木质素解聚物与纤维素酶的相互作用及其对催化过程的调控机制

Pretreatment of lignocellulose is the prerequisite to the following enzymatic hydrolysis because of its ability in enhancing the accesibility of cellulose to cellulase. However, the majority of the soluble depolymerized lignin (DL)in pretreatment liquor showed great inhibition to cellulase. In the present project, in view of the diversity of chemical pretreatments, the molecular interactions between the DL and cellulase, the possibility of DL-cellulase complex formation, and the binding mechanism thereof will be investigated. The effect of DL on enzymatic hydrolysis will be elucidated in terms of mass transfer, adsorption,and catalysis. The relationship between the catalytic capability of DL-cellulase complex and the structure of DL will be revealed. Then, specific modification of lignin will be achived by screening and optimization of pretreatment. DL-cellulase complexes with low mass transfer resistance, high adsorption selectivity toward cellulosic component, and robust catalytic activity will be built, which will promote the performance of co-enzymatic hydrolysis of solid substrate and spent liquor due to the elimination of inhibitory effects from spent liquor and the weakening of non-productive adsorption of cellulase on non-cellulosic components. Due to the involvent of depolymerized lignin to the area of biomacromolecules interaction for the first time, the project will enrich the interface chemistry for the heterogeneous enzymatic hydrolysis of lignocellulose，but also privde acdemic reference for relevant study on systematic biological process.

预处理是木质纤维素进行酶解的前提，该过程在改善纤维素可及度的同时，产生的可溶性木质素解聚物大多对纤维素酶具有抑制性。本项目结合化学预处理的多样性，从分子角度研究木质素解聚物与酶蛋白的相互作用，探讨复合体形成的可能性与结合机制，并从传质、吸附和催化三方面解析复合体对酶解过程的调控机理，揭示木质素解聚物的结构与复合体催化能力间的构效关系。进而筛选并优化木质素的预处理定向改性，构筑在木质纤维素底物中传质阻力低、对纤维组分吸附选择性强、蛋白活性高的目标复合体，消除预处理废液的抑制性并弱化酶在非纤维组分表面的非生产性吸附，实现固态底物和预处理废液的高效混合酶解。项目首次将木质素解聚物纳入生物大分子相互作用的范畴，不仅进一步丰富和完善木质纤维素非均相酶解体系的界面化学理论，还将为相关系统生物过程的研究提供学术参考。

项目背景：.经济发展对化石资源的过度依赖，开发绿色化工方式，将农林生物质，包括农业秸秆和木材废角料中的纤维素和半纤维素聚糖，转化为乙醇，是学术界和工业界公认的可行方式。然而农林生物质资源的木质纤维素具有抵抗酶解的天然属性，第一，酶在细胞壁微孔结构中的传质阻力、纤维素的高度结晶以及木质素对纤维素的包覆隔离，第二，非纤维组分，尤其是木质素对酶蛋白存在非生产性吸附。因此，开发高效的预处理方式，改善纤维素对酶的可及度和可消化性，同时弱化木质素对酶蛋白的非生产性吸附，具有重要价值和意义。..主要研究内容：.（1）木质素的预处理解聚改性规律以及木质素解聚物的分离表征，(2) 木质素解聚物与酶蛋白的相互作用和复合体的形成机制， (3) 不同的预处理及木质素的结构表征，（4）简单的水热法及其对木材酶解糖化的促进。..重要结果：.一方面，发展了木材原料的磺化预处理和自水解预处理，通过条件优化得到了对酶活性抑制最弱的木质素，同时纯化得到了木质素与纤维素酶蛋白，研究了两者摩尔比及复合体的生成。解释了木素芳香核与酶蛋白的疏水作用力和静电作用力。另一方面，有机溶剂法的预处理结果表明，以甲酸/水为溶剂，能在短时间内流式反应脱除木质素，处理后得到的底物，其纤维素酶解转化率较高，但是由于微弱的酯化反应，酶解效率较自水解和磺化处理的低。..关键数据及其科学意义：.亚硫酸盐法预处理得到的木质素具有磺酸基，Zeta电位在-14~-24 mV，能够通过静电力与纤维素酶形成直径在10 nm~3μm大小的复合体，复合体的生成可逆，低范围大小的复合体的使Zeta电位提升至-4~-14 mV，因此弱化了对酶蛋白的非生产性吸附，在同等酶解条件下使纤维素糖化效率从50%提高至70%。这些数据说明，木质素磺酸盐不仅能够与酶蛋白作用，间接促进纤维素的糖化，还有分离蛋白的潜力。