纤维素酶处理活化溶解浆的作用机理及其强化机制

Cellulose activation of dissolving pulp is the prerequisite for its downstream industrialized application. For such purpose, using green bio-technology instead of chemical treatment is the key for improving production and living environment, which is of strategic significance. Therefore, the pre-hydrolysis kraft based dissolving pulp was selected as raw material in this proposal, and the endoglucanase-rich cellulase was used to activate and modify the cellulose. .Firstly, the cellulose degradation rule of cellulase activation process was investigated to reveal the response mechanism of cellulose during enzymatic hydrolysis. Subsequently, the two key parameters of viscosity and reactivity under various cellulase treatment conditions were determined to build samples database. Based on the database, the corresponding mathematical equations could be developing. Finally, the technology of mechanical or chemical or those synergy effects on enhancing enzymatic efficiency was explored from both cellulosic substrate and enzyme related factors. Furthermore, the enhancing mechanism could be clarified through the substrate accessibility and cellulase adsorption. The completion of the project would be great significance in fostering the successful commercialization of cleaning production and value-added application of dissolving pulp.

纤维素分子的活化处理是提高溶解浆在下游产业中应用价值的重要步骤，而采用生物酶代替化学品的活化技术是改善生产/生活环境的关键，具有十分重要的战略意义。本项目拟以预水解硫酸盐法溶解浆为研究对象，采用内切酶为主的纤维素酶对其进行活化、修饰处理，深入研究纤维素在酶活化过程中的解聚和微观结构变化规律，进而揭示纤维素与酶活化作用间的构效关系；并通过分析大量的酶处理样品探明纤维素宏观指标的变化规律，建立粘度和反应性能这两项重要指标之间的映射关系；综合纤维底物因素和酶相关因素两个方面来研究溶解浆酶法活化过程的强化机制，通过分析底物可及性和酶蛋白吸附率的变化规律，进一步弄清物理处理、化学处理以及两者协同处理对强化纤维素酶活化过程的作用途径。本项目的完成将为溶解浆清洁化生产及高值化利用奠定坚实的科学基础，具有十分重要的现实意义和理论价值。

溶解浆是一种高纯度纤维素，主要用于生产粘胶纤维、纤维素醚、硝酸纤维素等高附加值产品。溶解浆的粘度和反应活性是影响纤维素溶解和衍生化反应的重要指标。本项目以预水解硫酸盐法溶解浆为研究对象，采用纤维素酶对其进行处理，以改善溶解浆的应用价值、降低化工试剂用量。主要研究了溶解浆在酶处理过程中的解聚和微观结构的变化，揭示了溶解浆在纤维素酶处理过程中的变化规律，建立了纤维素酶处理中纤维素粘度和反应性能间的对应关系，探索了强化纤维素酶酶解效率的途径。结果表明：经过纤维素酶处理后，纤维变得疏松柔软，纤维表面变得粗糙并发生部分剥落，改善了溶解浆纤维的反应性能和粘度；在纤维素酶处理过程中纤维素性能的变化分为两个阶段：即前期的快速反应阶段和后期的慢速反应阶段；成功归纳出纤维素酶处理过程中溶解浆反应性能与粘度变化间的对应变化规律方程，并可用于预测酶处理效果；吐温80可显著改善酶解效果；机械打浆一方面可以降低纤维素分子的长度，提高羟基的可及度；另一方面通过增加酶在纤维表面的反应位点，提高酶的催化效率，实现了酶解效果的显著改善。采用FTIR、FQA、WRV、BET，和XRD等对处理样品进行了表征。项目负责人以第一/通讯作者身份发表期刊论文11篇（其中SCI论文9篇、中文核心论文1篇），获得2项国际发明专利，发表国际会议论文2篇，获国家科技进步二等奖1项（第7位）、教育部科技进步一等奖1项（第7位）、山东省科技进步三等奖1项（第2位）、山东省“互联网+”大学生创新创业大赛银奖1项（首位指导教师）、山东省大学生纸与造纸科技大赛三等奖（首位指导教师）。依托本项目研究成果，负责人获批了山东省优青项目1项、山东省青年创新团队引育计划项目1项、山东省科教产融合创新试点工程（重大创新项目）子课题1项。相关研究成果为木质纤维原料的高值化利用提供了理论和技术支持。