白腐菌转化杨木制备纤维板的生物胶黏作用机制

Biological production of fiberboard without adhesive is one of research hotspots in the fiberboard research field, and the biological adhesive mechanism is the key foundation to promote the industrial development of the fiberboard. Previous research found that Fiber crosslinking could be realized in the process of transformation of white rot fungi, but there is known little about whether the mycelium and its metabolism and degradation products can play an important role in it. Focusing on the mycelium biological adhesive, this project uses the poplar wood shaving and Coriolus versicolor to conduct the following researches by modern analytical technologies, such as atomic force microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and electron spin resonance: 1) to compare the longitudinal growth, lateral growth and physicochemical structure of fiberboard in order to clear the adhesive mechanism of mycelium longitudinal "suture", lateral adsorption and hot pressing reaction; 2) to analyse the lignocellulosic degrading enzymes of mycelium by trace-enzyme reaction method, and to compare the physical and chemical structures and free radicals of poplar wood shaving pretreated by the enzymes to open out the adhesive mechanism of enzymatic reaction; 3) to measure the polysaccharide and hydrophobin of mycelium and the biodegradation products of poplar wood, to research the difference of chemical group and surface chemistry produced in hot press to clarify the adhesive mechanism of metabolic products and degradation products. Through the above research, the biological adhesive mechanism by transformation with white rot fungi can be obtained. This study results should be the supplement and perfection of adhesive mechanism of fiberboard, and have an important theoretical significance for breaking through the bottleneck of white rot fungi transformation technology and finding some new green adhesives.

纤维板生物制备是目前纤维板领域研究热点，生物胶黏机制是推动其实业发展的关键基础。申请者研究发现，白腐菌在原料转化过程中可实现纤维交联，但对白腐菌丝及其代谢、降解产物是否在其中起重要作用知之甚少。本项目拟以杨木刨花为原料，白腐菌杂色云芝为菌株，就菌丝体生物胶黏这一关键科学问题，利用原子力显微镜、X射线光电子能谱、电子自旋共振波谱等技术，开展如下研究：1）比较菌丝体横纵向生长及热压前后纤维板理化结构，明晰菌丝体纵向“缝合”、横向吸附及热压反应等胶结机制；2）分析菌丝体木质纤维降解酶规律，比较酶处理杨木理化结构、自由基等变化，揭示酶促反应胶结机制；3）测定菌丝体多糖、疏水蛋白及杨木降解产物，研究其在热压中产生的化学基团、表面化学等差异，解析代谢、降解产物的胶结反应机制。以此阐明纤维板生物胶黏作用机制。本研究可补充与完善纤维板胶结机制，对突破白腐菌转化技术瓶颈、发现新型绿色胶黏剂具有重要理论意义。

因含醛胶黏剂的使用，导致纤维板生产及使用过程中严重危害人体健康。项目组前期通过白腐菌改性杨木刨花成功制备出“无醛”纤维板，但尚不清楚生物改性产生胶黏的作用机制。因此，本项目围绕菌丝体、木质纤维素降解酶及转化（代谢）产物等方面开展系统研究，揭示生物胶黏作用机制。通过横向生长与爬坡实验，发现菌丝体在杨木刨花中的生长分布与纤维板强度存在正相关性，进一步测定菌丝体力学强度，发现菌丝体存在较高的韧性，并证实宏观菌丝体对纤维板强度具有提高作用；测定菌丝体木质纤维素降解酶时空分泌规律，发现漆酶和锰过氧化物酶呈现典型的活性分布规律，且与纤维板强度存在正相关性。进而测定转化体系中木质纤维素降解酶分泌规律，发现漆酶和锰过氧化物酶活动态规律及其酶改性处理与纤维板的强度之间存在正相关性，也发现酶改性后杨木刨花存在结构破坏及苯环断裂特征，失活酶也能对纤维板强度产生促进作用。同时也发现杂色云芝在转化杨木刨花过程中产生了一定的多糖和疏水蛋白，证实多糖可以赋予杨木刨花更多的羟基活性基团，为纤维板的胶黏提供更多的胶黏因子；而疏水蛋白可以使纤维板的表面更为光滑，使纤维板具有更好的抗水性。最后，解析了转过过程中杨木刨花木质纤维素组分变化规律及其降解产物，发现半纤维素的去除和木质素结构的部分破坏有利于纤维板的胶黏，小分子糖类的产生赋予了杨木刨花更多的羟基。因此，阐明了杂色云芝转化杨木实现“无胶胶黏”的作用机制：杂色云芝通过横向和纵向生长产生了较多的菌丝体、分泌了高活性的漆酶和锰过氧化物酶、合成了一定的多糖和疏水蛋白、降解产生了一定的小分子糖类，其中产生的蛋白和菌丝体本身对纤维板强度和性能具有一定促进作用，酶解后产生了易于纤维板胶黏的结构，多糖和小分子糖类赋予了杨木刨花更多的活性羟基基团等。基于该机制，可从中形成一套杂色云芝转化杨木刨花制备“无胶”纤维板工艺，并有望从中开发新型的生物胶黏剂。