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第1章 深入研究生物质抗降解屏障与生物转化的困难是当前的挑战1

1.1现代木质纤维素的生物炼制1

1.2生物质抗降解屏障1

1.3植物在抵御微生物侵袭与酶解过程中的演化／演变1

1.4生物质降解的相关酶类工作效率达到最大了吗2

1.5化学预处理仍是暴露细胞壁纤维素的有效方法2

1.6细胞壁糖类的发酵：系统／合成生物学时代3

参考文献4

第2章 生物炼制5

2.1引言5

2.2第Ⅲ代生物炼制——木质纤维素的生物炼制7

2.2.1原料8

2.2.2生化转化11

2.3热化学生物炼制15

2.3.1概述15

2.3.2实现经济可行性的研发16

2.4高级生物炼制17

2.4.1高级大吨位原料供给系统17

2.4.2研究系统生物学以改进工艺18

2.4.3利用特定传热技术改进热化学工艺20

2.4.4技术集成、规模经济和工艺优化的演化21

参考文献21

第3章 能源作物——玉米的细胞壁解剖结构及超微结构24

3.1引言24

3.2细胞壁解剖结构24

3.2.1植物组织24

3.3细胞壁的合成及分子结构26

3.3.1生物合成26

3.3.2细胞壁片层（cell wall lamellae）27

3.3.3宏纤丝与基元纤丝28

3.3.4微纤丝28

3.3.5纤维素29

3.3.6基质聚合物30

3.4用于表征细胞壁结构的新技术30

3.4.1原子力显微镜30

3.4.2生物光子和非线性显微镜30

3.4.3单分子方法31

3.4.4计算机模拟32

3.5小结32

参考文献33

第4章 植物细胞壁的化学和分子结构38

4.1引言38

4.2细胞壁聚合物化学39

4.2.1细胞壁多糖化学39

4.2.2细胞壁蛋白质化学43

4.3细胞壁聚合物的分子缔合44

4.3.1细胞壁聚合物的非共价相互作用44

4.3.2细胞壁聚合物的共价作用44

4.3.3细胞壁聚合物间共价交联阻碍多糖的利用48

4.4植物细胞壁的分子架构49

4.4.1初生壁49

4.4.2木质化的次生壁50

4.5不同细胞壁的酶解过程52

参考文献52

第5章 细胞壁多糖的合成61

5.1引言61

5.2纤维素62

5.2.1酶学64

5.2.2纤维素沉积65

5.2.3纤维素合成酶的调节66

5.3半纤维素67

5.3.1甘露聚糖68

5.3.2木葡聚糖68

5.3.3木聚糖70

5.3.4混合糖苷键葡聚糖71

5.4果胶物质72

5.4.1果胶合成场所74

5.4.2合成果胶的糖基转移酶74

5.4.3甲基转移酶77

5.4.4乙酰基转移酶77

5.4.5其它果胶修饰酶77

5.4.6同聚半乳糖醛酸合成78

5.4.7木糖半乳糖醛酸聚糖的合成82

5.4.8芹菜糖半乳糖醛酸聚糖的合成82

5.4.9鼠李糖半乳糖醛酸聚糖Ⅱ （RG-Ⅱ）的合成83

5.4.10鼠李糖半乳糖醛酸聚糖Ⅰ （RG-Ⅰ）的合成84

5.5细胞壁合成的细胞生物学及其区域化88

5.6核苷酸糖88

5.6.1发酵过程与核苷酸糖：悠久的研究历史90

5.6.2糖激酶：NDP-糖合成的焦磷酸化酶途径90

5.6.3 NDP-糖的直接合成90

5.6.4 NDP-糖的相互转换途径90

5.6.5 SLOPPY, UDP-糖通用的焦磷酸化酶90

5.6.6 UDP-α-D-葡萄糖（UDP-Glc）92

5.6.7 ADP-α-D-葡萄糖（ADP-Glc）93

5.6.8 UDP-α-D-半乳糖（UDP-Gal）94

5.6.9 UDP-L-鼠李糖（UDP-Rha）95

5.6.10 UDP-α-D-葡萄糖醛酸（UDP-GlcA）95

5.6.11 UDP-α-D-半乳糖醛酸（UDP-GalA）97

5.6.12 UDP-α-D-木糖（UDP-Xyl）98

5.6.13 UDP-D-芹菜糖（UDP-Api）98

5.6.14 UDP-L-阿拉伯吡喃糖（UDP-Ara）98

5.6.15 UDP-阿拉伯呋喃糖（UDP-Ara f ）99

