阻遏木质素重聚反应及其增强木质纤维素糖化的机制研究

Utilizing the most abundant renewable resource, lignocellulosic biomass, to produce substitutable chemicals and materials has been gaining increasing interests globally. However, the reploymerization reactions of lignin during pretreatment process of lignocellulosic biomass aggravate the inhibitory effect of lignin towards enzymatic hydrolysis, thus impeding biomass saccharification. In this study, a strategy to suppress the lignin repolymerization by the addition of radical scavenger in pretreatment is proposed, aiming to improve the saccharification of poplar processing residues. The behavior of radical scavenger in changing physicochemical properties and structure characteristics of lignin, and the effects of suppressing lignin repolymerization on cellulase accessibility, enzyme adsorption and cellulose hydrolysis will be thoroughly investigated. Results are expected to reveal the underlying mechanisms of suppressing lignin repolymerization by radical scavenger and its role in improving biomass saccharification. Results will also provide theoretical basis for industrialisation of lignocellulosic biorefinery, and the utilization of lignocellulosics is believed to help to reduce the consumption of fossil fuels and environmental pollution.

利用地球上可再生的木质纤维资源制造可替代化学品和材料成为了近年来的研究热点。针对木质纤维原料预处理过程中，木质素重聚反应加剧残余木质素对纤维素糖化的抑制问题，申请人提出“预处理—阻遏木质素重聚反应”同步的木质素阻聚预处理方案，即添加自由基清除剂的水热预处理技术，达到阻遏木质素重聚反应、增强纤维素糖化的目的。研究自由基清除剂对木质素理化性质、结构特征的改变及其对纤维素酶可及度、酶吸附和纤维素糖化的影响规律，揭示自由基清除剂对木质素重聚反应的影响及机理，通过木质素影响因素与纤维素酶可及度的定量构效关系，阐明阻遏木质素重聚反应对纤维素糖化的增效机制。研究结果可为木质纤维素生物炼制的工业化应用提供依据，以更好地实现木质纤维素的资源化利用，减少化石能源消耗和污染。

本项目针对木质纤维原料预处理中重聚反应加剧残余木质素对纤维素糖化的抑制问题，系统性地研究了利用阻聚剂阻遏木质素重聚反应以增强纤维素糖化的效应及机制，为木质纤维原料生物炼制的工业化应用提供了理论依据。.首先，以稀酸预处理为例，综合比较了各种阻聚剂（2-萘酚，2-萘酚-7-磺酸钠，紫丁香酸，香草酸，对羟基苯甲酸和甘露醇）对酶水解得率的影响，详细考察了阻聚效应及其增强纤维素糖化的机制。结果表明，2-萘酚，2-萘酚-7-磺酸钠，紫丁香酸和甘露醇的效果较好。其中，本研究首次发现，自由基清除剂甘露醇可作为一种绿色天然的阻聚添加剂，增强纤维素糖化，验证了申报书中的相关设想。其具体机制为：甘露醇通过反应加入木质素结构单元，使木质素的脂肪族OH基团明显增加，β-O-4结构增多，β-β结构减少，木质素的分子量降低，导致木质素对纤维素酶的非生产吸附减弱，从而使纤维素酶水解得率提高50%左右。.继而，将筛选出的阻聚剂（2-萘酚、2-萘酚-7-磺酸酯、甘露醇和紫丁香酸）应用于酸性有机溶剂预处理，发现可显著增强可发酵糖和木质素吸附剂的联产。结果表明，2-萘酚-7-磺酸钠在提高酸性有机溶剂预处理效果方面的表现最好。通过添加2-萘酚-7-磺酸钠，木质素选择性去除率提高到76%，纤维素水解得率提高85%。从100kg杨木中可回收得到36kg纤维素和17kg半纤维素用作后续转化为可发酵性糖，相应的糖产率为78%。同时，还可回收得到23kg木质素，用作污水处理中去除重金属离子和纺织染料污染物的高效吸附剂。.最后，深入研究了阻聚剂对木质素理化性质、结构特征的改变，及其对纤维素酶水解的影响，阐明了阻遏木质素重聚反应对纤维素糖化的增效机制。结果发现，甘露醇可通过自由基作用加入木质素结构单元，形成具有大量羟基的醚化木质素，抑制木质素的重聚，降低木质素分子量，提高木质素的亲水性，极大降低了木质素对纤维素酶的非生产吸附作用。2-萘酚-7-磺酸钠促进了木质素的解聚与脱除，从而减少纤维表面的木质素覆盖，显著减轻木质素对纤维素酶水解的物理屏障作用。通过遏制木质素的物理屏障作用和非生产性吸附作用，纤维素酶水解得到了极大的提高。.本项目总体上很好地完成了计划研究内容，验证了相关的设想，共发表学术论文16篇，其中SCI论文14篇；申请国家发明专利2项，其中已授权1项；培养硕士研究生5名。