高效高固含量木聚糖酶水解方法的建立及机理研究

Xylanase is a class of enzymes that can hydrolyse xylan into xylooligosaccharides and xylose. Due to its capability of breaking down hemicellulose selectively, xylanase can be used to separate hemicellulose from the lignocellulosic substrate. But the xylanase cannot easily hydrolyse the hemicellulose completely from the raw lignocellulosic substrate, because of the natural resistance of the lignocellulose complex and the limitation of the xylanase itself. Therefore, in this project, on the one hand, the impact of the component nature and the ultrastructural changes of lignocelluloses after weak alkaline and refining pretreatment will be researched to reveal the mechanism of the enzymatic hydrolysis.The process of the pretreatment will be further established at a continuous pilot scale. On the other hand, adsorption kinetic, product inhibition and synergistic mechanism of the multi-enzyme system will be researched, and an optimized xylanase cocktail and its reaction condition will be build-up. Based on these studies, a mild lignocellulose saccharification process which has a prospect of commercialization will be established. This will have a great significance on the low-cost saccharification and high-value utilization of the lignocellulosic material.

木聚糖酶由于具有选择性水解半纤维素的功能，能够被应用于木质纤维素原料中半纤维素的分离。但由于木质纤维素天然的抵抗机制及木聚糖酶自身的局限，使用木聚糖酶直接处理木质纤维素原料时，半纤维素的水解率很低。为了克服这些难题，本项目一方面通过研究弱碱+磨浆预处理前后玉米芯的组分性质和超微结构变化，揭示其提高半纤维素酶解效果的作用机制，并在此理论研究的基础上实现该工艺的中试化连续放大。另一方面，通过研究木聚糖酶在高浓木质纤维素底物上的吸附动力学和产物抑制情况，结合半纤维素支链酶与木聚糖酶之间协同效应的考察，优化出一套适合分离高固木质纤维素底物的半纤维素酶复配及相应的水解条件，最终建立一套具有商业化前景的木质纤维素温和糖化分离工艺。这将对实现木质纤维原料的低成本糖化和高值化利用具有重要意义。

木聚糖酶由于具有选择性水解半纤维素的功能，能够被应用于木质纤维素原料中半纤维素的分离。但由于木质纤维素天然的抵抗机制及木聚糖酶自身的局限，使用木聚糖酶直接处理木质纤维素原料时，半纤维素的水解率很低。为了克服这些难题，项目按照既定研究计划，以弱碱和磨浆处理后的玉米芯的半纤维素酶水解过程为研究对象，确定了对酶解过程起关键影响作用的表观因素，定性分析原料结构、碳水化合物含量与其半纤维素酶（纤维素酶）酶解效果之间的量化关系，建立了并求解数学模型；采用流体模拟软件对现有糖化平台装备了推流桨的500L糖化罐进行了CFD模拟。为预处理及酶解工艺提供了理论指导。在前期研究基础上，针对高半纤维素组分底物，采用水热脱乙酰预处理，实现了高固含量半纤维素与纤维素的高效水解。采用流加底物的方式，在初始固含10%，最终投入固含物23.5%的情况下，总投入酶量为1.77FPU/g，酶解率达到95.6%，完成了项目制定的工艺指标。这将对实现木质纤维原料的低成本糖化和高值化利用具有重要意义。