Span衍生物的物理化学特性与木质纤维素高效酶解的关系

The high-cost of enzymatic hydrolysis is one of the main bottleneck problems which negatively influence the industrialization of cellulosic ethanol. The addition of nonionic surfactant in the enzymatic hydrolysis process can improve the hydrolytic efficiency, decrease enzyme amount, and then reduce the cost. However, the applicant found that the optimum concentration of nonionic surfactant which most enhanced the enzymatic hydrolysis of lignocellulose inhibited the enzyme activity. The mechanism on the improvement of nonionic surfactant to high efficiency enzymatic hydrolysis of lignocellulose has not been unanimous. Few studies, based on the chemical groups and structure, on the relationship between nonionic surfactant and high efficiency enzymatic hydrolysis of lignocellulose have been explored further. This item will use a nonionic surfactant – Span as the starting material to prepare series of derivatives which are different in chemical groups. The analytic technologies in the fields of surfactant, enzymology, interface chemistry and cellulose ethanol were adopted. The impacts of the physico-chemical properties of Span derivatives on the cellulase, the interface behavior of cellulase on the pretreated lignocellulose, and the accessibility of cellulase to cellulose were discussed deeply. The chemical groups properties of Span derivatives-liked nonionic surfactants which enhance the enzymatic digestion of lignocellulose will be expounded. This project will give impetus to the theoretic research on the relationship between the nonionic surfactants and high performance enzymatic hydrolysis of lignocellulose, and provide a theoretic instruction for preparing a more inexpensive and efficient promoter for enzymatic digestion of lignocellulose.

酶水解成本高是纤维乙醇技术实现产业化的主要瓶颈之一。添加非离子表面活性剂能提高酶解效率，减少酶用量，从而降低酶水解成本。申请人发现最适浓度的非离子表面活性剂能最大程度地提高木质纤维素酶解效率，然而对酶活力存在抑制。关于非离子表面活性剂促进木质纤维素高效酶解的机理尚未形成统一认识，从化学基团等微观尺度探讨非离子表面活性剂与木质纤维素高效酶解的关系的深入研究较少。本项目拟以非离子表面活性剂Span为起始物制备化学基团存在差异的系列衍生物，采用表面活性剂、酶学、界面化学和纤维乙醇等领域的分析技术，探讨Span衍生物的物理化学特性对纤维素酶、酶在经预处理的木质纤维素界面行为和纤维素可及性的影响，揭示具有高效酶解促进作用的Span衍生物类非离子表面活性剂的化学基团特性，为加深非离子表面活性剂与木质纤维素高效酶解关系的理论研究提供参考，为制备廉价高效的酶解促进剂提供理论指导。

木质纤维素如农作物秸秆、林业废弃物等的高效酶解糖化是实现其规模化生产生物燃料、生化产品等的关键过程。非离子表面活性剂能高效促进预处理木质纤维素的酶解糖化效率已成为共识，但是关于非离子表面活性剂的酶解促进机制仍然存在较多的争议。在众多理论中，非离子表面活性剂屏蔽木质素对纤维素酶的吸附使参与酶解的有效酶量增加是认可度比较高的酶解促进机制。本项目选取Span衍生物即Tween系列非离子表面活性剂为研究对象，考察了非离子表面活性剂的理化特性对纤维素酶稳定性、纤维素酶酶活、纤维素酶吸附等的影响，发现：（1）油包水型（O/W）Span衍生物如Span系列由于在水中的溶解性较低，对木质纤维素酶解的促进效果不明显，水包油型（W/O）Span衍生物如Tween系列非离子表面活性剂能高效促进木质纤维素的酶解，其促进效果与表面活性剂的碳链长度、碳链数量和聚合度关系不大；（2）在酶解过程中，Tween能够使纤维素酶维持较高的酶活力，碳链长度和聚合度的变化对酶活力的影响较小，碳链数量的变化对纤维素酶的β-葡萄糖苷酶酶活、外切葡聚糖酶酶活、滤纸酶活的影响较小，但是对内切葡聚糖酶酶活有较大的影响；（3）Tween虽然能够维持纤维素酶的活力，但不是其促进木质纤维素酶解的主要原因，Tween能促进木质素和木质纤维素对纤维素酶的吸附，其原因很可能是Tween降低了反应体系的表面张力和固液界面能，使得纤维素酶能顺利地通过木质纤维素中的孔道与纤维素接触，大孔较多的木质纤维素，非离子表面活性剂对其酶解的促进效果不显著，小孔较多的木质纤维素，非离子表面活性剂对其酶解促进效果较显著，可能是因为纤维素酶经大孔与纤维素接触受表面张力影响较小，而经小孔与纤维素接触受表面张力影响较大，大孔和小孔的数量分别取决于木质素和半纤维素的去除效果。通过本项目的研究，打破了原有理论认识，形成了自己的一套理论体系。