藉由酵素的專一性,可針對纖維素的結晶區(crystalline region)和非 結晶區(amorphous region)水解,此方法優點為反應溫和、不須在高溫 且激烈的情況下反應,故生成的醣類不會被破壞,但有反應時間長、
成本高等缺點。纖維水解酵素是一種複合酵素系統,該系統基本包括 三大類型式(David, 1991)
(1) 內切型纖維水解酵素(Endo-β-1, 4-glucanase, EG)
分子量約為1.14 × 105-6.7 × 105 dal (David, 1991),主要作用於纖 維素非結晶區,對纖維素內部以任易(random)的方式予以分解,可將纖
維素分解成cellodextrin、cellobiose、glucose (Virendra and Mishra, 1989)。
(2) 外切型纖維水解酵素 (Exo-β-1, 4-glucanas, CBH)
分 子 量 約 為4.2 × 104-6.5 × 104 dal (David, 1991) , 又 名 Cellobiohydrolase(CBH),可分為CBH I、CBH II 分別作用於纖維素結 晶區還原端和非還原端,以纖維二糖(cellobiose)為單位,產生纖維二糖 (Terri, 1997)。
(3) β-葡萄糖苷酵素(β-1, 4-glucosidase)
分子量約50,000-410,000 dal (David, 1991)。該酵素作用在非還原 端,將纖維雙醣(cellobiose)或其他低聚合度的纖維糊精予以水解成葡萄 糖。
利用酵素進行纖維素的水解,EG 首先會在非結晶區纖維素長鏈 分子上任意裂解一糖苷鍵,此步驟可將纖維素還原端或非還原端暴露 出來,迅速減少纖維素的聚合度,再由CBH 從斷裂處將纖維素降解為 纖維二糖或纖維寡醣,EG、CBH 二個酵素相互配合,使得纖維素分 子的結晶區與非結晶區,同時受酵素作用而各自以不同的方式及速 率水解,最後再由β-glucosidase 將其水解為葡萄糖(Reese et al., 1950) (附圖 10)。
2.6.2 化學法 (1) 酸、鹼水解
使用鹽酸、硫酸於高溫環境下或加以超音波震盪進行纖維素降解 (Li et al., 2001),由於可以大量生產價格便宜,為工業上最常用來製備 纖維寡醣的方法(Zhang and Lee, 2003)。使用濃度12%以上氫氧化鈉降 解纖維素,可以使纖維素的聚合度從2000下降至200 (Shibazaki et al., 1997)。缺點為酸鹼中和後會產生大量的鹽類,必須經由離子交換、有 機溶劑沉澱方法來純化產物,這些副產物會使後續處理耗時(Schmid et al., 1988)。
(2) 氧化降解
氧化降解法乃利用氧化劑進入纖維素的結晶區與非結晶區內氧化 纖維素,加速纖維素的降解反應(黃,2007)。最常用的強氧化劑為臭氧 及過氧化氫(Fan et al., 1987),優點為反應快、無殘留問題、容易操作 與價格便宜等,缺點是降解產物可能進一步氧化產生酸性物質或二氧 化碳等副產物。
2.6.3 物理法
(1) 機械法
球磨是利用纖維素與介質經碰撞而產生擠壓力、剪切力來破壞纖 維素分子及減小粒徑。優點是無溶劑污染、無副產物產生,但粒徑下 降的程度,會受到儀器限制且產物較無專一性(Fan et al., 1987)。
(2) 高溫裂解法
將纖維素利用高溫分解,使聚合度下降,常加入強酸加速反應,
會有揮發性的溚(tar) 和一些氣體副產物產生(Dobele et al., 1999)。
(3) 輻射照射法
常使用高能量 γ-rad照射纖維素,但照射前常需使用鹼將纖維素膨 潤,再以酸中和洗淨乾燥後才進行輻射處理(Földváry et al., 2003),使 輻射處理的應用性受到限制。