及酸性物质 , 这些物质会使 pH值降低 、白腐菌活
性钝化 。根据 Kirk的研究 [ 9] , P.chrysosporium菌种
在木素降解的最终代谢产物 CO2的聚集和氧气含量
减少的情况下 , 相对自然平衡状态下白腐菌的生物降
解能力减弱 。
日本用筛选的白腐菌 phlebiasp.MG-60对蔗渣进
行 30天的生物预处理 , 木素去除率达 50%以上 , 而
综纤维素的损失率不足 10%, 认为白腐菌 phlebiasp.
MG-60能够选择性降解蔗渣木素[ 10] 。 Trameteshir-
sute19-6在去除 20.68%木素的同时只有 5.84%的综
纤维素损失 , 因此 , 可以认为 Trameteshirsute19-6能
够选择性降解竹片木素。
2.2.3　白腐菌生物预处理对竹片综纤维素损失率的
影响
在 1 ～ 4周的培养过程中 , 白腐菌 Trameteshir-
sute19-6预处理的竹片综纤维素损失率为 3.21% ～
5.84%, Trameteshirsute19-6(w)为 2.35% ～ 3.97%,
Pc-1767为 3.37% ～ 3.68%。 Trameteshirsute19-6对
综纤维素整体的降解能力要高于 Trameteshirsute19-6
(w)和 Pc-1767。Pc-1767能选择性降解白杨的木素
而只有少量的纤维素损失[ 11] , 但 Pc-1767对竹片的
脱木素效果并不是很有效 。
2.2.4　白腐菌生物预处理对木素降解选择因子的影响
白腐菌 Trameteshirsute19-6和 Trameteshirsute19-6
(w)选择性降解木素的选择因子随培养时间增加而
降低 , 而 Pc-1767则随培养时间增加而增加 。白腐菌
Trameteshirsute19-6和 Trameteshirsute19-6(w)选择性
脱木素的选择因子最大值出现在第 1周 , 说明白腐菌
Trameteshirsute19-6和 Trameteshirsute19-6(w)选择性
去除木素主要发生在早期 , 延长培养时间并不能增加
选择性脱木素的效率 , 反而会提高综纤维素损失率 ,
因此 , 2 ～ 3周培养时间对于 Trameteshirsute19-6和
Trameteshirsute19-6(w)来说比较经济合理 。先前对于
其他菌种的研究也表明延长培养时间并不能提高选择
性脱木素的效率 。Pc-1767选择性降解木素的选择因
子随培养时间的延长从 1.20增加到 1.58, 说明 Pc-
1767对竹片的脱木素作用需要较长时间的培养 , 同
时也会提高综纤维素损失率。
2.3　白腐菌生物预处理对竹片纤维形态结构的影响
利用电子显微镜能够准确观察白腐菌在植物纤维
29
白腐菌预处理对粉单竹化学成分和微观纤维形态结构的影响 第 25卷　第 2期
原料上生长时纤维微观结构的变化 , 并且已经被证明
是研究白腐菌生长方式的一种有效手段。本研究选用
白腐菌 Trameteshirsute19-6对竹片预处理 2周 , 观察
白腐菌对粉单竹纤维细胞壁的降解情况。
白腐菌降解木素时并不是只发生在纤维细胞壁的
某一层或某一特殊的区域 , 而是贯穿整个细胞壁的所
有区域 [ 12-13] 。白腐菌降解纤维的路径有两种不同的
说法。余惠生发现白腐菌 Panusconchatus在降
解稻草木素时 , 它首先攻击木素浓度最高的纤
维胞间层 , 使胞间层的木素迅速降解 , 然后再
逐渐降解其他各层的木素[ 2] 。但大多数的研
究表明 [ 14] , 白腐菌降解木片的路径与化学蒸
煮工艺中蒸煮液的渗透路径相似 , 白腐菌首先
进入纤维细胞腔 , 并迅速占据富含游离糖分和
养分的射线细胞 (这种辐射排列的射线细胞
有利于白腐菌迅速进入木片内部), 一旦这些
易于摄取的营养物质被消耗殆尽 , 白腐菌对细
胞壁的降解就正式开始 , 菌丝开始沿着细胞腔
壁向胞间层方向逐层地降解木素 , 最终导致纤
维从胞间层分离 。
木材的生物腐蚀显示白腐菌的生物降解主
要是木素﹑半纤维素和纤维素。生物降解的次
序通常与木素和多糖类物质在细胞腔的分布有
关 。木材纤维的木素主要分布在细胞腔的胞间
层和细胞角隅 , 多糖类物质主要集中在次生
壁 。能够选择性降解木素的白腐菌主要是降解
胞间层和次生壁的木素 , 留下次生壁的纤维
素 。通过透射电镜可以看出 , 白腐菌对竹片的
生物降解也是从细胞腔开始。白腐菌首先进入
竹片细胞腔内 , 快速降解含有糖类和营养物质
的细胞射线软组织。细胞内射线软组织的排列
又使白腐菌在细胞腔内更广泛的分布 , 并使临
近的细胞出现凹穴或是菌丝直接穿过细胞壁向
外渗透 (见图 4), 一旦细胞腔内容易被白腐
菌吸收的物质耗尽 , 就开始降解纤维细胞壁 。
白腐菌通过细胞腔边缘向次生壁和胞间层延
伸 , 进一步攻击纤维细胞的次生壁 , 使竹片含
有复合层状结构的次生壁从内层出现剥离
