竹纤维低聚糖定向转化设计和调控机制研究

In view of the complexity of cellulase components and the uniqueness of bamboo fiber components, this project put forward a new linkage regulation research plan involve the cellulase, bamboo material and bamboo cellooligosaccharides for the increasing of transformation rate from bamboo to cellooligosacchrides..In this study, the key activity components of cellulase were separated and indentified, and the compound cellulases and the gene deficiency cellulases were built separately; The interactions between the chemical composition, specific surface area and broken state of materal and the cellase hydrolysis were analyzed, and the influence of pretreatments on th target products (cellobiose, cellotriose and cellotetraose) metabolic pathways were studied in order to illustrate the dynamic relationship and regulation mechanism between pretreatment operation paramters and bamboo cellooligosaccharides coversion; The influence laws of the substrate and products conventration on the cellulase activity were studied. With the appropriate design of reactor and reasonable way of response,the inhibitions of substrate and product were removed; The different bamboo cellooligosaccharides key metabolic control node were parsed, so as to realize the oriented trasformation from bamboo to cellooligosaccharides..These study will provide theoretical basis and technical suppprt for the oriented transformation from bamboo to cellooligosaccharides, can promote the development of new functional sugar industry, and will open a new way for the industrial utilization of bamboo resources.

针对纤维素酶系组成的复杂性及竹纤维材料组成的独特性，为实现竹纤维低聚糖高效定向转化，本项目提出对纤维素酶系、竹材原料及竹纤维低聚糖进行联动调控研究的新方法。. 本研究通过分离鉴定能提高纤维素酶协同酶解活性的关键组分，构建定向转化纤维低聚糖复配酶系和基因缺陷性酶系；分析预处理过程中物料化学组分，比表面积和破碎状态对纤维素酶解作用规律，及对产物（纤维二糖、纤维三糖及纤维四糖）代谢途径的影响，阐明预处理操作参数与竹纤维低聚糖转化率之间的动态关系和调控机制；研究酶解反应体系中底物及产物对酶活性的影响规律，通过设计合适的反应器及合理的反应方式，解除底物及产物抑制作用；解析不同竹纤维低聚糖关键代谢调控节点，从而实现竹纤维低聚糖的定向转化。. 本研究将为竹纤维低聚糖的定向转化提供理论基础及技术支持，可以推动新型功能性糖产业发展，为竹材资源工业化利用开辟新的途径。

项目针对纤维素酶系组成的复杂性导致的对纤维低聚糖转化的非定向性和竹材原料组成的独特性及现有预处理技术的非定向性研究了对纤维酶系、竹材原料及竹纤维低聚糖进行联动调控研究的新方法。从纤维素酶系定向调控、竹材原料定向预处理调控及竹材纤维低聚糖的定向转化三个方面进行系统研究，为竹纤维低聚糖的定向转化提供了技术支持。.在纤维素酶系的定向遗传改良方面，经过多次低能离子注入诱变选育到三株高产内切型纤维素酶的突变菌株150-1、 150-2和 250-6，其中150-1 CMCase维持在3.3IU/mL以上，较对照增加了24.2%以上，并优化了高产菌株固体发酵产酶的条件，纤维素酶滤纸酶活达到423.6 U/g。.在竹材原料预处理方面，项目研究了不同预处理方法对毛竹化学组成和结构的影响，确定适合毛竹定向转化为纤维低聚糖的预处理方法。研究结果表明酸碱联合蒸汽爆破预处理技术能够去除更多的木质素和半纤维素，但是同时也会溶解较多的纤维素，所得物料适宜纤维素酶的酶解，可获得将近83.3%的理论糖释放量；水热耦合高沸醇（LHW-BDO）预处理技术实现了毛竹原料的纤维素、半纤维素和木质素分子的高收率三相分离，但所得到的物料结构不适合纤维素酶的酶解；盘磨预处理有助于降低物料的结晶度，使毛竹纤维出现了明显的分丝帚化现象，可以提高物料的生物转化效率；进一步采用生物（哈茨木霉）预处理促使无物料中纤维素和半纤维素含量的降低，同时微生物的生长导致了竹纤维表面结构的无序化，导致非晶结构的减少和晶状结构的增加；相比之下微波辅助水热（MA-LHW）预处理技术进一步提高了竹材中半纤维素、木质素等非晶部分的去除率，保留了更多的纤维素组分，适合用于制备纤维低聚糖。.在竹纤维低聚糖的制备研究方面，建立了“内切纤维素酶高产菌株—微波辅助水热预处理—竹纤维低聚糖”联动调控体系，并优化了关键调控参数，在最优条件下竹纤维酶解产物主要为纤维二糖（6.36 g/L）、纤维三糖（2.72g/L）和少量纤维四糖（0.88 g/L），纤维低聚糖的得率为60.16%。