纤维素酶吸附及水解对木质素结构S/G值的动力学响应

The structure and characteristics of lignin has been considered as important factors on the bio-conversion of lignocellulosic biomasses. structural units in lignin varies according to the species of lignocellulosic materials. However, restricted by the analytical methods, it is still unclear that how the structural units of lignin affect the substrate enzymatic digestibility. Recently developed analytical technology of quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D) provides a powerful tool for the in-situ and real-time analysis of the protein adsorption onto lignin and the substrate enzymatic saccharification. In this work, lignin preparations with different structural units are isolated from softwood,.hardwood and straw materials. The QCM bio-sensors of lignin and reconstructed lignin-cellulose complex are fabricated using these lignins preparation by spin coating. The QCM-D will be used to analyze the adsorption-desorption of cellulase onto lignin preparations, and the enzymatic saccharification of reconstructed lignin-cellulose complex substrates. The effect of “single factor” of lignin structural units on the processes of cellulase adsorption and substrate enzymatic hydrolysis, as well as the structure-activity relationship between lignin structure and cellulase adsorption and enzymatic hydrolysis will be revealed. The results are of great importance for reducing the non-productive adsorption of cellulase and lowering the cost of bio-conversion through structural control and adjustment of lignin in substrate.

木质素结构和性质是影响木质纤维原料生物转化的重要因素。木质素大分子中紫丁香基与愈创木基的比值根据纤维原料的不同而有所差异，对木质素的结构与性质具有决定性的影响。木质素结构单元构成如何影响底物的酶水解，受研究手段限制目前尚无定论。最近发展起来的耗散型石英晶体微分析天平（QCM-D）分析技术为实时、在线研究木质素对酶蛋白的吸附行为及底物酶水解提供了强大的工具。本研究拟从针叶木和阔叶木中分离G木质素及不同G/S比值的木质素样品，用旋涂法制备木质素及“组装”木质素-纤维素复合物的QCM生物传感器。利用QCM技术可排除其他因素的影响，研究木质素结构单一因素对纤维素酶的吸附与解吸行为及其对底物 酶水解的影响。研究结果将提出木质素对纤维素酶吸附的作用机制，解译木质素分子结构与纤维素酶吸附及酶水解作用效果的“构-效”关系，为通过木质素结构调控减少纤维素酶的无效吸附、降低生物转化成本提供理论依据。

在木质素对酶水解或酶吸附的研究中，由于木质素结构不同的底物，其生物构造、化学组分的构成等也各不相同，传统的研究方法通常只能间接推测木质素对酶的吸附及对底物酶水解的影响，而石英晶体微分析天平（QCM）分析技术可实时、在线监测木质素对酶蛋白的吸附行为及底物酶水解。本研究选取马尾松、杨木、竹材等不同原料，采用基于LiCl/DMSO溶剂溶解-再生的木质素分离方法分离制备出具有不同结构单元比例的木质素，借助石英晶体微分析天平技术研究不同原料的分离木质素在纤维素酶水解中酶吸附动态行为，研究木质素单一因素在纤维素酶水解中的影响。主要研究内容有：1）通过LiCl/DMSO溶剂体系处理后分离的木质素得率和纯度要高于传统方法分离制备的木质素，阔叶材分离木质素为GS型；从竹材等非木材原料中分离出的木质素为GSH型木质素。竹材木质素得率最高，达到50%以上。2）将木质素样品、木质纤维原料、木质素复合物，采用LiCl/DMSO溶剂体系直接溶解，分别旋涂、制备成生物传感器。制膜工艺为旋涂速度5000r/min，旋涂2次，每次1min，干燥后浸泡在超纯水中除去有机溶剂。对木质纤维原料传感器进行表征，制备的木质素膜的表面粗糙程度要小于纤维素膜表面，不同结构单元的木质素膜表面平整度差别不大。3）以马尾松、杨木、竹材木质素为原料，利用QCM原位、实时监控木质素膜和木质纤维复合膜的酶吸附反应，3种木质素因为结构的差异所带来的酶吸附量和酶吸附速率也不一样。针叶材中木质素吸附速率最慢且吸附量最低，有着多重结构单元的竹材木质素吸附量最大、且吸附速率最快。4）以杨木、相思木、桉木木质素为原料，其木质素结构单元S/V比例为1.1、1.5、2.1，复合酶在木质素膜的吸附量从大到小依次是桉木、相思木、杨木木质素。经QCM分析，酶对不同含量结构单元的木质素会有一定程度的吸附，木质素中愈创木基结构单元含量越高，吸附量越少，吸附速率也越慢。5）以芦草、稻草、麦草木质素为原料，其木质素结构单元H/V/S比例为25/39/37、22/41/37、7/50/41，QCM研究结果表明，麦草木质素在纤维素酶水解过程中吸附能力最强。同为HVS型木质素，纤维素酶对底物的吸附量增加，吸附速率为下降，表明在纤维素酶水解过程中木质素在吸附酶的同时，对纤维素酶的可及性带来了一定的空间阻碍。