高压预处理过程促进不同底物特性的纤维素降解的多尺度分析

The molecular structure characteristics in substrate exerts an vital effect on cellulose degradation efficiency. High-pressure pretreatment is generally regarded as a vital tool to modify substrate structure and enhance suparmolecular depolymerization of its intricate crystal structure. Therefore, it is generally considered as a central unit process in a biorefinery to convert lignocellulosic biomass into fuels and chemicals. Caragana Korshinskii, as a shrub plant widely grown in northern arid area for wind protection and sand fixation, will be used in this study. Based on the total understanding the chemical composition and molecular structure characteristics of C. Korshinskii, various substrates will be chosen for the control, including bacterial cellulose (Fermented by Gluconacetobacter xylinus CGMCC No. 1.1812, purity >99%) and rice straw (herbaceous plant). The change rules of molecular structure and mass transfer of the main chemical composition in lignocellulosic biomass before and after different high-pressure pretreatments will be summarized. Together with multivariate statistical analysis methods, the pretreatment technological strategy will be optimized. The compound cellulase preparation will be purified by preparative liquid chromatography, the mechanism on how substrate molecular structure, chemical stability and conformation in enzyme molecules change during saccharification will be revealed. The relationship between reaction process parameters at macroscopic level and molecular structure and conformation of enzyme at microscopic level, as well as pretreatment parameters at macroscopic level and molecular structure changes in substrate at microscopic level will be discussed. Our study will provide theoretic basis on the scale-up of lignocellulosic biomass conversion in an industrial scale system.

底物分子特性对纤维素降解效率具有重要影响。高压预处理技术，被认为是促进纤维素超分子解聚的重要手段之一，是实现高效生物质转化的中央操作单元。本研究拟选取我国北方干旱地区防风固沙的先锋植物--柠条（木本植物）作为主要研究对象，在阐明其化学组成与分子结构特点的基础上，选取差异性底物，以稻草秸秆（草本植物）和细菌纤维素（木葡萄糖醋杆菌发酵产生，纤维素纯度>99%）作为对照，揭示不同高压预处理过程对柠条分子微结构与主要化学成分迁移规律，结合多元统计分析方法，反馈优化预处理操作策略；采用制备色谱技术对纤维素酶制剂进行分离纯化，探讨酶解过程底物分子结构、酶稳定性和构象变化的一般规律，分析多酶共存时的相互协同与拮抗作用；建立基于宏观尺度的反应器参数与微观尺度的酶分子结构与构象、宏观尺度的预处理操作参数与微观尺度的生物质分子结构变化之间的多尺度相互关联，为生物质转化在工业反应体系的放大提供理论基础。

按照项目计划所确定的研究内容，自2015年以来，开展了“高压预处理过程促进不同底物特性的纤维素降解的多尺度分析”的相关基础研究。合适的预处理过程，是突破纤维素重要抗性屏障，提高生物质转化效率，促进其超分子结构解聚的重要手段。本项目选取差异性底物，以细菌纤维素、稻草秸秆及柠条作为研究对象，在阐明其化学组成与分子结构特点的基础上，揭示不同预处理过程对纤维素底物结构与化学成分迁移规律，反馈优化预处理策略，并解析其多酶协同与拮抗作用规律。 . 开展了柠条蛋白碱法提取的机理以及提取动力学研究，通过分析柠条的组分、物理及化学结构，解析了柠条分子的复杂分子结构。采用蒸汽爆破对水稻秸秆（RS）及柠条(CKK)进行了预处理，发现蒸汽爆破预处理的水稻秸秆（SEPR）和蒸汽爆破预处理柠条（SEPK）的纤维素转化率分别比未处理的分别提高了0.88和1.43倍；半纤维素转化率分别提高了2.25和3.38倍。扫描电镜分析表明SEPR和SEPK的物理结构变得松散，而SEPK的物理结构比SEPR致密。分析了不同底物对纤维素降解机制的影响，发现了BC酶解72h后纤维素转化率达93.12%，RS次之，CKK最低。蒸汽爆破预处理后RS和CKK对纤维素酶的吸附率明显增强。三种纤维素底物在酶解过程均表现为固体残渣尺寸减小。酶解后BC和SEPR纤维素相关特征峰强度减弱，SEPR和SEPK的木质素特征峰强度增强。在酶解过程中纤维素结晶度没有发生明显变化。研究了乙二胺预处理对高浓度发酵降低酶添加量的影响，发现乙二胺预处理去除了玉米秸秆85.5%的木质素，并提高了纤维素酶的对底物的吸附量35.2%，在15%葡聚糖负荷的SSCF中，3.6 fpu/g干物质的相对较低的酶添加量下，可获得高达82.2 g/l的乙醇。开展了底物与酶分子的相互作用机理的分析，发现纤维素底物对内切纤维素酶EG的吸附能力最强，且对EG，CBHⅠ和CBHⅡ呈现出一个周期性的吸附和脱吸附规律。蒸SEPK对EG, CBHⅠ和CBHⅡ的吸附规律与SEPW相似，不同的是相比于BC和SEPW，SEPK对内切酶(EG)的吸附能力较弱。. 本项目建立了不同尺度上的生物转化过程的多尺度分析的方法，为生物质转化在工业反应体系的放大提供了理论基础。已发表SCI 9篇，申请专利11篇，其中授权专利1篇。