不同预处理来源木质素影响内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶协同水解机理研究

Conversion biomass into fermentable sugar is the key step of biofules and bioehcmicals production. Enzymatic hydrolysis efficiency is an important factor for commercialize biofuels. Cellulase is a mixture comprising exo-cellobiohydrolases (CBH), endoglucanases (EG) and β-glucosidases (BG). The adsorption of individual enzyme component onto lignin will influence the synergetic hydrolysis of enzyme and reduce the recovery cellulase activity. Therefore ,the enzymatic hydrolysis is decreased and the cellulase recovery was difficult. The molecular structure and catalytic domain of each enzyme component is different, the adsorption interaction of CBH,EG and BG with lignin is distinct. So far, the adsorption kinetics of enzyme component onto lignin is incompletely understood. Hence, the objective of this project is to study the dsorption kinetics of enzyme component onto lignins obtaining from different pretreatment process. Modification the lignin to reserach on the lignin binding cellulase desorption. The results of this project are not only help to explain the hindrance of lignin to enzymatic hydrolysis, and also build a new perspective to development cellulase adsorbent based on lignin.

天然生物质原料经过纤维素酶水解转化为可发酵糖是生产燃料乙醇和生物化学品的关键步骤。纤维素酶的低水解效率是制约生物乙醇商业化的主要因素。纤维素酶主要是由内切葡聚糖酶（EG）、外切葡聚糖酶（CBH）和β-葡萄糖苷酶（BG）协同构成的复合酶体系。酶组分被木质素吸附会导致酶协同水解下降，使自由纤维素酶活性降低，是影响纤维素酶水解效率和回收再利用的根本原因。各酶组分分子结构和活性位置不同，木质素对各酶组分的吸附影响差异。目前关于木质素吸附不同酶组分影响酶协同作用的研究尚鲜有报道。本项目将通过分离内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶，研究不同预处理来源的木质素与不同酶组分的吸附反应动力学，进一步解释木质素影响酶协同水解抑制或促进酶解效率机理。通过改性预处理分离木质素合成木质素酚，探讨木质素吸附纤维素酶解吸特性，为研究纤维素酶回收开发木质素基酶吸附剂奠定基础。

木质纤维素生物质的酶水解环节是控制生物乙醇生产成本的关键技术环节。但原料中的木质素对纤维素酶的无效吸附会降低酶的活性，严重影响酶水解效率。用于酶水解的纤维素酶通常是一个复合酶体系，因此本项目主要以碱法和增溶预处理桉木得到的两种不同木质素为原料，详细研究对比两种木质素对不同酶蛋白的吸附和脱附影响差异，以及木质素吸附对不同酶蛋白活性的抑制影响，木质素物理化学性质与酶吸附的影响关系，研究结果能够为解释木质素吸附纤维素酶降低酶解效率影响机理提供理论依据。.木质纤维素酶水解一般是由纤维素酶、木聚糖酶、β-葡萄糖苷酶协同作用完成。研究结果发现木质素对木聚糖酶吸附影响最大，其次是纤维素酶和 β-葡萄糖苷酶，吸附后三种酶的酶活均有明显下降。木质素对纤维素酶两种酶组分内外切葡聚糖酶吸附影响显著，对外切酶（CBH）的吸附影响显著高于内切酶（EG），木质素吸附后CBH酶活下降更严重。木质素对不同酶组分的吸附差异，严重影响水解过程中酶的协同作用。木质素对纤维素酶的吸附主要为疏水作用占主导，而与木聚糖酶和β-葡萄糖苷酶的吸附影响与静电作用力和疏水作用都有关。反映出木质素与酶吸附机理非常复杂。木质素对纤维素酶的吸附与木质素的化学结构如酚羟基、羧酸基等官能团密切相关。酚羟基含量与木质素对酶的吸附能力成正比。由于酚化木质素含有更多的酚羟基和游离反应位点, 采取酚化改性来提高木质素的反应活性，探讨酚羟基对木质素吸附酶的影响。.采用间苯二酚和连苯三酚对木质素进行酚化改性，增加酚羟基含量，有利于纤维素酶的吸附应用。酚化改性后，木质素间苯二酚和木质素连苯三酚的最大吸附纤维素酶量分别为842mg/g和911mg/g。与原始酶活相比，木质素间苯二酚和木质素连苯三酚吸附的纤维素酶的酶活保留率分别为57%和38%。改变pH值会显著改变酶的表面电荷，使木质素与纤维素酶的吸附亲和力发生变化。调节pH至10，吸附的纤维素酶极易从木质素酚分离，改性后的木质素酚可用做酶固定化和酶吸附剂。