纤维素酶作用的动力学
天然纤维的结构非常复杂[17],除了含有纤维素外,不含有半纤维素、木质素和果胶质。同时,纤维素酶又是复合酶,至少包含C1和Cx酶,所以纤维酶作用于天然纤维的动力学模型至少由二种底物(结晶型和无定型纤维素)和至少一种杂质(木质素)及二个酶(C1、Cx)组成。即使单纯的纤维素种类也很多。表2例举了几种纤维素酶作用底物的种类和聚合度[36]。
表2 几种纤维素酶作用底物的种类和聚合度
纤维素水解程度随着酶和纤维素接触时间的平方根而变化,水解速度随结晶度增加而下降。纤维素水解的速度受吸附速度或酶分子渗透的限制。在破坏的结晶底物表面和可接触表面的平方间存在着函数关系
式中,A为被破坏底物表面,S0为可接触底物表面,t为接触时间,a为表面去活化的速度常数。
这表明,酶作用不单单是一个表面现象,但在反应物,由于侵蚀和断裂,总的粒子数显著增加。
根据对纯的和天然纤维素糖化的研究指出,纤维素最初的酶解是假一级反应,所用下式表示(https://www.daowen.com)
式中,t为反应时间(分),K为速度常数(分-1),S为纤维素浓度(克/毫升),S0为最初纤维素浓度(克/毫升)。
根据稻壳-纤维素酶系统估计,活化能的数量级为14 870卡/克分子,是在液相中扩散,或化学反应的数量级范国内[29]。
由于产物的抑制,使得反应动力学复杂化。根据对于磷酸膨胀纤维素所作的无定形纤维素水解动力学的研究,提出了一个酶一种底物作用的反应式[37]:
式中,V是反应速度,S和P分别为底物和产物浓度,X1m是酶和底物形成络合物的饱和浓度,K1代表酶和底物形成络合物的速度常数比
是酶和底物络合物形成产物的速度常数,K3是酶与产物形成非活性络合物的速度常数比
。可见,纤维素水解速度与底物浓度、酶浓度、底物与酶形成络合物的饱和浓度,以及酶与底物反应形成产物,和产物与酶结合的反应速度常数有关。在同时具有结晶和无定形纤维素的底物中,反应动力学就更为复杂,得到平均反应速度公式如下:
这里S0为起始底物浓度,S=S0-P
纤维素酶作用动力学的研究将有助于纤维素酶作用机理的阐明和糖化工艺的合理设计。这类报道开始在文献中增多。