木质素原位定向修饰及其对纤维素糖化的增效机制

To overcome the inhibitory effects of lignin on enzymatic hydrolysis, a new pretreatment strategy has been proposed in this project. The in-situ modification of lignin during pretreatment will be developed, to achieve the simultaneous lignin modification and lignocellulose pretreatment. Polyethoxy ether, a modification reagent, would be added during the pretreatment of lignocellulose, which could grafting modify lignin with polyethoxy ether, and control the changes on lignin physicochemical properties and chemical structure. This graft modification could enhance the hydrophilicity of lignin, which would relieve the non-productive binding of cellulase enzymes on lignin, and improve the enzymatic digestibility of pretreated biomass. The effects of lignin graft modification on lignin physicochemical properties and chemical structure, the interaction between lignin and cellulase enzymes, as well as the enzymatic hydrolysis will be investigated. Based on these results, the simultaneous lignin modification and lignocellulose pretreatment will be developed. The effects of lignin in-situ modification on physicochemical properties and chemical structure of pretreated biomass, the interaction between lignin and cellulase enzymes as well as enzymatic hydrolysis will be studied. Therefore, the mechanism under the enhancement of lignin in-situ modification on enzymatic hydrolysis will be proposed.

本项目围绕破解木质纤维原料中木质素对纤维素糖化的抑制作用，提出木质素定向修饰与原料预处理同步进行的“木质素原位定向修饰预处理技术”。通过在预处理过程中添加聚乙氧基醚修饰剂，对木质素进行聚乙氧基接枝修饰，控制木质素在预处理过程中理化性质与化学结构的变化，降低木质素疏水性，从而减少木质素与纤维素酶蛋白的非特异性吸附作用，达到提高纤维素糖化效率的目的。通过系统研究定向修饰对木质素理化性质及结构特性的影响，定向修饰木质素对纤维素酶吸附作用、纤维素糖化效率的影响，建立木质素原位定向修饰预处理技术；综合木质素原位定向修饰预处理对木质素理化性质、化学结构特性与其对纤维素酶吸附、纤维素酶糖化效率的影响结果，阐明原位定向修饰木质素对纤维素酶水解的增效机制。

本项目针对木质纤维原料中木质素对纤维素酶水解的抑制作用，提出木质素定向修饰技术，以提高纤维素酶水解效率。首先，以杨木木质素为对象，进行聚乙氧基醚亲水接枝修饰制备木质素基表面活性。添加0.025 g/g纤维素的木质素基表面活性剂使得预处理杨木酶水解效率由53.5%提高至82.5%。采用先进的石英晶体微天平技术揭示了木质素基表面活性剂促进纤维素酶水解的机制：木质素基表面活性剂可优先吸附于木质素表面，从而造成空间位阻干扰纤维素酶在木质素上的吸附；此外，木质素基表面活性剂可降低木质素表面疏水性，从而减弱木质素与纤维素酶之间的疏水作用力。其次，本项目提出木质素原位定向修饰预处理技术，实现常规低温碱处理与木质素定向修饰同步原位进行。以玉米秸秆为原料，10%碱用量（基于物料）、10%聚乙氧基醚修饰剂（基于物料）、70℃下处理2.5 h，所得预处理玉米秸秆酶水解得率与常规碱处理玉米秸秆相比提高了46.4%。添加外源玉米秸秆木质素基表面活性剂使得常规碱处理玉米秸秆酶水解得率提高了40.1%，而其无法进一步提高木质素原位定向修饰处理的玉米秸秆。总体而言，与传统的分离木质素再进行木质素接枝修饰制备木质素基表面活性剂相比，采用一步法进行木质素原位定向修饰预处理，工艺更为简便有效。最后，以杨木木屑为原料，于5%醋酸、170℃下处理0.5 h，制取功能性低聚木糖（低聚木糖得率37.6%）；在此基础上，采用木质素原位定向修饰预处理技术使得预处理杨木纤维素酶水解得率由28.3%提高至83.5%。预处理杨木中木质素的理化性质表征结果表明，经过木质素原位定向修饰后，杨木木质素的疏水性和酚羟基含量均下降，导致原位定向修饰后的杨木木质素纤维素酶吸附率由50.8%降低至11.2%。木质素原位定向修饰降低纤维素酶的无效吸附是其对纤维素酶水解的主要促进机制。综上所述，采用醋酸法-木质素原位定向修饰联合预处理技术，实现功能性低聚木糖和可发酵性糖联产，为木本原料综合利用提供了重要的技术思想。