木质纤维素酶解界面吸附和反应的介尺度行为与调控机制

Enzymatic conversion of lignocellulose is a multiphase reaction system with multi-level complex meso-scale structures. Low efficiency of enzymatic hydrolysis and adsorption recovery is the bottleneck of the development and utilization of biomass and bioenergy, due to many unsolved mesoscale scientific issues. The purpose of this proposal is to discover the effective regulating ways for the efficiency of enzymatic conversion and recovery. Therefore, the main works are focused on mesoscale characterization, theoretical analysis and process optimization. (1) As for the "material level", the mesoscale structures of lignocellulose during enzymatic conversion including its components, molecular weight distribution, chain conformation, the crystalline degree will be tracked with the hydrolysis time. (2) As for the “reactor level”, the real time quantitative characterization method for the meso-scale structure about the adsorption and reaction of enzyme on the interface of different substrates will be developed by the combination of surface plasmon resonance and quartz crystal microbalance. (3) Based on the experimental results on the levels of material and reactor, the adsorption-reaction kinetic models will be constructed, aiming to describe the evolution in the meso-scale structure of this reaction system, to analyze the influence of adsorption and desorption on the efficiency of enzymatic conversion, to understand the interaction between enzyme and substrate, and to determine the effective ways to improve the hydrolysis and recovery of cellulases. The research results will promote the fundamental and application study of cellulosic ethanol and biomass-based chemicals.

木质纤维素酶解转化过程是一个具有多层次介尺度结构的复杂多相反应系统，诸多介尺度科学问题尚未解决，造成酶水解效率低、吸附回收难，是生物质能源开发利用的关键瓶颈。本项目旨在揭示纤维素酶水解与回收效率的调控机制，开展酶解过程的介尺度表征、机理分析与过程调控。①在“材料层次”上跟踪考察木质纤维素在酶解历程中分子量分布、链尺寸与构象、结晶区比例等介尺度结构演变规律；②在“反应器层次”上基于表面等离子共振和石英晶体微天平建立各种酶在不同底物界面上吸附与反应行为等介尺度结构的实时定量表征方法；③依据材料层次和反应器层次的实验结果，构建吸附-反应动力学模型，明确介尺度结构随时间演化的变化规律，剖析酶解反应效率受吸附/脱附的影响规律，理解酶与底物之间的相互作用机理，确定纤维素酶水解效率与吸附回收效率的调控途径。研究成果将促进纤维素乙醇和生物基化学品的基础研究并推进其开发应用。

木质纤维素生物转化过程是一个具有多层次介尺度结构的复杂多相反应系统，诸多介尺度科学问题尚未解决，造成酶水解效率低、吸附回收难，是生物质能源开发利用的关键瓶颈。本项目重点围绕影响纤维素酶水解与回收效率的界面吸附和反应过程进行深入研究，开展了酶吸附和反应过程的介尺度表征、机理分析与过程调控。①在外切和内切纤维素酶作用规律方面，实时监测两种重要的纤维素酶（CBH、EG）在纤维素表面吸附过程中引起的频率变化，考察了各组分纤维素酶吸附速率，以及定量各组分纤维素酶在两相界面的分布，深入理解各组分纤维素酶介尺度的竞争吸附行为与调控机制。改变吸附与脱附过程条件，实时跟踪了酶在界面相吸附与洗脱历程，阐述酶吸附动态行为及其影响规律。②在膨胀素—纤维素/木质素的界面研究中，膨胀素可以破坏纤维素的分子内以及分子间氢键，进而显著提高纤维素的亲水性，考察了不同吸附时间和浓度对膨胀素在纤维素表面实时吸附的影响规律，低浓度Tween 80，PEG4000可以在有效强化膨胀素的吸附过程；而SDS的使用则会显著抑制膨胀素的吸附；与纤维素相比，膨胀素与木质素有更强的亲和力，主要是由于木质素具有更强的疏水作用。而KL木质素有着更强的色散力，因此有最大的膨胀素吸附能力；低浓度的纤维二糖和木糖可增强膨胀素的吸附，而高浓度时会抑制膨胀素的吸附；阿拉伯糖和甘露糖随着浓度的增加不断抑制膨胀素的吸附；葡萄糖和半乳糖对膨胀素吸附没有明显影响。③在纤维素酶吸附与反应过程强化及机理分析方面，当以1：1的质量比将外切纤维素酶或内切纤维素酶与枯草芽孢杆菌类膨胀素协同作用纤维素底物时，酶的水解速率为未添加枯草芽孢杆菌类膨胀素时酶水解速率的5倍；添加36.5 mM的锌离子时，枯草芽孢杆菌类膨胀素的不可逆吸附比不存在锌离子时增加了4.63倍，而内切纤维素酶的初始吸附速率和酶解速率分别达到在无锌离子情况下的2.16倍和2.05倍。本项目所建立的各种纤维素酶和膨胀素界面吸附和反应动力学模型，可用于指导生物质生物转化过程，对于提高纤维素酶水解效率与吸附回收效率具有重要的指导意义，研究成果将促进纤维素乙醇和生物基化学品的基础研究并推进其开发应用。