破解制约竹材纤维素糖化物理和化学屏障机理的研究

According to the composition characteristics of bamboo containing higher content of lignin and lignin carbohydrate complex (LCC), for the purpose of breaking physical and chemical barriers restricting bamboo cellulose saccharification, the mechanism of breaking physical barriers restricting bamboo cellulose saccharification by alkaline pretreatment and breaking chemical barriers restricting bamboo cellulose saccharification by glycosidase hydrolysis linked between xylan and lignin with arabinosidase were investigated. Through a series of research containing effects of alkaline pretreatment on correlation factors of cellulose saccharification, the primary structure analysis of bamboo hemicellulose and the LCC structure analysis, the change and mechanism of lignin and LCC in the process of alkaline pretreatment, the change and mechanism of LCC in the process of cellulose saccharification, the integrated process to break the physical and chemical barriers restricting bamboo cellulose saccharification by alkaline pretreatment and arabinosidase assisted hydrolysis. The purpose of this project will reveal the inhibition of lignin and LCC on bamboo cellulose saccharification, and the removal, structure change and reaction mechanism of lignin and LCC in the processes of alkaline pretreatment and cellulose saccharification. The results can provide basis for establishment of efficient sugar platform technology from bamboo.

本项目针对竹材木质素、木质素-碳水化合物复合物（LCC）含量高的组成特点，围绕破解制约竹材纤维素糖化木质素的物理屏障和LCC的化学屏障，研究碱性预处理主要破坏制约纤维素糖化的物理屏障、阿拉伯糖苷酶降解LCC中木聚糖与木质素连接的糖苷键破坏制约纤维素糖化的化学屏障的反应机理。通过竹材碱性预处理对纤维素糖化关联因子的影响、竹材半纤维素一级结构信息分析和LCC结构解析、木质素和LCC在预处理过程中的行为与机理、LCC在纤维素糖化过程中的行为与机理、竹材碱性预处理和基于阿拉伯糖苷酶辅助水解耦合破解竹材纤维素糖化的物理屏障和化学屏障、基于阿拉伯糖苷酶协同水解竹材纤维素的机理与动力学的研究，阐明木质素、LCC抗竹材纤维素糖化的作用与机理，揭示木质素、LCC在竹材碱性预处理和纤维素糖化过程中的迁移规律、结构变化与反应机理。研究结果可为竹材纤维素糖基平台技术方法的建立提供理论依据。

本项目针对制约竹材纤维素糖化的物理和化学屏障，开展不同碱性预处理强度对影响纤维素糖化因子的影响作用以及这些因子与纤维素糖化效率的关系，木质素、木质素-碳水化合物复合物在碱性预处理和基于阿拉伯糖苷酶辅助的纤维素糖化过程中的迁移规律及其机理的研究。.研究结果表明：利用稀硫酸预处理竹屑，在剧烈条件下（160 °C，4%酸浓度），即使原料中全部半纤维素和17.4%的木质素被脱除，竹屑的糖化效率为24.7%，总糖得率仅为20.4%。常规的硫酸盐法预处理，通过有效碱、硫化度和保温时间条件的优化，当最佳条件为26%有效碱用量、24%硫化度、60 min保温时间和160 oC时，预处理竹屑的葡聚糖和木聚糖回收率分别为85.7%和38.0%，木质素脱除率为94.8%，酶解得率和可发酵性单糖（葡萄糖和木糖）产量分别为76.8%和344 g/（1000 g竹屑），总糖得率为55.4%。稀酸法处理的竹屑酶水解性能远不及硫酸盐法预处理物料的原因之一，可能是残留在物料中木质素不同物化性能（表面电荷低、疏水性强和酚羟基含量高）导致其对纤维素酶的无效吸附量大，从而造成酶水解体系中参与纤维素水解的酶减少。当低用碱量硫酸盐法预处理条件为12%有效碱用量、24%硫化度和60 min保温时间时，竹屑的木质素脱除率可达78.4%，物料酶水解得率为58.9%。该预处理条件下，虽然竹屑原料中部分LCC连接键发生断裂，但仍有1.8/C900苄基醚键、2.8/C900苯基糖苷键和4.0/C900 γ-酯键。制约碱预处理竹屑纤维素糖化率较低的原因主要是竹屑中富含LCC化学屏障，这些LCC类型主要为木质素-木聚糖复合物、木质素-葡聚糖复合物和木质素-阿拉伯聚糖复合物。将木聚糖酶和阿拉伯糖苷酶辅助纤维素酶水解耦合预处理竹屑的糖化，可大幅度提高酶水解得率。酶复配优化结果表明，120 IU/g葡聚糖木聚糖酶和15 IU/g葡聚糖阿拉伯糖苷酶酶辅助纤维素酶水解，预处理物料的葡萄糖得率和木糖得率分别从58.9%提高到83.2%和从68.2%提高到88.4%。酶水解过程中，预处理物料中LCC的苯基糖苷键和γ-苯酯键降解最多，分别从2.8/C900降至0.5/C900和从4.0/C900降至1.0/C900，降解率分别为82.1%和75.0%；而苄基醚键降解率仅为16.7%。