基于木质素结构定向改性的木质素-纤维素酶相互作用调控

It is widely assumed that the non-productive adsorption of cellulase on lignin in substrate is one of the most important factors that inhibits the enzymatic conversion of lignocellulose. Previous works of this applicant showed that the enzymatic saccharification of lignocellulosic substrate was significantly improved by the addition of exogenous water-soluble lignin (WSL), and the effect was substrate lignin dependent. Based on the interaction between lignin and cellulase, several works including the regulation effect of residual and dissolved lignin in pretreatment, the response of substrate lignin-cellulase interaction and enzymatic hydrolysis with the molecular structure of substrate lignin, modification and structural regulation of WSL, the interaction between WSL and cellulase, the “competitive adsorption” of cellulase on WSL and substrate lignin, as well as the effect and mechanism of WSL on enzymatic conversion of lignocellulosic substrate, will be detailedly investigated in this project. The project is aimed to understand the internal relationship between lignin structure and lignin-cellulase interaction. The nonproductive adsorption of cellulase on substrate lignin is therefore reduced. The results will provide a theoretical basis for improving the efficiency of enzymatic hydrolysis of lignocelluloses and constructing the system of clean enzymatic hydrolysis.

水解过程底物木质素对纤维素酶的非生产性吸附是制约酶水解效率提高的重要因素，申请人前期研究显示水解体系中加入适量水溶性外源木质素可有效促进纤维素的酶水解转化，并且这种作用依赖于底物木质素的存在。本项目从木质素-纤维素酶的相互作用入手，系统开展预处理对残余木质素及溶出木质素分子结构的调控、底物木质素-纤维素酶的相互作用及酶水解对底物木质素结构的应答机制、水溶性木质素的改性与分子结构调控、水溶性木质素与纤维素酶的相互作用、水溶性木质素与底物木质素对纤维素酶的“竞争吸附”作用，以及水溶性木质素对纤维素酶水解转化的作用及机制等方面的研究工作，旨在从根本上认清木质素结构与木质素-纤维素酶相互作用的内在联系，通过对木质素分子结构的定向设计，调控内源木质素、外源木质素与纤维素酶的相互作用，减少底物木质素对酶的非生产性吸附。研究成果将为提高木质纤维原料的酶水解效率、构建清洁酶水解体系提供理论依据。

水解过程底物木质素对纤维素酶的非生产性吸附是制约酶水解效率提高的重要因素，前期研究显示水解体系中加入适量水溶性外源木质素可有效促进纤维素的酶水解转化，并且这种作用依赖于底物木质素的存在。本项目从木质素-纤维素酶的相互作用入手，系统开展预处理对残余木质素及溶出木质素分子结构的调控、底物木质素-纤维素酶的相互作用及酶水解对底物木质素结构的应答机制、水溶性木质素的改性与分子结构调控、水溶性木质素与纤维素酶的相互作用、水溶性木质素与底物木质素对纤维素酶的竞争吸附，以及水溶性木质素对纤维素酶水解转化的作用及机制等方面的研究工作。取得的主要进展包括：（1）对多种木质纤维素原料进行酸、碱、有机溶剂、低共融溶剂等预处理，通过化学改性调控预处理溶出木质素和酶水解残渣木质素的分子结构，在分析木质素分子结构特性（亲/疏水性、分子量、官能团、结构单元等）的基础上，开发了原子力显微镜单分子力谱技术直接测量木质素与纤维素酶的黏附力，综合运用QCM、SPR、NMR等先进表征手段，深刻认识木质素（包括内源底物木质素和外源水溶性木质素）与纤维素酶的相互作用及其对酶水解过程的影响机制，在此基础上提出了“竞争吸附”理论，从分子层面解译了可溶性木质素强化含木质素底物的酶水解作用机理；（2）根据“竞争吸附”理论，建立了木质素分子结构调控机制以减少底物木质素对纤维素酶的非生产性吸附，大幅度提升木质纤维原料的酶水解转化效率，同时，将水溶性磺化木质素拓展至磺化多酚，实现了低酶用量（5 FPU/g-底物纤维素）下的超高酶水解效率（约100%的纤维素转化率）；（3）基于可溶性木质素“活化”纤维素酶的研究成果，提出木质素的细胞活性假设，拓展并深化了木质素生物活性的范畴，并利用生物炼制过程产生的废液和废渣中的木质素开发多种具有良好应用前景的高附加值木质素产品。本项目取得的研究成果为提高木质纤维原料的酶水解效率、构建清洁酶水解体系提供理论依据和解决方案。