木质纤维素-糖平台的新型构建方法及其机理

尽管生物炼制已经成为近年来的研究热点，但从木质纤维类生物质到生物能源和生物基产品仍旧面临着许多瓶颈问题，其中木质纤维素-糖平台的预处理和酶解问题尤为突出。建立经济高效的原料预处理和酶解过程是解决木质纤维素-糖平台问题的关键。基于此，本研究提出构建木质纤维素-糖平台的新思路：首先对木质纤维类生物质进行常压甘油自催化预处理，通过探讨微晶纤维素含量及其超分子结构与纤维素酶的构效关系，揭示其促进木质纤维素酶解的机理，并对该预处理技术进行全面的系统优化；然后，将发芽谷物应用于常压甘油自催化预处理的木质纤维素酶解过程，以期通过谷物发芽所产植物内源性酶蛋白（水解酶和酶促因子）与微生物源性纤维素酶的协同作用，达到木质纤维素水解产糖的高效转化，并且基于超微观结构分析，从纳米和微观水平上多尺度地研究木质纤维素酶解过程中植物内源性酶蛋白与微生物源性纤维素酶的协同机理。

尽管生物炼制已经成为近年来的研究热点，但从木质纤维类生物质到生物能源和生物基产品仍旧面临着许多瓶颈问题，其中木质纤维素-糖平台的预处理和酶解问题尤为突出。建立经济高效的原料预处理和酶解过程是解决木质纤维素-糖平台问题的关键。基于此，本项目开展了以下几方面的工作：.1）首先建立木质纤维类生物质的常压甘油自催化预处理方法。以70%甘油水溶液在液固比15~20 / 1，220~240℃预处理2~4 h，常压甘油自催化预处理导致麦草获得50~60%预处理纤维含量；预处理后麦草纤维中纤维素达到75~85%，它的保留量（纤维素含量）为原麦草中含量的90~95%，而预处理纤维中残留的半纤维素和木质素分别在15%和10%左右；甘油预处理麦草纤维在10 FPU / g干底物酶解24 h酶解率可达80%以上。.2）在该过程中发生一些有趣现象：发现纤维角质化及其对纤维酶解的影响；观察到常压甘油自催化预处理后滞留在纤维表面的木质素-碳水化合物复合体；也发现了在制浆造纸中常见的树脂沉积现象。.3）分析了常压甘油自催化组分分离策略提高木质纤维类生物质原料可酶解性的机制：预处理过程中脱除了木质纤维类生物质中酶解抑制性化学组分，如：乙酰基、半纤维素和木质素等；通过预处理，解剖了生物质原料复杂致密的顽抗结构，使生物质在组织器官或细胞水平上相解离，并且修饰改进了木质纤维中不利于酶解的理化结构，如：纤维束变得松散、纤维的平均尺寸减小、纤维粗糙度和比表面积增加等等。.4）也尝试建立了评价木质纤维素预处理效果的新方法—持水率。实验结果显示，木质纤维较高的持水率代表着较好的可消化性，持水率与可消化性在某种程度上具有相关性。持水率能够用来评估木质纤维素类生物质的预处理效果，物理意义明确，可通用到木质纤维质原料预处理效果的评价中，也便于各种预处理方法的优劣比较。.5）在酶解方面，尝试一些表面活性剂在纤维素酶水解纤维质的积极作用。通过对添加表面活性剂种类、添加浓度和添加时间等因素考虑，发现添加非离子性表面活性剂吐温80和PEG6000能够提高纤维素原料的酶解，分别提高了19.3%和21.2%；非离子表面活性剂添加最佳浓度为0.05g/g底物，可与纤维素酶同时添加；添加非离子表面活性剂可以使纤维素表面特性发生改变，增多了纤维素酶与底物的结合位点，使纤维素酶更容易与底物相结合，从而提高底物的纤维素转化率。