木质素结构对木质纤维高聚糖酶解的影响与作用机制

利用生物技术将木质纤维原料转化为燃料乙醇是清洁能源的研究热点之一。国内外研究表明，合适的预处理可显著提高原料酶解为单糖的转化率，不同原料木质素结构特性对纤维原料的酶解糖化具有显著影响。本项目以我国丰富的农业秸秆为原料，围绕预处理对纤维原料木质素结构的影响及其对高聚糖酶解转化效率的作用机制两个关键科学问题，重点探讨绿液预处理对原料木质素结构的影响，并与酸水解、亚硫酸盐等预处理方式进行比较，通过官能团分析、化学降解和二维核磁共振波谱等手段研究预处理前后农业秸秆木质素结构单元比例（G/S/H）、缩合程度、主要连接键型、亲水性能等结构特性的变化，并结合预处理原料高聚糖酶解影响因素、酶解动力学与反应历程的研究，解译预处理对纤维原料木质素结构的影响及其对高聚糖酶解的应答机制，并提出适合于禾草纤维原料的预处理方式与酶解工艺，为提高纤维原料生产燃料乙醇的转化效率提供理论依据。

利用生物技术将木质纤维原料转化为燃料乙醇是清洁能源的研究热点之一，经济高效的预处理是阻碍木质纤维原料生物转化的技术瓶颈之一。国内外研究表明，合适的预处理可显著提高原料酶水解单糖的转化率，同时原料木质素的结构特性对纤维原料的酶水解糖化具有显著影响。本项目以我国丰富的农业秸秆为原料，围绕预处理对纤维原料木质素结构的影响及其对高聚糖酶解转化效率的作用机制两个关键科学问题，探讨不同预处理技术对原料木质素结构以及酶水解效率的影响，并提出了基于溶剂溶解体系的木质素高效分离方法。本研究得到的重要结果包括：农业秸秆原料经绿液、亚硫酸盐等预处理均可有效脱除其中的木质素，提高酶水解总糖的得率，木质素的脱除率以30～60%为宜；球磨后的木（草）粉经溶剂（LiCl/DMSO和NaOH/H2O）溶解处理后可有效提高木质素的分离效率，获得纯度和得率均高于传统磨木木质素（MWL）和纤维素酶解木质素（CEL）的木质素制备物，使分离木质素具有更好的代表性；化学降解（碱性硝基苯氧化和臭氧降解）和二维核磁共振分析表明禾草纤维原料茎秆和叶鞘的木质素结构存在显著的差异，在预处理过程中其溶出行为也不相同，碱性预处理过程中木质素紫丁香基结构（S）的β-芳基醚键更容易断裂，但赤型和苏型β-芳基醚键的断裂程度没有显著差异；模型物研究表明，酚型及非酚型β-芳基醚键在绿液处理中都可以发生断裂，HS-加速了非酚型β-O-4键的断裂，传统的邻基参与反应理论不能用于解释其历程；在酶水解底物中加入亲水性的木质素可以有效提高经酸性或碱性预处理的木质纤维原料的酶水解效率，但添加疏水性木质素则无显著影响；底物对纤维素酶的吸附作用与木质纤维原料的预处理方法有关，木质素是其中重要的因素。上述结论解译了预处理对纤维原料木质素结构的影响及其对高聚糖酶解的应答机制，表明通过预处理调控底物木质素的结构，可提高木质纤维原料的酶水解总糖得率，为提高木质纤维原料生产燃料乙醇的转化效率提供了充分的理论依据。