木质素非生产性吸附木质纤维降解酶的规律及其调控

Enzymatic hydrolysis is one of the key steps in biorefining of bioenergy and high value chemicals from lignocellulosic materials. The complex structures of lignocelluloses and the denaturation or inactivation of cellulases result in high dosage of enzymes and low hydrolysis efficiency in the enzymatic hydrolysis of lignocelluloses. The non-productive adsorption of enzymes on lignin is one of the main reasons for the low efficiency of enzymatic hydrolysis. This project will study the inhibitory effect and non-productive adsorption of lignin on lignocellulolytic enzymes and explore the mechanism of positive effects of non-ionic surfactants on the enzyme activities. The effects of non-ionic surfactants on the adsorption/desorption of enzymes on/from lignin will be also investigated to illustrate the mechanism of reducing the inhibitory effects of lignin and the promoting effects of non-ionic surfactants. This project will provide scientific guidance in selecting high efficient pretreatment technologies and the optimization of enzyme cocktail with high effectiveness. The results of the project will also give the scientific direction of using non-ionic surfactants in enzymatic hydrolysis, which will establish the important theoretical foundation for obtaining advanced hydrolysis technology for the bioconversion of lignocelluloses into fermentable sugars.

酶水解是木质纤维材料生物炼制生物能源与高值化学品的关键步骤。由于木质纤维材料自身结构的复杂性和纤维素酶易变性失活等因素的限制，木质纤维材料的酶水解存在酶剂量大、水解效率低等问题。木质素对木质纤维降解酶的非生产性吸附是木质纤维材料酶水解效率低下的关键因素之一。本项目拟研究不同结构的木质素对木质纤维降解酶活性的抑制及非生产性吸附的规律，探讨非离子表面活性剂对不同酶组分的激活作用，研究非离子表面活性剂对木质纤维降解酶在木质素表面非生产性吸附/脱吸的影响，揭示非离子表面活性剂缓解木质素对酶的抑制以及强化木质纤维材料酶水解的机制，以期为高效预处理方案的选择及高效酶制剂的配制提供科学依据，为酶水解过程中非离子表面活性剂的使用提供科学指导，预期研究成果将为获得水解效率高、酶剂量少、酶易回收的酶水解技术奠定理论基础。

本项目研究了稀酸、稀碱等预处理对木质素结构及其吸附/脱吸木质纤维降解酶的影响，考察了表面活性剂对木质素吸附和脱吸纤维素酶及木聚糖酶的影响，主要结果如下：.研究了不同剧烈值的稀酸预处理对玉米芯酶解木质素（ERLs）吸附和脱吸纤维素酶的影响。结果表明，随着剧烈值的增大，稀酸预处理后ERLs的分子量、表面负电荷量、及脂肪族羟基含量减小，而其缩合酚羟基含量及疏水性增大。稀酸预处理增强了木质素对纤维素酶的吸附。稀酸预处理降低了木质素对纤维素酶的脱吸能力。.研究了不同碱强度的稀碱预处理对ERLs吸附和脱吸纤维素酶的影响。结果表明，随着碱强度的增加，稀碱预处理后ERLs的分子量、紫丁香基与愈创木基单元的数量比、及表面负电荷量增大，而其疏水性减小。稀碱预处理降低了ERLs对纤维素酶的亲和力。稀碱预处理后ERLs脱吸纤维素酶的能力增强。.研究了表面活性剂Tween 80对木质素吸附和脱吸纤维素酶及木聚糖酶的影响。结果表明，添加Tween 80缓解了ERLs对纤维素酶水解的抑制。Tween 80可以缓解ERLs对纤维素酶的吸附，且该缓解作用随着ERLs的酚羟基含量及疏水性的增加而增强；Tween 80可以促进ERLs对纤维素酶的脱吸，且该促进效果随着ERLs的酚羟基含量及疏水性增加而减弱。Tween 80可以提高XYL和βX的活力，减少XYL和βX的失活。Tween 80可以缓解杨木对木聚糖酶的吸附，且该缓解作用随着杨木的木质素含量以及木质素酚羟基含量的增加而增强；Tween 80可以促进杨木对木聚糖酶的脱吸，且该促进效果随着杨木的木质素含量以及木质素酚羟基含量的增加而减弱。.本项目的研究结果可以为高效预处理方案的选择及高效酶制剂的配制提供科学依据，为酶水解过程中非离子表面活性剂的使用提供科学指导，预期研究成果将为获得水解效率高、酶剂量少、酶易回收的酶水解技术奠定理论基础。