基于脱木素预处理制备低聚木糖及后续酶解增效机制研究

The tight structure composed of cellulose, hemicellulose, and lignin in lignocellulosic material impeded the attack of enzyme to cellulose, part of lignin and hemicellulose could be removed by pretreatment, the tight structure was destroyed and the efficiency of enzymatic hydrolysis was enhanced greatly, hence, pretreatment is the critical step for the conversion of lignocellulosic material to platform chemicals and fuels by biochemical methods. This project will focus on the conversion of sugarcane under different pretreatment methods (alkali pretreatment, ethanol pretreatment, and hydrogen peroxide-alkaline pretreatment) and conditions. By the analysis of the lignin and xylo-oligosaccharide in prehydrolyzate, the deconstruction mechanism and degradation products of lignin and hemicellulose under would be investigated. Through the analysis of pretreated solid, the influence of pretreatment methods and conditions on the efficiency of enzymatic hydrolysis would be explored, to reveal the removal of lignin and hemicellulose on the enzymatic hydrolysis and mechanism. Through the above research, a basic theory system about sugarcane bagasse conversion into glucose, xylo-oligosaccharide, and lignin etc. high value-added chemicals will be established, which is of great importance in improving agricultural and forestry biomass resource utilization.

农林生物质原料中的纤维素、半纤维素和木素相互交织形成致密结构，阻碍酶对纤维素的进攻，预处理通过去除部分木素和半纤维素，打破这种致密结构，提高酶解效率，是农林生物质经生物化学途径转化为平台化学品和燃料的关键步骤。本项目拟以蔗渣为原料，通过对预处理液中组分（低聚木糖和木素）进行分析表征，揭示木素和半纤维素在不同预处理方式（碱预处理、乙醇预处理和碱性过氧化氢预处理）和预处理条件下的解构机制及产物形成规律，并探讨其降解机理；通过对预处理前后样品进行分析，确定不同预处理方式和预处理条件对酶解效率的影响规律，以此揭示木素和半纤维素的去除对酶解效率的影响及其作用机理，明晰木素和低聚木糖的可控溶出与实现酶解最大增益的内在因素，并构建木素和半纤维素的脱除对酶解效率影响的模型。本项目完成后，将实现蔗渣转化为葡萄糖、低聚木糖和高纯度木素的高值化综合利用，对提高我国农林生物质资源化利用率具有重要意义。

农林废弃物作为地球上较为丰富的可再生生物质资源，可替代化石能源制取液态燃料和化学品。然而生物质资源中的纤维素、半纤维素和木素所形成致密结构，阻碍酶对纤维素的进攻，因此需要进行预处理以去除部分木素和半纤维素，打破这种致密结构，提高酶解效率。本项目以蔗渣为原料，探讨了氯化铁强化的乙醇/水预处理、氢氧化钠预处理、碱性过氧化氢预处理、碱/乙醇两段预处理以及氯化铁预处理对半纤维素、木素降解及其预处理液中单糖和聚糖含量的影响；通过对预处理残渣进行结晶度、表面形貌及热稳定性的分析，探究不同预处理方式对蔗渣原料中三大组分含量、组成和结构的影响；通过对预处理残渣进行酶解探究不同预处理方式对葡萄糖收率的影响；通过表面活性剂的添加，探讨表面活性剂提高酶解效率的作用机制。. 在氯化铁强化的有机溶剂预处理条件为160℃、60min、0.025M FeCl3时,预处理液中木糖得率达11.4g/100g原料，包括4.1g木单糖和7.3g低聚木糖,预处理残渣酶解72h后葡萄糖收率可达93.8%。酶解段加入吐温 80，在纤维素酶用量减半以及酶解时间降低至6h时，可保持葡萄糖收率基本不变。在氢氧化钠预处理条件为160℃、1h、10%NaOH时，酶解72h后葡萄糖收率可达90.1%。酶解段加入吐温80后，在酶解时间降低至24h时，可保持葡萄糖收率基本不变。对于碱性过氧化氢预处理来说，在预处理条件为160oC、1h、3%NaOH、6.25%H2O2时，酶解72h后葡萄糖收率可达70.2%。酶解段加入吐温80，其葡萄糖收率增至77.6%，约占预处理样品中葡萄糖的89.1%。对两段预处理（稀硫酸+碱乙醇）来说，在吐温80作用下，葡萄糖的最高收率为76%，约占预处理后样品中葡萄糖的84.5%，且吐温80的加入不仅能够降低50%的酶用量且可缩短酶解时间至24h。在氯化铁预处理条件为160℃、10min、0.025M FeCl3时，预处理液中木糖得率为16.9g/100g原料，包括13.4g木单糖和3.5g低聚木糖，预处理残渣酶解后葡萄糖的收率为80.1%。在吐温80和BSA的加入下，葡萄糖的收率增至90%以上，同时在葡萄糖收率相当的情况下能降低将近一半的酶用量。