5.6.16 GDP-α-D-甘露糖（GDP-Man）99

5.6.17 GDP-β-L-岩藻糖（GDP-Fuc）99

5.6.18 GDP-β-L-半乳糖（GDP-Gal）, GDP-β-L-古洛糖（GDP-Gul）100

5.6.19 CMP-β-KDO （CMP-KDO）100

5.6.20参与NDP-糖代谢的其它酶类100

5.6.21今后的问题与方向101

5.7展望103

参考文献103

第6章 植物细胞壁纤维素结构128

6.1引言128

6.2背景128

6.3纤维素微纤丝129

6.3.1分子模建131

6.3.2拉曼光谱134

6.3.3聚集体模式的变化136

6.4解决结晶问题的新方法139

参考文献139

第7章 木质素：一个21世纪的挑战142

7.1木质素：从水生到陆生生物演化的分子基础及作用142

7.2维管束结构发育过程中木质素代谢途径的进化、木质素沉积及功能146

7.2.1维管植物的多样性及木质化146

7.2.2心材及应力（应压／应拉）木材组织150

7.3木质素单体的生物合成前体、最新进展及其代谢流分析151

7.3.1苯丙氨酸的合成151

7.3.2代谢流分析及木质素单体途径的转录谱152

7.3.3苯丙氨酸及酪氨酸的解氨酶152

7.3.4细胞色素P-450s及羟基肉桂酰CoA：莽草酸／奎宁酸羟基肉桂酰基转移酶153

7.3.5 4-香豆酰CoA连接酶（4CL）154

7.3.6肉桂酰CoA还原酶及肉桂醇脱氢酶154

7.3.7 COMTs及CCOMTs154

7.3.8木质素单体代谢途径中生理／生化功能尚不清楚的蛋白：“CAD1”与“芥子醇脱氢酶SAD”156

7.4最新进展：拟南芥中木质素单体／木质素形成途径的代谢网络及目前数据库的注释／限制——机遇与挑战157

7.5木质素分析中的固有难点：关键问题及迫切需求158

7.5.1木质素分离程序158

7.5.2木质素亚基及木质素结构的NMR谱分析159

7.5.3木质素含量的确定、木质素降解方法及人工脱氢聚合物159

7.6在木质素模板聚合过程中木质素单体途径及过氧化物酶步骤的调节对维管结构和有限底物简并性的影响162

7.6.1 PAL、 C4H、 pC3H、 HCT及4CL的下调／突变163

7.6.2 CCR、 CAD、 F5 H和COMT下调与突变，以及木质素单体自由基生成之谜170

7.6.3转录控制下次生壁纤维的形成：对木质化及维管完整性的影响178

7.7天然木质素大分子的结构179

7.7.1早期研究：木质素的Freudenberg（随机偶合）和Forss（有规律重复单位）模型179

7.7.2木质素结构模型进一步细化（20世纪70年代至今）：重新评估181

7.7.3全新开端：全面准确地确定天然木质素大分子构象182

7.8展望：木质素大分子组装／构型、木质素复制模板及细胞壁的全合成研究中仍然存在的问题190

参考文献191

第8章 研究纤维素水解的计算方法208

8.1引言208

8.2分子力学208

8.2.1力场方程209

8.2.2原子间相互作用势能（interatomic potentials）209

8.2.3非键作用的截断距离与长程静电相互作用211

8.2.4分子模型的类型211

8.3力场212

8.3.1糖力场212

8.3.2溶剂化模型213

8.4分子动力学213

8.4.1动力学方法213

8.4.2有限差分法214

8.4.3体系大小的限制214

8.4.4量子力学／分子动力学214

8.5分析方法215

8.6增强取样和自由能方法215

8.6.1自由能方法216

8.7纤维素水解研究218

8.7.1工作进展218

8.7.2结构和水解研究中所遇问题的解决方法218

8.8纤维素模拟的现状和未来218

8.8.1当前进展219

8.9未来相关研究219

参考文献220

第9章 木糖及木糖低聚物在酸预处理中的降解机制224

9.1背景224

9.2计算技术225

9.2.1分子动力学模拟225

