木聚糖对酶水解木质纤维材料中纤维素的影响及作用机制

Enzymatic hydrolysis is one of the key bottlenecks for bioethanol commercialization. Efficient enzymatic hydrolysis can improve hydrolysis yield, reduce enzyme dosage and decrease enzyme cost in the saccharification of lignocellulosic materials. In the process of enzymatic hydrolysis of lignocellulosic materials, the access of cellulases to cellulose surface is limited by xylan, which are found in close association with cellulose fibrils, as well as lignin, and to some extent cover the fiber surfaces. In this project, solubilization of xylan in substrates by hemicellulases will be investigated. The effect of xylan on cellulose hydrolysis will also be studied. The mechanism of the inhibition of cellulose hydrolysis by xylan and its hydrolysate and the methods to reducing the inhibition will also be investigated. The aim of this project is to provide theoretical guidance to efficient hydrolysis of lignocellulosic materials with high hydrolysis yield and low enzyme dosage. The results of the project will establish the important theoretical foundation for the bioconversion of lignocellulosic materials into fermentable sugars.

酶成本高和水解效率低是制约生物乙醇商业化生产的关键因素之一，木质纤维材料的高效酶水解技术是提高水解得率、减少酶使用量和降低酶成本的重要措施。在纤维素酶水解木质纤维材料过程中，底物中的木聚糖会覆盖在微纤丝表面并与其形成氢键，降低了纤维素酶对纤维素的可及性。本项目以底物中木聚糖的水解溶出为切入点，研究木聚糖对纤维素水解的影响，研究木聚糖水解产物抑制纤维素水解的机制，探讨缓解木聚糖及其水解产物抑制纤维素水解的有效措施，以期获得水解得率高、酶制剂使用量少的高效酶水解技术，本项目的预期研究成果将为不同来源的木质纤维材料高效、低成本转化为可发酵糖奠定理论基础。

为了探讨木质纤维材料中木聚糖的存在对纤维素水解的影响，本项目研究了各种低聚木糖对纤维素的吸附规律，对纤维素酶各组分活性的抑制机制，及缓解木聚糖及其水解产物抑制作用的有效措施。研究结果表明，木聚糖吸附Avicel后，纤维素酶水解效率明显降低。木聚糖对纤维素底物的吸附随着添加量的增加而增强，不同结构木聚糖对纤维素底物的吸附特性不相同，燕麦木聚糖（OSX）的吸附量比其它木聚糖高，榉木木聚糖（BWX）和OSX对Avicel的吸附作用都符合朗缪尔吸附等温线模型。BWX对纤维素的吸附作用随离子强度增强而增强。添加木聚糖酶能够水解吸附在纤维素表面的木聚糖。. .为深入探讨木聚糖对木质纤维素材料水解的抑制，本项目对三种不同木聚糖含量玉米秸秆的纤维素酶和木聚糖酶水解特性进行了研究，结果发现葡萄糖得率随着木糖得率的增加而线性增加（R2＞0.94）。由于玉米秸秆CS-H中木聚糖含量最低（2.0%），且具有最高的纤维素/木聚糖之比（20.8），故该底物中木聚糖覆盖了较低比例的纤维素微纤丝表面，导致纤维素酶和木聚糖酶水解CS-H时的协同因子最小。在水解玉米秸秆时，纤维素的水解溶出促进了木聚糖的水解。当以生成木糖的时协同因子来进行评价时，CS-H产生木糖的协同因子最高，而底物CS-L中木聚糖含量最低（4.8%），具有最高的木聚糖/纤维素之比（0.11），因而产生木糖的协同因子最低。这表明木聚糖同样部分被纤维素所覆盖，纤维素酶通过水解纤维素能提高木聚糖酶对木聚糖的可及性。..木聚糖及其水解产物对外切葡聚糖酶（CBHI）具有较强抑制作用，对CBHII也有抑制作用。低聚木糖对CBHII的抑制作用随着其链长的增加而增强，单糖对纤维素酶水解的抑制作用最弱。而添加木聚糖酶和木糖苷酶可以缓解底物中木聚糖的抑制作用，减少木聚糖对关键纤维素酶组分CBHI和CBHII的抑制，从而提高酶水解效率。..在本项目通过研究添加木聚糖酶和木糖苷酶缓解木聚糖及水解产物的抑制作用，减少了木聚糖对关键纤维素酶组分CBHI和CBHII的抑制，获得了水解得率高的酶水解关键技术。