马铃薯渣组成和结构对纤维素酶吸附木质纤维素底物的影响研究

Focused on specific adsorption behavior of cellulase which is the first and decisive step of cellulose hydrolysis, effects of composition and structure of lignocellulose from potato pulp on enzymatic efficiency of cellobiohydrolase (CBH) and endoglucanase (EG) is investigated. According to the high heterogeneity and crystallinity of lignocellulose, substrate structure and composition, especially starch and pectin content have important effects on phase-transfer catalysis and adsorption behavior of cellulase by competitive adsorption and physical barrier. Characteristic substrate information which benefits hydrolysis procedure most can be got by research works on different pretreatments and their effects on substrates and adsorption behavior of cellulase. Based on studies of adsorption and desorption mechanism and corporative action of CBH and EG due to the changes of substrates and products, apposite pretreatment and enzymatic control strategy can be acquired. The results will not only greatly contribute to enzymatic utilization of lignocelluloses from root and tuber crops, but also help to solve environmental pollution problems and facilitate the development of related industries.

从特异性吸附作用这一纤维素酶解的起始和决定性步骤角度，开展马铃薯渣组成及结构影响外切葡萄糖苷酶（CBH）和内切葡萄糖苷酶（EG）作用于木质纤维素底物的基础科学问题研究。基于马铃薯渣组分的高度异质性和晶体结构特征，掌握其组成和结构，尤其是淀粉和果胶组分对纤维素酶在异相传递和有效吸附于底物过程中的竞争性吸附和物理屏障作用的规律及作用机制；研究不同的预处理方式对马铃薯渣组成和结构的改变，及其对纤维素酶吸附效率和酶解效果的影响，获取最利于纤维素酶作用的底物特征信息；分析酶解过程中底物改变和产物生成对CBH和EG的吸脱附机制和协同作用的影响，并在此基础上建立针对马铃薯渣底物的预处理方式和酶解控制策略。研究结果对薯类木质纤维素资源的高效酶解糖化利用具有显著的科学意义，有助于提高薯类加工的综合利用效率，并对解决环境污染难题，促进行业健康发展具有重要的指导意义。

本项目针对以马铃薯渣为代表的薯类生物质资源的组成与结构对纤维素酶吸附规律的影响展开系统研究，并分析其他非纤维素组分对酶有效吸附和作用于底物的抑制作用，以实现可应用于同类生物质资源高效综合利用过程中底物预处理和酶法转化路线的有效设计。主要研究和结果包括：研究了马铃薯渣中提取的纤维素的理化性质和酶解特性，发现马铃薯渣纤维素具有更好的酶吸附能力，吸附常数是玉米秸秆纤维素的1.48倍，表现出较容易被纤维素酶降解的特性；研究果胶酶处理对纤维素酶解效率的影响，并分析其限制酶作用于底物的机制，发现果胶主要通过其不溶性成分的无效吸附和附着在纤维素表面的物理屏障作用限制了酶对底物的有效接触获取马铃薯渣中纤维素的理化性质和酶解特性信息，低用量的果胶酶处理(5.0 U/g)可以使大部分果胶转变为可溶性的成分，使底物结构变得更为疏松和多孔，比表面积和吸附能力比对照分别提高了47.16%和21.15%；建立了果胶酶复合处理高效制备马铃薯渣可溶性膳食纤维的工艺路线，产品得率可达41.56%，且具有较好的应用性能和功能特性；研究果胶组分对马铃薯渣持水力和微观结构的影响，发现果胶组分的脱除可破坏其紧密的微观结构，导致持水力降低；利用果胶酶结合乳酸菌固态发酵处理马铃薯渣，果胶酶添加量0.38 U/g、植物乳杆菌接种量为2%，37 ℃发酵60 h后马铃薯渣持水力为6.72 g/g，与对照相比下降了64.41%；从干燥特性、水分横向弛豫时间、黏度、微观结构、质构等角度分析酶结合菌种发酵对马铃薯渣干燥性能的影响，发现果胶酶结合菌种发酵提高了马铃薯渣自由水比例，降低了体系黏度，微观结构呈片状使得细胞壁间隙增大，产生的通道可以实现水的快速排空以及使其呈现松散的类固体质构特性，从而改善了马铃薯渣的干燥性能，使其鼓风干燥时间缩短33.33%。项目剖析了马铃薯渣中纤维素的酶法利用特性，阐明了果胶酶影响纤维素酶对底物有效降解的作用机制，并基于这一特性和规律开发了相应的预处理和综合利用技术，实现了马铃薯渣的高效整体综合利用。