纤维素-纤维素酶表面特性在酶解及酶回收过程中的影响机制

Enhancing enzymatic hydrolysis of cellulose and recycling cellulase are the key issues during cost reduction of lignocellulosic refinery. Effective adsorption of cellulase to cellulose and desorption of cellulase from cellulose are respectively basic insurances for efficient enzymatic hydrolysis of cellulose and cellulase recycling. Our previous studies showed that improving effective adsorption of cellulase to cellulose increased the enzymatic hydrolysis of lignocellulose by 70%. Therefore, studying adsorption/desorption characteristics of cellulase-cellulose surface is very significant for the bio-refinery of lignocellulose. However, there are few systematic and profound theories about the adsorption/desorption characteristics of cellulase-cellulose interface due to the complicated cellulase composition and lignocellulose structures. This study will determine accessibility of substrate to cellulase and adsorption of cellulase to substrate by ion exchange, gel chromatography, FTIR, XRD, NMR, SEM, etc. This study will also demonstrate the adsorption laws of cellulase to substrate and establish the quantitative model of relationship between substrate characteristics, cellulase characteristics and cellulase-substrate interface characteristics by analyzing hydrophobicity of cellulase and substrate, diffusion of cellulase in solution, and functional groups on the surface of substrate. The achievement of this study will provide a strong theory support to improving enzymatic hydrolysis of cellulose, and a beneficial reference to cellulase recycling in bio-refinery industry.

纤维素高效酶解和纤维素酶的循环利用是纤维素生物炼制产业中成本控制的关键问题，解决这两个关键问题的最基本保障是纤维素-纤维素酶的有效吸/脱附。我们的前期研究也表明：增加纤维素-纤维素酶的有效吸附，酶解效率可提高70%。因此，底物-酶表面特性的研究对纤维素生物炼制具有重要意义。但纤维素酶和木质纤维素结构成分非常复杂，目前仍缺乏系统深入的纤维素-纤维素酶界面理论。本项目拟借助离子交换、凝胶层析、光脱色吸附、核磁、显微成像等技术，动态测定酶与底物的可及性，实时检测底物对酶的吸附性，并通过研究纤维素酶的扩散性、亲疏水性，底物的亲疏水性、特征官能团，底物-酶界面相互作用对底物-酶可及性、吸附特性的影响，揭示纤维素酶与底物的吸附规律，建立酶特性、底物特性与底物-酶界面特性间量化关系模型。本项目将为最大限度提高纤维素的酶解效率提供有力的理论支撑，并为生物炼制产业中纤维素酶的循环利用提供有效的参考依据。

在木质纤维素生物炼制产业中，如何实现生物炼制环节中纤维素的高效酶水解一直是面临的关键问题。通过改变纤维素与纤维素酶的吸附特性，可显著提高纤维素底物的酶解效率。因此，掌握纤维素-纤维素酶吸附规律是提高纤维素的酶解效率、降低纤维素生物炼制产业成本的重要攻关点。.本项目采用多种方法（包括亚硫酸盐法、稀酸法、氢氧化钠法、氨水法、对甲苯磺酸法、热水法等）对蔗渣原料进行预处理以及组分分离，以预处理后的蔗渣组分和纯纤维素（微晶纤维素）作为研究对象，借助蛋白分离、酶吸附检测、核磁共振、电子显微成像、红外、X射线衍射等技术，动态测定酶与底物的可及性，实时检测底物对酶的吸附性，并通过研究纤维素酶和底物的理化性质、表面特性，以及底物和酶之间的相互作用等（包括亲疏水性、特征官能团、底物-酶氢键和静电作用、底物-酶可及性、底物-酶吸附特性等），揭示纤维素酶与底物的吸附规律，分析酶特性、底物特性与底物-酶相互作用特性间的关系。主要研究发现如下：.1.木质纤维素底物对纤维素酶的有效吸附量大，底物的酶水解效率也不一定会高。木质素对纤维素酶的无效吸附可以降低纤维素的酶水解效率，但是，木质素甚至可以通过对纤维素酶产生无效吸附诱导纤维素酶的结构发生变化从而促进纤维素酶活性的增加，提升纤维素的酶水解效率。相关机理值得更多更深入的研究。.2.仅对木质素-纤维素酶和纤维素-纤维素酶两种体系进行研究是不够的，木质素和纤维素之间也存在极复杂的作用，且对纤维素底物的酶水解效率有重要影响，是不可忽略的因素，在未来值得进行大量系统深入的研究。.3.由于木质素的存在，木质纤维素底物和纯纤维素底物在物化特性、与纤维素酶的吸附特性及相互作用，以及木质素对底物酶水解效率的影响等方面都存在不同的规律。.本项目的研究成果可为最大限度提高纤维素的酶解效率、木质纤维素生物炼制产业的高效、低成本运转提供理论支撑。