水热预处理过程中生物质乙酰化程度对其自体水解的影响

Corn stover with different degree of acetylation is prepared and selected as the feedstock in this project. The influence of the degree of acetylation on biomass autohydrolysis mechanism during the hydrothermal pretreatment process is to be investigated on the following four aspects: ⅰ) The degradation patterns of the three main components (cellulose, hemicellulose and lignin) in samples with different degree of acetylation during the hydrothermal pretreatment process are to be modelled respectively by the mass balance calculation; ⅱ) The changes on the surface structure and ultrastructure before and after the hydrothermal pretreatment will be studied on the samples with different degree of acetylation by the modern analytical instruments; ⅲ) How inhibitors are formed from the samples with different degree of acetylation during hydrothermal pretreatment, their levels and how these inhibitors affects the yeast activity employed in the following biomass conversion process will be revealed; ⅳ) The key factors affecting biomass conversion are to be elucidated by correlating the physical and chemical properties such as crystallinity, surface area etc. with the ethanol fermentation efficiency. It is anticipated that this 4-year project will reveal the biomass autohydrolysis mechanism during hydrothermal process resulted from different degree of acetylation in the samples from the micro perspective for the first time. This will help improve the hydrothermal-based biomass pretreatment technology, as well as provide the technical support and theoretical basis for the biomass industrialization.

以我国主要农业废弃物-玉米秸秆为试材，深入研究玉米秸秆自身结构因素-乙酰化程度在水热预处理过程中对自体水解的作用机制。通过对玉米秸秆水热预处理前后组成成分含量分析，进行质量恒算，揭示不同乙酰化程度下三大组分（纤维素、半纤维素、木质素）的降解规律；采用现代结构分析仪器，研究不同乙酰化程度样品预处理前后表面结构与超微结构的变化规律；通过对预处理过程中潜在抑制物的分析，确定不同乙酰化程度对抑制物种类、形成规律的影响及其对后续生物转化过程的抑制水平；研究不同乙酰化样品预处理后结构参数，包括结晶度、晶粒大小等的变化规律以及这些变化与酶解发酵效率的相关性，明确影响生物质高效生物转化的关键结构因素。通过本项目研究，将首次从微观机理角度，揭示乙酰化程度在生物质自体水解中的作用，可进一步完善水热预处理技术体系，并为其他预处理技术体系的机理研究提供可资借鉴的经验，进而为实现生物质产业化提供技术保障与理论依据。

利用本身结构基团在预处理过程中的降解物作为催化剂完成生物质的自体水解，已经受到越来越多的重视。在水热预处理过程中，乙酰基团被认为是影响木质纤维素等生物质自体水解的最为关键的因素。但研究侧重于工艺条件的优化，对在自体水解过程中生物质主要结构基团的降解物与底物间的相互作用，尤其是乙酰化程度对玉米秸秆的自体水解过程报道不多。为此，本项目对不同乙酰化程度下，自体水解过程中玉米秸秆化学组成成分变化、降解动力学、主要基团的迁移规律、自体水解前后表面/超微结构以及主要结构参数的变化进行了研究；同时，对自体水解过程中产生的潜在抑制物种类、抑制浓度以及形成机制进行了分析。结果表明，经过较温和的脱或加乙酰化处理，玉米秸秆的化学组成和结晶度没有发生明显的变化；将酶解和乙酰化程度进行非线性拟合后发现乙酰化程度与酶解效果之间呈负相关性：乙酰化程度越高，酶解效率越低；反之，脱乙酰化程度越高，酶解效率则增强。此外，通过本项目研究发现，水热预处理可以增加结晶度和比表面积、减小聚合度，而脱乙酰化可以减小玉米秸秆的聚合度和比表面积。将玉米秸秆的主要结构参数与酶解转化建立关联，发现相比于结晶度，聚合度和比表面积在木质纤维素的酶解过程中更起到主导作用。扫描电镜表明水热预处理可以破坏玉米秸秆的表面结构，随着预处理强度的提高，其破坏程度就越大，同时脱乙酰化可以有效的阻止假木质素液滴的形成，而假木质素被认为对酶解有着负面的影响。通过本项目研究，进一步完善了木质纤维素结构特性-乙酰基团对木质纤维素酶解转化的影响、乙酰基团对水热预处理过程自体水解的影响以及木质纤维素的降解机制；同时，为从上游出发开发适宜的乙酰化基团作物、提高和开发更合理有效的预处理技术以及对酶解和发酵的进一步放大利用提供了重要的参考数据，从而有利于的推动木质纤维素等生物质的生物产业化。