木质素结构对纤维素酶吸附及酶水解的影响与作用机制

The non-productive adsorption of cellulase on lignin results the increase of enzyme cost during the process of enzymatic hydrolysis. It is regarded as on of the bottlenecks for the industrialization of sugar production from lignocellulosic biomass. Is mechanism is still under investigation. It is important to fully understand the mechanism of cellulase adsorption on lignin and its effect on enzymatic hydrolysis for reducing cellulase loading, enhancing hydrolysis efficiency, and increasing enzyme recovery. In this project, different lignin samples will be isolated from wood and straw materials with and without pretreatment. The samples will be characterized by wet chemistry and spectral analyses. QCM bio-sensors with nano-film of pure lignins or lignocellulosic materials containing different lignin will be prepared and used to represent the behaviors of adsorption and desorption of cellulase, and their effects on enzymatic hydrolysis. The kinetic equation of adsorption and enzymatic hydrolysis will be founded. The efficiency of enzymatic saccharification of fiber materials with different lignin will also be compared. The result will interpret the mechanism of adsorption of cellulase on lignin, establish the structure-activity relationship of lignin structure to cellulase adsorption and enzymatic hydrolysis. The research will also provide a basis for selecting the optimum pretreatment of lignocellulosic biomass to reduce the non-productive adsorption of cellulase on lignin.

水解过程中木质素对纤维素酶的非生产性吸附导致酶用量和水解成本增加，是制约木质纤维原料糖平台技术产业化的瓶颈之一，但其作用机制尚不清楚。充分认识酶在木质素表面的吸附及其对酶水解的影响机制，对减少酶用量、促进水解效率、提高酶回收率，具有重要理论意义和应用价值。本项目拟从不同原料和预处理原料中分离得到不同结构的木质素样品，在测定其分子结构特性的基础上，制备纯木质素及含木质素纤维原料的QCM生物传感器，利用石英晶体微天平系统表征木质素对纤维素酶的吸附解吸行为，及其对酶水解的影响，建立动力学方程，同时比较含有不同结构木质素的纤维原料的酶水解糖转化效率。研究结果将提出木质素对纤维素酶吸附的作用机制，解译木质素分子结构与纤维素酶吸附及酶水解作用效果的"构效关系"，并为选择合适的预处理方式以减少木质素对纤维素酶的无效吸附提供依据。

木质纤维素生物质通过适当的生物、化学等途径可转化为用途广泛的生物质基产品。酶水解是木质纤维素加工利用的重要途径，但底物木质素对纤维素酶的非生产性吸附导致酶水解效率下降、成本增加，是制约木质纤维原料糖平台技术产业化的瓶颈之一。本项目从经预处理的木材、禾草等木质纤维原料中分离制备木质素并进行结构表征，探讨预处理条件下木质素结构的变化规律，以及木质素结构对纤维素酶吸附与解吸的影响，解译预处理对酶水解的促进作用，提出适宜的预处理对木质素结构进行调控，减少底物木质素对纤维素酶的非生产性吸附，提高酶水解效率。研究发现：（1）在绿液预处理过程中杨木木质素S/G比值随预处理用碱量增加而上升，β−O−4连接键部分断裂，缩合程度增加。（2）与茎秆比较，麦草叶子在弱碱预处理中具有更好的脱木质素选择性，在酶水解过程中具有更高的酶水解转化率；叶子木质素的缩合程度相对较高，更多的β-O-4在预处理中发生断裂。（3）溶于LiCl/DMSO体系的球磨的木质纤维素原料，无需组分分离或衍生化即可旋涂制备厚度均匀的木质纤维素全组分薄膜；QCM研究显示底物木质素对酶吸附和水解均有重要影响，酶水解过程可分为酶吸附、快速水解和慢速水解三个阶段。（4）经预处理纤维原料中木质素与纤维素酶的相互作用有一定程度的增强，采用适当的预处理方法调控底物木质素的结构，可减少底物木质素对纤维素酶的非生产性吸附，提高酶水解效率。（5）在水解体系中加入水溶性木质素可有效提高木质纤维素原料的酶水解转化率，“竞争性吸附”理论可能是重要的作用机制。项目成果较好地解译了底物木质素结构对酶吸附及酶水解影响的内在联系，并在此基础上提出了合适的木质纤维素生物质预处理途径，为减少木质素对纤维素酶的无效吸附，提高酶水解转化率，构建经济可靠的木质纤维素生物质酶水解转化体系提供了理论依据。