具酶解增效作用的木质素多元功能因子体系构建及其机制解析

Enzymatic hydrolysis is a technical bottleneck for bioethanol. Enzymatic hydrolysis at high substrate concentration can increase the sugar concentration and ethanol yield, and reduce the production cost of bioethanol. However, there is a key technical problem in the process that the high concentration of lignin could result in the non-productive adsorption of enzyme cellulase on lignin. This project takes a variety of pretreated lignin as the research objects, and analyzes the physical-chemical structure of lignin and surface chemical properties. And by shielding, altering or modifying the sites between the lignin molecules and cellulase protein, lignin functional factors for improving hydrolysis efficiency were selected, and the strengthening mechanism of the synergistic factor were clarified. In addition, they made enzyme protein on cellulose substrate redistributed. On this basis, how to regulate directionally lignin synergistic factor in the enzymatic hydrolysis were explored, in order to design the efficient pretreatment process of lignocelluloses. Finally, the projects will construct the efficient lignocellulose pretreatment and enzymatic hydrolysis at high sbustrate concentration, and provide the theoretical basis for the application of bioethanol from lignocellulosic biomass.

纤维素酶水解是木质纤维制备燃料乙醇的技术瓶颈。木质纤维高固酶水解可提高体系中糖浓度和乙醇得率，进而降低纤维素乙醇的生产成本，但存在高浓度木质素对纤维素酶的非生产性吸附严重这一关键技术难点，限制了高固酶水解工艺和模式的推广应用。本项目以多种预处理方式下的木质素为研究对象，研究其对木质纤维高固酶解效率的影响，全面解析木质素分子的物理化学性质和表面化学特性差异，揭示木质素分子结构、疏/亲水性能、电负性等功能因子与酶解效率之间的相关性，构建具有木质纤维酶解增效作用的木质素多元功能因子体系，实现纤维素酶在纤维素底物上的高效分布，阐明多元化功能因子体系对木质纤维高固酶解的强化机制。在此基础之上，探索定向调控利于木质素多元化功能因子构建的技术途径，优化木质纤维预处理工艺和模式，以期实现木质纤维素高效预处理及高固酶解的集成技术的建立，为木质纤维素生物炼制燃料乙醇的研发提供思路借鉴和理论依据。

针对木质纤维素酶水解过程中木质素对纤维素酶的非生产性吸附严重的问题，本项目将羧甲基、磺甲基和氧化基团引入木质素模型物(AL)中，制备了磺甲基化木质素(SL)、氧化木质素(OL)和羧甲基化木质素(CL)，以期减弱木质素与纤维素酶蛋白间的亲和力和吸附性能，提高纤维素酶解效率。碱木质素经过改性后，酚羟基含量减少了17-80%，疏水性降低了61-70%，电负性提高了21-45%。微晶纤维素-碱木质素(Avicel-AL)水解体系72 h的葡萄糖得率为44.5%，而Avicel-SL、Avicel-CL和Avicel-OL水解体系72 h的葡萄糖得率分别为48.5%、51.3%和49.4%，改性木质素-微晶纤维素水解体系的葡萄糖得率提高了8-15.3%。改性木质素对纤维素酶的吸附能力降低，磺甲基、羧甲基等为木质素分子结构中的酶解增效因子。.以磺甲基化、氧化、羧甲基化改性作为甘蔗渣(SCB)碱预处理的后处理方法。碱-磺甲基化、氧化、羧甲基化联合处理分别脱除了75.19%，68.28%和70.52%的木质素，比单独碱处理高出30-43%的木质素脱除率。三种后处理使碱处理SCB(AP-SCB)的亲水性和酶可及度提高了47-60%和49-55%。磺甲基后处理使AP-SCB的72 h葡萄糖得率提高60.43%，上清液酶蛋白含量增加了1.20倍；羧甲基后处理使AP-SCB的葡萄糖得率提高72.68%，酶浓度增加了0.96倍；而氧化后处理对AP-SCB的葡萄糖得率影响不大。SCB经过联合处理之后，残余木质素的O/C比下降，磺甲基、羧甲基后处理使残余木质素的β-O-4键断裂，S单元所占比例下降；磺甲基后处理在残余木质素表面引入了磺酸基团，C-O键含量增加，使其亲水性和电负性分别提高了32.87%和59.28%；羧甲基后处理在残余木质素上引入了脂肪族羰基，C-O键和O-C=O键含量增加，使其亲水性和电负性分别提高了29.31%和9.17%，故导致其对纤维素酶的吸附能力下降，从而提高联合处理物料的酶水解效率。.本项目理论成果以论文形式在国内外期刊上发表了16篇学术论文，其中12篇被SCI收录(JCR 1区10篇；JCR 2 区论文1篇)，申请并授权实用新型专利2项。培养研究生6名，职称晋升3人，杨静入选云南省中青年学术和技术带头人后备人才。.