杨木酸法预处理中木素和半纤维素的微区分布对酶水解影响机制的研究

The acid pretreatment of lignocelluloses biomass can change the chemical compositions' contents and distributions, as well as the physical and chemical characteristics of substrates, improve the accessible specific surface of celluloses. So, the enzymatic hydrolysis of the lignocelluloses biomass can be improved significantly. The present research focuses on the distribution of lignin and hemicelluloses in the acid pretreated aspen chips. The relationships between the cell wall's microstructures and the enzymatic hydrolysis were constructed by the comprehensive analysis including the distribution of lignin and hemicelluloses in the acid pretreated aspen chips, the structure characteristics of pretreated substrates, and the enzymatic hydrolysis. The determination of the influence mechanisms of the distribution of lignin and hemicelluloses and its effects on the enzymatic hydrolysis is expected to enrich the basic theory, benefit to the improvement and optimization of current pretreatment technology, and then provide the theoretical possibility and technical supporting for the transitions and utilizations of biomass efficiently.

木质纤维生物质的酸法预处理能够改变生物质中化学组分的含量和分布、生物质的物理化学特性，增加纤维素的可及性比表面积，从而显著地提高其酶水解效率。本项目围绕杨木酸法预处理中木素和半纤维素的微区分布展开研究，通过综合分析木质纤维预处理中木素和半纤维素的微区分布、木质纤维生物质底物的结构特性以及生物质酶水解三方面的相互关系，实现生物质细胞壁微观结构与生物质酶水解之间关系的构建，明确酸法预处理中木素和半纤维素的微区分布对生物质酶水解的影响机制。生物质中木素和半纤维素的微区分布对酶水解影响机制的研究能够进一步丰富预处理方面的基础理论，有利于改进和优化现有的预处理技术，为实现生物质资源的高效转化和利用提供理论基础和技术支持。

本项目围绕杨木酸法预处理中木素和半纤维素的微区分布展开研究，综合分析了木质纤维的酸法预处理对其化学组分和结构特性的影响，以及其对酶水解的影响，明确了酸法预处理中木素和半纤维素的微区分布对生物质酶水解的影响机制。研究结果表明：（1）杨木片经过稀酸预处理后，预提取液中的木糖含量明显增加，而葡萄糖和阿拉伯糖的变化较小；（2）稀酸预处理后木片得率下降，木片中的主要化学组分含量随预处理强度的增加而降低，聚木糖含量降低最明显，葡聚糖的降低最少，溶出的木素以酸溶木素为主，绝大部分木素仍存在于木片中。随预处理强度的提高，木片表面有木素颗粒形成，会限制后续酶水解。因此，稀酸预处理时，不宜采用过高的预处理强度；（3）稀酸预处理过程中，各细胞层间的木素含量降低，表面木素含量先减少后增加；（4）稀酸结合机械磨解明显改变了底物的化学成分和物理特性；（5）稀酸预处理结合机械磨解能够有效实现杨木底物的酶水解，而稀酸预处理强化了底物的酶水解效果。进一步优化酶水解条件，在强度因子为1.38时底物的葡萄糖转化率和浓度均达到最高，为93.32%和21.41 g/L；（6）采用数学分析法评价了底物特性对酶水解的影响，结果表明，底物表面木素浓度对酶水解效果影响最显著，比表面积和细小纤维含量的影响较显著，而其它底物特性（结晶度、扭结指数，纤维长度）的影响不显著。该研究进一步丰富了预处理方面的基础理论，有利于改进和优化现有的预处理技术，为实现生物质资源的高效转化和利用提供理论基础和技术支持。