(见图 5), 整个次生壁开始变薄 , 细胞组织结
构变疏松 (见图 6)。随着白腐菌对次生壁的
降解 , 白腐菌同时侵袭细胞壁的所有组分 , 从
而使纤维细胞壁不同的层状结构被局部腐蚀 ,
菌丝又穿过细胞壁对胞间层和疏松的细胞角隅
进行攻击 (见图 7)。由于竹片的木素含量主
要集中在胞间层 、细胞角隅和次生壁的窄层 , 生物作
用的结果使得次生壁 、复合胞间层和细胞角隅的部分
木素被逐步降解 。次生壁首先被分解 、变薄 , 随着脱
木素的进行 , 胞间层被降解的相邻细胞彼此分离。竹
片结构的松弛 、 纤维细胞壁层间发生的分离以及被软
化和瓦解的细胞组织有利于化学预处理过程中药品的
渗透 , 从而更有效地降解木素 , 在磨浆过程中使纤维
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　第 25卷　第 2期 白腐菌预处理对粉单竹化学成分和微观纤维形态结构的影响
容易分离且节约能耗 。
3　结　论
3.1　从化学组成看 , 粉单竹具有较高的纤维素和半
纤维素含量以及较低的木素和抽出物含量 。从纤维形
态结构看 , 粉单竹含有较多的薄壁细胞 , 细胞壁较薄
而细胞腔较大 , 细胞壁又具有薄的初生壁和厚的次
生壁。
3.2　3种白腐菌菌株在各自最佳的培养条件下对粉
单竹进行 1 ～ 4周的预处理 , 发现在木素降解的同时
都伴随着纤维素和半纤维素的降解 , 但纤维素和半纤
维素的降解相比木素少很多。木素去除率和竹片质量
损失率随培养时间增加而增大 , 白腐菌 Trameteshir-
sute19-6和 Trameteshirsute19-6(w)的木素降解选择因
子随培养时间延长而降低 , 选择性脱木素主要集中在
处理早期 。 3种白腐菌菌株中 , Trameteshirsute19-6
生物预处理竹片最有效。
3.3　用透射电镜观测白腐菌 Trameteshirsute19-6预
处理 2周的粉单竹纤维细胞壁的结构变化 , 发现白腐
菌对竹片的生物降解是从细胞腔开始 , 从次生壁开始
脱除木素 , 然后延伸到胞间层。
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XIONGJian-hua1, 2, 3, 4　CHENGHao2　WANGShuang-fei3, ＊　LIKe-cheng4
(1.DepartmentofChemistryandChemicalEngineeringofGuangxiUniversity, Nanning, GuangxiZhuangAutonomousRegion, 530004;
2.DepartmentofBiologicalandChemicalEngineering, GuangxiUniversityofTechnology, Liuzhou, GuangxiZhuang
AutonomousRegion, 545006;3.Pulp＆PaperInstituteofGuangxiUniversity, Nanning, GuangxiZhuang
AutonomousRegion, 530004;4.DepartmentofChemicalEngineeringandLimerickPulpand
PaperCentre, UniversityofNewBrunswick, Fredericton, NB, Canada, E3B6C2)
(＊E-mail:wangsf@gxu.edu.cn)
Abstract:Threewhiterotfungiwereincubatedonwhitepowderybamboointheoptimumconditionsfor1 to4 weeks, whiterotfungi
Trameteshirsuta19-6wasscreenedforeficientselectivedelignificationbasedontheevaluationofbamboochipsweightloss, ligninremoval,
holoceluloselose, thefactorsafectingselectivedegradationoflignin.Electronmicroscopeswereusedtostudythecharacterofwhitepowdery
bamboofibercellwalstructurechangesbroughtbyfungalpretreatment.Themechanismofwhite-rotfungiatackonbamboowasstudied.
Keywords:whitepowderybamboo;biomechanicalpulping;SEM;TEM;white-rotfungi
(责任编辑:田风洲)
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