木质素结构性质对纤维素酶解反应的影响及抑制作用机理研究

植物纤维生物转化的关键是用酶法将纤维素高效水解为可发酵糖。但纤维素酶水解效率低，制约其产业化。纤维素酶水解效率不仅受纤维素酶系效力的影响，还与非均质木质纤维原料本身固有特性有关(包括纤维表面性质，纤维素聚合度、结晶度，半纤维素和木质素结构性质及含量等)，其中木质素结构性质是影响酶解反应的主要因素之一。因此，如何消除木质素结构性质对纤维素酶解过程的不利影响对促进植物纤维生物转化具有重要意义。基于木质素结构性质既与原料种类有关，又受酶解前原料的预处理方式和条件的影响的考虑，本研究拟先对高温液态水预处理过程中木质素结构和性质的变化规律进行研究，再进一步对纤维素酶在不同结构性质的木质素表面的吸附进行分析，揭示木质素对纤维素酶解反应的抑制作用机理。为寻求消除木质素的抑制作用途径提供理论依据，以期改善由于木质素结构性质带来的酶解效率低的问题。

本项目旨在解决如何消除木质素对纤维素酶解过程的不利影响，促进植物纤维生物转化的研究。植物纤维生物转化的关键是用纤维素酶将植物纤维高效水解为可发酵糖。木质素结构性质是影响酶解反应的主要因素之一。因此，如何消除木质素结构性质对纤维素酶解过程的不利影响对促进植物纤维生物转化具有重要意义。. 首先，对高温液态水预处理过程中，原料中纤维素，半纤维素和木质素等化学组分的溶出规律进行了研究。研究结果表明，在最高温度180 °C（芦苇）和190 °C（玉米秸秆），保温时间20 min，固液比1：10条件下，高温液态水预处理实现了半纤维素与纤维素和木质素的有效分离。. 其次，对高温液态水预处理过程中木质素结构性质的变化进行了研究。通过FT-IR，SEM和N2吸附的分析，表明高温液态水预处理主要是通过高温高压条件下将原料中聚戊糖大量溶出，在不溶性固体内部形成孔洞，提高比表面积和扩大孔直径，为纤维素酶到达纤维内部提供通道，进而提高酶解效率。通过GPC、DTA和元素分析发现，高温液态水预处理后的木质素分子量的增加不但是由于小分子量的木质素的溶出，同时木质素结构单元还产生了缩合。通过FT-IR, 1H NMR and 13C NMR分析发现，磨木木素中非共轭酮基和共轭酮基、醚键经高温液态水预处理后消失了，而磨木木素的酚羟基和甲氧基含量是增加的。. 第三，对木质素结构性质变化对纤维素酶水解反应的影响及抑制作用进行了研究。将从玉米秸秆不溶性固体中提取的Klason木素和磨木木素添加到纤维素酶液中，结果表明将会引起纤维素酶的活性及蛋白质含量的降低。Klason木素引起纤维素酶活和蛋白质含量的降低程度大于磨木木素。. 第四，对植物纤维原料生物转化和发酵残渣的液化进行了研究。研究结果表明，采用Tween40预处理的分批补料的半同步糖化发酵可在不明显降低乙醇得率的条件下有效地提高了乙醇浓度，乙醇浓度可达到52g/L，乙醇转化率达70%左右。Tween40预处理可有效地消除木质素对酶解发酵的抑制作用。以氯化铝为催化剂对发酵残渣在乙醇存在的条件下进行液化。在适宜的液化条件下，液化率达72%以上，氯化铝促进了液化过程的发生。. 研究期间共发表SCI收录文章7篇，其中获大连市自然科学优秀学术论文奖特等奖1项，辽宁省自然科学学术成果奖二等奖1项，授权国内发明专利1项，培养硕士研究生1名。