木质素两性表面活性剂的pH响应性能及回收纤维素酶的作用机制

Enzymatic saccharification of lignocelluloses into fermentable sugars is the key technology of biomass biorefinery. Recycling the cellulases left in hydrolysate and improving enzymatic saccharification efficiency are the main ways to reduce enzymatic saccharification cost. In this project, a pH-sensitive lignin-based zwitterionic surfactant (pLZS) will be propared from enzymatic saccharification lignin residue. The pLZS dissolves in aqueous buffer and improves the enzymatic saccharification of lignocellulosic substrate by reducing the non-productive adsorption of cellulase on lignin to increase the free cellulase concentration in hydrolysate. When the hydrolysate pH is adjusted down after enzymatic saccharification, the pLZS will coprecipitate out together with cellulases. The recycled cellulases will be reused in the next enzymatic saccharification of new substrates to decrease the cost..Four kinds of pLZSs with different molecular structrue will be synthesized with lignin residue. The dissolution-pricipation responding curve on pH of pLZSs and the solution mixed with cellulases will be investigated to discover the effect of lignin molcelue on the pH-sensitivity of zwitterionic surfactant and synthesize the pLZS with high pH-sensitivity. The adsorption properties of cellulases on QCM films of pLZSs will be studied to explore the mechanism of recycling cellulase. Relationship between molecular structure of pLZSs and the properties to recycle cellulase will be establised, which will help to develop a novel approach to recycle cellulase and enhance enzymatic saccharification of lignocelluloses by adding the pLZS with strong binding force with cellulases. The results of the project will not only establish the theoretical foundation for recycling cellulase by adding pLZS, but also provide a new efficient technology to decrease the cost of enzymatic saccharification of lignocelluloses.

木质纤维素通过酶解转变成可发酵糖是生物炼制的关键步骤，回收利用纤维素酶和强化酶解反应是降低酶解成本的重要方法。以酶解木质素残渣为原料合成具有pH响应性的木质素两性表面活性剂，在酶解时溶于缓冲液能减少木质素对纤维素酶的无效吸附提高木质纤维素的酶解效率和酶解液游离酶浓度，酶解后降低pH时与酶形成共沉淀，回收的纤维素酶用于新的酶解反应，降低酶解成本。.首先研究不同种类和结构木质素两性表面活性剂和纤维素酶的溶解-沉淀pH响应性能，揭示木质素分子结构对两性表面活性剂pH响应性能的作用机制；然后研究纤维素酶在木质素两性表面活性剂薄膜上的吸附规律，阐明pH响应型木质素两性表面活性剂回收纤维素酶的作用机制；合成pH响应灵敏且对酶具有高回收率的木质素两性表面活性剂，建立pH响应型木质素两性表面活性剂高效回收纤维素酶和强化酶解的新方法，降低木质纤维素酶解成本，同时实现酶解木质素的资源化高效利用。

农作物秸秆等木质纤维素中的纤维素和半纤维素可以通过预处理和酶解转变成糖类化合物，再通过生物法或化学法制备生物燃料和其他化学品，但目前仍然存在酶解效率偏低和酶解成本偏高的技术瓶颈问题。将酶解木质素（EHL）改性制备木质素高分子表面活性剂，并用于强化木质纤维素底物的酶解，通过提高酶解效率和回收纤维素酶以降低酶解成本，可实现木质素残渣的资源化高效利用，增加其附加值。.本项目研究了不同结构木质素高分子表面活性剂和纤维素酶的溶解-沉淀pH响应性能，揭示了木质素分子结构对高分子表面活性剂pH响应性能的作用机制；研究了纤维素酶在木质素高分子表面活性剂薄膜上的吸附规律，阐明pH响应型木质素高分子表面活性剂回收纤维素酶的作用机制；合成了pH响应灵敏且对酶具有高回收率的木质素高分子表面活性剂，建立了pH响应型木质素高分子表面活性剂高效回收纤维素酶和强化酶解的新方法，降低木质纤维素酶解成本，同时实现酶解木质素的资源化高效利用。重要研究结果包括：. （1）在EHL上接枝磺酸根和季铵根合成木质素磺酸季铵盐（SAL-Nx），接枝磷酸甜菜碱片段合成木质素基磷酸酯甜菜碱（EHLPB）。木质素两性离子表面活性剂SAL-Nx和EHLPB均具有灵敏的pH响应性能，可通过减少纤维素酶的在木质素上的无效吸附强化木质纤维素酶解，利用其pH响应性能均可高效回收纤维素酶。在玉米芯酶解残杂体系中，添加3 g/L的SAL-N28，可使底物酶解效率从78%提高到93%，节约50%的纤维素酶用量；添加3 g/L的EHLPB-210，可使底物酶解效率从40%提高到85%，节约50%的纤维素酶用量。. （2）在EHL上接枝单甲氧基封端的聚乙二醇（mPEG）合成L-mPEG，接枝未封端聚乙二醇（PEG）合成L-PEGx-y。与L-mPEG相比，拥有更大分子量的L-PEG具有更灵敏pH响应和更强纤维素酶回收能力。添加3 g/L的L-PEG1000-40可使稀酸处理桉木酶解效率从38.2%提高到84.5%，并节约40%的纤维素酶用量。. 本项目共发表期刊论文21篇，其中19 篇被SCI收录（一区11篇，二区5篇），1篇被EI收录；申请中国发明专利4 件，PCT专利3件，培养人才13名；项目负责人入选万人计划领军人才；主办全国性会议1次，参加学术会议6次；超额完成合同书规定的任务。