木质素两亲聚合物对木质纤维素高固酶解的强化作用与机理

Enzymatic saccharification of lignocelluloses into fermentable sugars is the key technology of biomass biorefinery. Enhancing technology of high solids enzymatic saccharification is a key way to improve enzymatic saccharification efficiency and reduce enzymatic saccharification cost. Lignin-based amphiphilic polymer(LBAP) from enzymatic saccharification lignin residue was firstly used to enhance high solids enzymatic saccharification of lignocelluloses, which not only improved enzymatic saccharification efficiency and reduced enzyme loading, but also increased solid content of substrate slurry and sugar concentration in enzymatic hydrolysate. In this project, two kinds of LBAPs with different molecular structure will be synthetized with lignin residue. And then, their enzymatic saccharification enhancement of lignocelluloses will be investigated. Effects of LBAPs on cellulase adsorption on pure cellulose and lignin will be studied to develop the enhancing mechanism of LBAPs on enzymatic saccharification of lignocelluloses. Relationship between molecular structure of LBAPs and their enhancement on enzymatic saccharification will be established, which will help to develop a new approach to enhance high solid enzymatic saccharification of cellulose and lignocelluloses by adding LBAP. The results of the project will not only establish the theoretical foundation for enhancement of macromolecular surfactants on enzymatic saccharification of lignocelluloses, but also provide a new efficient utilization technology of enzymatic saccharification lignin residue as a resource.

木质纤维素通过酶解转变成可发酵糖是实现其生物炼制的重要方法，高固酶解强化技术是提高可发酵糖浓度和酶解效率以及降低酶解成本的重要措施。以酶解木质素残渣为原料合成木质素两亲聚合物用于强化木质纤维素的高固酶解，既可以提高酶解效率、降低酶用量；还可以提高酶解固含量和酶解液的糖浓度。 本项目通过合成不同类型和结构的木质素两亲聚合物，研究其对木质纤维素底物酶解效率的强化作用；探索木质素两亲聚合物对纤维素酶在纯纤维素和木质素上吸附的影响规律以及对底物浆体流变性的作用，阐明木质素两亲聚合物对木质纤维素的酶解强化机理；构建木质素两亲聚合物分子结构与酶解强化作用的构效关系，建立一种木质素两亲聚合物强化木质纤维素和纯纤维素高固酶解的新方法。研究成果不仅可为高分子表面活性剂强化木质纤维素高固酶解奠定理论基础，还可为酶解木质素残渣的资源化高效利用提供新思路。

推广车用乙醇汽油、大力发展纤维素燃料乙醇是国家战略性举措，我国力争2025年实现纤维素乙醇规模化生产。降低木质纤维素酶解成本和实现酶解残渣资源化高效利用是降低纤维素乙醇成本的重要途径。.本项目研究了不同类型和结构的木质素两亲聚合物对木质纤维素酶解效率的影响规律，揭示了木质素两亲聚合物对纤维素酶在纤维素和木质素上吸附的影响规律，建立了木质素两亲聚合物分子结构与酶解强化作用的构效关系，阐明了其强化木质纤维素酶解的机理，建立了利用木质素两亲聚合物强化木质纤维素酶解和提高酶解液糖浓度的新方法。重要研究结果包括：.（1）采用一种新颖而又简单的方法合成了木质素聚氧乙烯醚非离子两亲聚合物（EHL-PEG）。1g/L EHL-PEG可使玉米秸秆的72h酶解效率从16.7%提高到70.1%，而添加小分子非离子表面活性剂PEG4600时仅为52.3%。EHL-PEG通过分散纤维素酶聚集体，形成粒径为420nm的Cellulase-EHL-PEG聚集体，显著减少酶在木质素上的无效吸附，提高木质纤维素的酶解效率。.（2）合成了木质素磺酸季铵盐两性表面活性剂SLQA-100。pH=4.8时，2 g/LSLQA-100可使DA桉木底物的酶解效率从37.5%增加到84.3%。木质素磺酸盐季胺化后减少了分子间的静电斥力，增加了其在木质素上的吸附量，增强了木质素表面的亲水性，减少了木质素对纤维素酶的无效吸附，达到强化木质纤维素酶解的目的。.（3）发现木质素磺酸钠对纯纤维素的酶解的影响与其分子量和酶解pH有关。低分子量木质素磺酸钠有效强化纤维素的酶解；高分子量木质素磺酸钠却起抑制作用，而且还会降低浆体的流变性。加入正辛醇能够明显改善高固浆体的流变性，并且可进一步促进酶解。.（4）建立了阳离子表面活性剂与阴离子两亲聚合物复合形成阴阳离子表面活性剂的方法，用于预处理液的利用。SXSL与CTAB复配形成SXSL-CTAB，可使SPORL松木和DA桉木的酶解效率从27.1%和37.6%分别提高到71.0%和67.9%。.本项目共发表期刊论文25篇，其中18篇被SCI收录（一区10篇，二区7篇），2篇被EI收录；申请中国发明专利10件，PCT专利1件，培养人才14名，超额完成任务。