9.2.2静态电子结构理论226

9.3真空中的木糖降解反应226

9.4水分子的溶剂化效应229

9.5木二糖计算230

9.6水解反应的实验研究232

9.7木二糖的水解232

9.8木聚糖的水解233

9.9玉米秸秆的水解234

9.10结论234

9.11下一步研究235

参考文献235

第10章 酶对植物细胞壁半纤维素的解聚作用238

10.1引言238

10.2半纤维素酶的类型、活性以及专一性240

10.3解聚酶243

10.3.1木聚糖酶243

10.3.2甘露聚糖酶243

10.3.3 β-葡聚糖酶244

10.3.4木葡聚糖酶244

10.4脱支酶（辅助酶）245

10.4.1 α-葡萄糖醛酸酶245

10.4.2 α-阿拉伯糖苷酶245

10.4.3 α-D-半乳糖苷酶245

10.4.4乙酰木聚糖酯酶245

10.4.5阿魏酸酯酶246

10.5生物质原料所需的半纤维素酶活性246

10.5.1木聚糖246

10.5.2半乳葡甘露聚糖和葡甘露聚糖247

10.5.3阿拉伯半乳聚糖、木葡聚糖和β-葡聚糖248

10.6可溶化的半纤维素的水解248

参考文献249

第11章 好氧微生物的纤维素酶系统254

11.1引言254

11.2认识纤维素酶254

11.3纤维素酶的多样性255

11.4纤维素结合结构域257

11.5纤维素酶的协同作用258

11.6瑞氏木霉的纤维素酶系统258

11.7其它真菌的纤维素酶259

11.8产纤维素酶的好氧细菌259

11.9展望262

参考文献262

第12章 瘤胃和大肠中厌氧微生物的纤维素酶系统268

12.1引言268

12.2瘤胃中分解纤维素和半纤维素的细菌268

12.2.1黄色瘤胃球菌268

12.2.2其它与梭菌属有关的厌氧细菌270

12.3参与植物细胞壁降解的真核微生物271

12.3.1瘤胃真菌271

12.3.2瘤胃原生动物271

12.4来自环境基因组学的信息272

12.5大肠中的菌群272

12.6总结273

参考文献273

第13章 纤维小体：细菌克服生物质抗降解性的策略278

13.1引言278

13.2纤维小体的概念279

13.3纤维小体上的糖活性酶类281

13.4纤维小体-纤维素相互作用283

13.5纤维小体在细胞膜上的分布284

13.6纤维小体对抗降解纤维素底物的攻击284

13.7热纤梭菌纤维小体降解纤维素的过程287

13.8纤维小体的理性设计287

参考文献289

第14章 预处理提高原料降解效率297

14.1引言297

14.2酶的应用及酶法预处理297

14.3对预处理过程特性的期望298

14.4预处理物料影响纤维素降解效率的物化性质298

14.5底物预处理方法299

14.5.1物理方法预处理299

14.5.2快速降压预处理300

14.5.3自水解预处理300

14.5.4酸处理301

14.5.5碱性预处理301

14.5.6溶剂预处理302

14.5.7超临界流体预处理303

14.5.8氧化预处理303

14.5.9生物预处理303

14.6前景与展望303

参考文献305

第15章 认识生物质降解群落309

15.1引言309

15.2生物质降解群落的界定310

15.2.1与植物生物质有关的真菌311

15.2.2与植物生物质有关的细菌312

15.3腐生真菌与细菌间的相互作用314

15.4降解生物质微生物群落的表征315

15.4.1界定生物质降解群落的生物化学方法315

15.4.2界定生物质降解群落的分子方法316

15.4.3适合生物质样品的微阵列方法318

15.5结论319

参考文献320

第16章 新一代生物质转化：统合生物工艺326

16.1引言326

16.2统合生物工艺327

16.3 CBP研究进展328

16.3.1天然分解纤维素的微生物328

16.3.2纤维素分解重组策略330

16.4未来的研究方向331

参考文献331

索引336