乙酸分级预处理木质纤维素的机理及其纤维素固体的酶解性能

在木质纤维素酶催化水解生产可发酵糖的过程中，原料预处理以提高纤维素酶解性能是一个很关键的步骤。从综合利用木质纤维素各组分的观点来看，采用有机溶剂对原料进行分级预处理不仅可以获得易于酶解的纤维素固体，还可以得到高纯度木素等产品。本项目拟采用乙酸水溶液在添加一定量硫酸为催化剂的情况下对木质纤维素进行分级预处理，结合溶液的溶度参数和溶解了的木素对脱木素过程的抑制作用，建立更符合实际情况的乙酸脱木素和木聚糖降解动力学模型，并根据动力学模型、乙酸预处理木素模型化合物及木素产品的化学与物理结构分析研究乙酸脱木素机理。进一步对所得纤维素固体进行化学结构分析和纤维素酶解性能测试，研究乙酸预处理过程中原料化学组成和物理结构的变化及其对纤维素酶解性能的影响，以揭示乙酸预处理提高纤维素酶解性能的机制及乙酰基存在对酶解过程抑制的作用方式，为进一步开发低成本的木质纤维素清洁分级预处理工艺提供理论指导。

木质纤维素是自然界中最丰富的有机物质，也是最具有超大规模化应用可能性的天然生物质资源。木质纤维素的有机酸分级预处理不仅可以有效提高纤维素的可及度，而且可以实现原料的清洁组分分离，进而生产能源、材料和化学品等多种产品。本项目围绕乙酸分级预处理过程中的动力学特性和预处理对纤维素酶解性能提高的机理等基础问题展开研究，获得了如下研究结果：.（1）建立了基于植物细胞壁层状结构特性和反应强度因子的“可反应度”拟均相动力学模型，认为预处理过程中木素的脱除速率和聚糖的溶解速率仅与该反应强度下具有反应活性的部分为拟均相一级反应关系，因而在乙酸脱木素动力学模型中引入了“可脱除率”参数，在聚糖溶解动力学模型中引入了“可溶解度”参数，使得模型预测值与实验值很准确地吻合；进一步研究发现，该模型可作为通用模型，描述不同原料、不同预处理过程的动力学行为；.（2）对木素模型化合物（甘蔗渣磨木素）经乙酸预处理后的化学结构进行分析，结合脱木素动力学研究结果，发现木素大分子的碎解是由于木素结构单元间的醚键连接（α-芳基醚和β-芳基醚键）经酸催化断裂导致的，而乙酸溶液的溶解度参数δ1随乙酸浓度增加而与木素溶解度参数δ2接近，因而对木素片段具有更高的溶解度；.（3）系统分析了预处理后纤维素固体的酶解性能，对于酶解和同步糖化发酵参数进行了优化，获得了显著高于传统预处理的可发酵糖浓度和乙醇浓度；.（4）对预处理前后基质的化学组成和物理结构进行了多尺度分析，发现预处理过程中脱除半纤维素和木素有效提高了纤维素的可及度，而脱木素对纤维素酶解性能提高的贡献大于脱半纤维素，且木素的乙酰化可一定程度上降低其对纤维素酶的无效吸附；.（5）对预处理过程中纤维素的乙酰化进行了分析，发现纤维素乙酰化会显著降低纤维素的酶解，这主要是由于纤维素羟基被乙酰基取代后降低了纤维素酶在底物上的有效吸附，而高乙酰基含量时，基质疏水性增强，由疏水相互作用介导的纤维素酶无效吸附亦可能是乙酰基限制纤维素酶解的一个重要原因。. 本项目研究工作可为基于有机酸预处理的木质纤维素清洁组分分离和进一步开发利用研究提出基础，特别为预处理过程的控制与优化提供模型化分析工具，以及木质纤维素结构特性对纤维素酶解性能影响的研究提供借鉴。