酶分子对黄姜细胞壁降解及皂苷释放的影响机理研究

It has long been a bottleneck in production of diosgenin that the biomass in cell wall impedes the extract of diosgenin from D. zingiberensis C.H. Wright (DZW). Based on the previous study of the novel method utilizing microbial treatment for cleaner production of diosgenin from D. zingiberensis C.H. Wright (DZW), this project will investigate the effects of enzymes of Bacillus pumilus HR19, composition and temporal sequence of different exogenous enzymes on the degradation of DZW and the release of saponins along with the mechanism underlying. In this project, employing near infrared (NIR) combined with gas chromatography/mass spectrometry (GC-MS), X-ray diffraction analysis (XRD) , environmental scanning electron microscope (SEM), atomic force microscope (AFM), and other efficient and reliable techniques for turmeric cell wall component analysis and structure change characterization, the relationship between the properties of turmeric raw material and the diosgenin yield after pretreatment will be analyzed at both macro and micro levels. The effect and mechanism of enzyme composition and temporal order of action on the degradation of DZW cell walls will be disclosed. In addition, by analyzing the relationship of adsorption capacity between the lignocelluloses and degrading enzymes, this project will clarify the inhibition effect of lignocelluloses on the degrading enzymes. Overall, this project will lay a foundation for the directional combination and orientation transformation of microorganisms used in cleaner production of diosgenin, and will have some enlightenments on production of natural medicines from lignocellulose-rich medicinal plants.

黄姜细胞壁生物质严重阻碍皂素提取是当前黄姜皂素生产的瓶颈，本项目在前期开发的微生物法清洁生产黄姜皂素新技术的基础上，研究Bacillus pumilus HR19酶系、外源酶分子及作用顺序组合对黄姜细胞壁生物质降解及皂苷分离过程的影响。利用近红外（NIR）结合气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）、X射线衍射分析（XRD）、环境扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）等高效可靠的黄姜细胞壁组分分析和结构变化的表征技术，从宏观、微观层次分析预处理后黄姜细胞壁生物质特性与黄姜皂素提取率间的关系，探明酶分子及作用顺序对黄姜细胞壁生物质降解的影响及作用机理，并通过分析黄姜木质素与降解酶系中各组分之间吸附能力的关系，阐明黄姜木质素对降解酶系的抑制作用。本项目将为黄姜皂素清洁生产中特定微生物功能菌群的定向组合和改造奠定基础，并为富含木质纤维素的药用植物清洁生产天然药物提供新思路。

黄姜细胞壁生物质严重阻碍皂素提取是当前皂素生产的瓶颈，本项目在前期微生物法清洁生产黄姜皂素新技术的基础上，研究不同酶分子组成及时空顺序在黄姜细胞壁生物质酶解及皂苷分离过程中的作用机制。采用16种不同酶分子组合及不同时空作用顺序处理黄姜原料，以黄姜还原糖和皂素含量为评价指标，确定了果胶酶为破坏细胞壁促进皂素释放的关键酶，通过果胶酶处理的样品还原糖与皂素的含量分别为12.558 %、1.293 %，比对照组分别提高了1.948倍、2.699倍。PC组合（果胶酶、纤维素酶依次处理）为最优组合，其还原糖和皂素提取率最高，分别为13.601 %和1.574 %，比对照组分别提高2.110倍、3.286倍，且果胶酶（P）应优先添加能最大限度提升黄姜细胞壁的降解效率并促进皂苷释放。通过环境扫描电镜（SEM）发现，P组和PC组处理黄姜淀粉颗粒更分散，纤维素和淀粉颗粒有明显的穿孔现象，对黄姜细胞壁的降解更充分。低温氮吸附比表面积（BET）分析表明，仅仅采用P处理后的黄姜样品的比表面积比PC和PCX组合的更大，且AFM结果显示P比PCX处理后的黄姜颗粒表面更为崎岖。X射线衍射（XRD）分析表明，仅仅通过3种酶的不同组合和作用顺利处理并没有改变黄姜生物质的结晶度。本研究明确了黄姜细胞壁生物质特性与皂素提取收率的关系，对不同酶分子处理富含木质纤维素的药用植物资源及其综合利用提供了参考，为定向筛选能分泌特定细胞壁降解酶系的微生物的联合处理生物质资源指明了方向。.另外，本项目通过对比生物法（TR-A）和化学法（TR-B）产生的黄姜残渣对铜离子的吸附特性及机理研究表明，TR-A对Cu2+的吸附量均高于TR-B，主要以化学吸附为主。说明微生物法有利于利用富含木质纤维素的原料对水体和土壤环境中的重金属和金属进行修复。