基于多尺度分析的木质纤维素抗生物降解特性机制解析

Biomass recalcitrance of lignocellulosic biomass is a key bottleneck in the bioconversion of lignocellulose to produce bio-fuels and chemicals. Therefore mechanism interpretation on the effects of the hierarchy structure of lignocellulose on cellulose accessibility is of great importance for fundamental study and practical application in lignocellulose bioconversion. The objective of this proposal is to interpret the mechanisms on the physical construction of biomass recalcitrance by the presence of hemicellulose and lignin at micro-, meso- and micro-scale levels through multi-scale analysis methods, with consideration of the interactive effects of lignin and hemicellulose. The mechanisms on the effects of hemicelluloses and lignin on enzymatic hydrolysis of cellulose will be further investigated by considering the cellulase adsorption behavior on substrates, the synergism of cellulase components and the inhibitory effects of hemicellulose and lignin degradation products on cellulose hydrolysis. The finding of this project may provide fundamental supports to developing highly-efficient biomass pretreatment process as well as intensifying the enzymatic hydrolysis process.

木质纤维素高效生物转化生产生物燃料和化学品的一个关键瓶颈是其具有天然的抗生物降解特性。因此，解析木质纤维素多层次结构特性对纤维素可及度影响的微观机制对于强化木质纤维素的生物转化过程具有重要理论和实际应用意义。本项目拟通过温和条件下选择性水解半纤维素和氧化脱除木质素，结合考虑半纤维素和木质素的之间的交互作用，采用多尺度表征分析方法对半纤维素和木质素的存在从空间结构上构筑纤维素抗降解物理屏障的机制进行解析，获得微观、介观和宏观尺度上的共性规律，阐明细胞壁多层次结构在分子水平和纳、微尺度上对纤维素可及度的影响特性。进一步结合纤维素酶分子吸附和酶组分间的协同作用，分析半纤维素和木质素可能的降解产物对纤维素酶催化纤维素表观水解特性的影响，从纤维素的酶解过程解析半纤维素和木质素对纤维素生物转化的影响机制。本项目的研究结果可为开发高效的木质纤维素预处理过程和强化纤维素酶催化水解过程提供基础理论支持。

木质纤维素复杂的多层次结构制约了纤维素生物转化效率，半纤维素、木质素是影响纤维素酶解的最主要因素。解析半纤维素、木质素对底物中纤维素可及度及酶解过程的影响规律对开发木质纤维素高效预处理方法以及提出酶解过程强化策略具有重要指导意义。本研究采用温和条件下选择性脱除半纤维素和木质素的方法，并在考虑半纤维素和木质素可能存在交互作用关系的基础上，制备出具有不同半纤维素含量和木质素含量的样品，进而系统研究半纤维素、木质素脱除对纤维素可及度和酶解效率的影响的基本规律。.首先是半纤维素和木质素脱除对木质纤维素酶解性能的影响，发现半纤维素对木质纤维素酶解的抑制与木质素含量有关。而无论是否脱除半纤维素，木质素均显著抑制木质纤维素酶解。.其次多尺度、多角度地分析半纤维素与木质素脱除对木质纤维素结构特性的影响。结果表明半纤维素的脱除可以提高底物多孔性，颗粒尺寸减小，在一定程度上提高纤维素的可及性；而木质素脱除使细胞壁发生显著蚀刻、溶解、层离，纤维素进而显著暴露，比半纤维素脱除更有利于纤维素酶解。.进一步将木聚糖、木质素添加到滤纸酶解体系中，以研究木聚糖和木质素对纯纤维素的酶解的影响。结果表明，木聚糖和不同的分离木质素对纤维素酶解均有抑制。木聚糖会吸附在纤维素上，阻碍纤维素酶的吸附。木聚糖的中间降解产物木寡糖在不容易被降解为木糖的酶解条件下对酶解无显著抑制作用，而最终水解产物木糖对纤维素酶解有强烈的抑制作用。木质素对纤维素酶有非特异性无效吸附，主要吸附外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶，对β-葡萄糖苷酶的吸附尤为严重，进而影响了纤维素酶组分间的协同作用。木质素酚羟基是介导木质素对纤维素酶解的显著抑制作用的主要官能团。酚羟基与纤维素酶各酶组分间的主要作用为氢键作用，而酚羟基与β-葡萄糖苷酶之间还存在静电吸引作用。.本研究的结果对于进一步优化和强化木质纤维素的预处理过程，提高生物转化效率具有一定的基础指导意义。