纤维素酶在纤维细胞壁的传质机制及酶解过程解析

Mass transfer of cellulase from bulk solution to fiber cell wall, forming cellulose-cellulase interaction is a prerequisite step for glycosidic bond cleavage during enzymatic hydrolysis. Interfacial transfer resistance of cellulase onto cellulose was caused by these limitations including: (1) fiber morphology; (2) ultra-structure and chemical composition of fiber cell wall; (3) enzymatic hydrolysis process parameters; (4) a combination of these factors. In-depth understanding of cellulase penetration mechanism is still lacking. In order to understand the root causes of biomas recalcitrance, cellulase diffusion, adsorption and penetration onto fiber cell wall will be in-situ monitored using FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching) or IGS (Immuno-Gold Staining) by state-of-the-art microscopy techniques. The effects of lignin and hemicellulose removal, coalescence and redistribution through cell wall in the level of fiber morphology, supramolecular and molecular chain on cellulase transfer will be investigated. The dynamic cellulose accessibility to cellulase (DCAC) will be determined. The effects of enzyme hydrolysis parameters such as substrate consistency and shearing force on cellulase transfer will be evaluated. A quantitative diffusion and penetration model will be developped to describe cellulase transport process and to provide fundamental understanding of its effects on substrate enzyme digestiblity. The goal of this study is to establish a robust standard procedure to evaluate biomass recalcitrance and to lay the foundation for developing effective pretreatment strategies. New strategies will be proposed to increase the nanoscale tunnels for cellulase transportation and to overcome biomass recalcitrance. This fundamental study is meant to provide specific guidance for saccharification and make way for biofuel industry.

纤维素酶在纤维细胞壁的传质是解析木质纤维素底物酶解糖化过程的关键。已有研究表明影响纤维素酶传质的主要因素包括：(1)纤维形态；(2)细胞壁化学成分与微观结构；(3)酶解过程参数；(4)以上各种因素的综合作用。但我们仍然缺乏对纤维素酶传质机制系统与深入的认识。本项目拟采用光脱色恢复技术和免疫金抗体技术，借助多种显微成像技术，实时在线检测纤维素酶在纤维细胞壁上的吸附、扩散和渗透过程，动态地测定底物中纤维素对纤维素酶的可及性，在纤维形态、超分子结构及链结构层次研究木素、半纤维素及其空间结构对纤维素酶传质的影响；在此基础上，揭示木素、纤维素、半纤维素与纤维素酶的作用机制，建立量化评价木质纤维素底物抗降解性的新方法，阐明酶解过程参数对纤维素酶传质的影响规律，提出高效增加纤维素酶传质通道的新途径。本项目研究成果可为破除木质纤维素天然抗降解屏障，提高底物酶解效率提供理论指导和技术支持。

项目背景：纤维素酶在纤维细胞壁的传质是解析木质纤维素底物酶解糖化过程的关键。已有研究表明影响纤维素酶传质的主要因素包括：(1)纤维形态；(2)细胞壁化学成分与微观结构；(3)酶解过程参数；(4)以上各种因素的综合作用。但我们仍然缺乏对纤维素酶传质机制系统与深入的认识。.主要研究内容：本项目以农业废弃物秸秆为原料，采用亚硫酸盐及低温氢氧化钠/尿素等预处理方法，探索了纤维细胞壁在不同预处理体系下的破坏机制，研究了木素、半纤维素溶出对酶解的影响，阐明了预处理过程中木质纤维素底物抗降解屏障的破除过程，建立了评价底物顽抗性的新方法，研究了纤维素酶在木质纤维素底物上的吸附、脱附等传质机制，测定了底物中纤维素可及性，提出了增加纤维素酶对纤维素可及性的新方法。.重要结果及关键数据：纤维素酶对纤维素的可及性是制约着酶解效率的重要参数。90%以上的酶解效率是由木质纤维素底物中纤维素酶可及孔洞吸附纤维素酶，进而酶解贡献的；木质纤维素底物表面积对酶解效率的贡献率不足10%。木质纤维素吸附的纤维素酶的量与底物中纤维素的可及性呈线性关系。增加洗脱温度或者提高pH可以促进纤维素酶从底物上脱附，有利于提高纤维素酶结合的可逆性和纤维素酶的可回收率。通过三年的努力探索和深入研究，在国内外本专业期刊发表学术论11篇，其中SCI收录6篇，发表会议论文2篇。申请发明专利3件，其中授权专利1件。项目负责人发表的相关论文被评为“TAPPI Journal Best Research Paper from 2015”。另外，在项目执行期间，项目负责人晋升为副研究员，并入选“江苏大学青年骨干教师培养工程”。在此期间，指导研究生两名，其中一名研究生获得国家奖学金及校长奖学金；协助培养研究生多名。.科学意义：本项目较为系统地研究了纤维素酶在纤维细胞壁的吸附、脱附过程，探讨了纤维素酶循环利用的可行性，阐明了纤维素可及性对酶解影响，为生物质能源的产业化提供理论与技术支持，项目成果可为农林废弃物的高值化利用提供科学依据。