高温液态水-纤维素酶水解生物质构建高效糖平台的机理研究

将生物质中的糖基高分子聚合物-半纤维素和纤维素通过水解获得低聚糖和单糖等糖类产物，构建糖平台，是生产纤维素乙醇、丁醇、生物汽油、糠醛等能源化工产品，进而实现生物炼制的必备基础。本项目基于基金50776093的研究成果，借助自行搭建的2套水解试验台，进一步研究典型生物质在高温液态水之近邻界水的传热传质行为，揭示水解机理，同时选择合适的纤维素酶，借助先进的仪器分析手段，研究高温液态水预处理后的底物组分、分子官能团、分子构象、纤维素聚合度、结晶度、孔隙度等变化，关联纤维素酶水解过程中的超分子结构变化，揭示纤维素酶水解机理，指导在高温液态水-纤维素酶水解体系中实现糖类产物的最大回收；同时基于研究在此过程中木质素残渣的组成、结构变化等信息，为木质素的进一步利用提供参考。通过以上研究，将为构建高效糖平台、生物质全组分的有效利用提供理论基础，为推动生物炼制产业的发展奠定基础。

将生物质中的半纤维素和纤维素通过水解获得低聚糖和单糖等糖类产物是生产纤维素乙醇、丁醇、生物汽油、糠醛等能源化工产品的必备基础。本项目借助自行搭建的2套水解装置，选取有代表性和应用潜力的桉木、甜高粱秆渣、甘蔗渣、狼尾草I号、狼尾草II号和柳枝稷为原料，研究了不同种类生物质原料在渗滤和间歇反应器中的水解情况，建立了近临界水预处理-纤维素酶最优水解工艺： 180℃，固液比1:20, 4 MPa或饱和蒸汽压下，500 rpm， 处理20min或40min；酶解最优工艺：50℃，pH4.8，添加Tween80 0.175 ml或0.125 ml/g底物，酶添加量20FPU/g纤维素，搅拌酶解96-120 h。可回收85%以上的半纤维素衍生糖，纤维素酶解糖收率可达90%。木质纤维素经高温液态水预处理后，纤维素聚合度下降，在细胞壁中分布趋于均质化；半纤维素被大部分降解，其降解动力学符合一级连串均相反应模型，经核磁共振波谱及免疫共聚焦显微分析，生物质中的半纤维素主要是典型的O-乙酰基-4-O-甲基葡萄糖醛酸基木聚糖结构；木质素被部分降解，其分子量减小，木质素降解产物主要来自对羟苯基结构（H）单元，愈创木基（G）结构单位和紫丁香基（S）结构单元，木质素在细胞壁中发生了由内到外的迁移，且形成了球形颗粒附着在物料表面，通过空间位阻作用阻碍纤维素的酶解。另外，木质纤维素经高温液态水处理后，结晶指数和比表面积增大，表面结构变得疏松，半纤维素和木质素相关化学基团被降解，分子氢键连接被破坏，酶解效率有所提高。通过搅拌、添加Tween80、分批补料的方式能大幅提高高底物浓度下纤维素的糖化效率和产糖浓度，其酶解行为符合分形动力学模型。预处理物料中残存木质素可吸附纤维素酶导致酶解效率的下降，Tween80能减弱木质素对纤维素酶的无效吸附。葡萄糖浓度的增加会加剧其与纤维素酶表面的色氨酸相互作用，影响底物与酶的结合，导致糖化效率下降。以ZGA451FD离子交换树脂分离纯化低聚木糖，其收率可达88%。水氨预处理可脱除木素，有效回收糖产物。以上研究较完整地揭示了木质纤维素类生物质近临界水结合酶解的糖平台构建机制，为生物炼制打下基础。.共发表（接收）论文16篇，其中SCI 10 篇，EI 4 篇，核心2篇，第一标注SCI/EI 8篇；参加国际/国内学术会议5次，做特邀报告2次；申请发明专利4项，授权2项。