《竹木質素表面生物改性在酶解增效中的作用及機理研究》是依託華中科技大學，由余洪波擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：竹木質素表面生物改性在酶解增效中的作用及機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：余洪波
- 依託單位：華中科技大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
資源豐富的竹類植物作為生物煉製原料具有巨大的潛在優勢，環境友好、低能耗的白腐菌生物處理技術是增強竹酶解、提高生物基產品轉化率的有效途徑，但其增效酶解的作用機制並不十分清楚。木質素的表面生物改性有可能在酶解增效中發揮重要作用。據此，本項目以能顯著增效毛竹酶解的特色白腐菌Echinodontium taxodii為研究對象，以木質素對纖維素酶的吸附性能為研究切入點，明確木質素對酶的不可逆吸附與毛竹酶解之間的關係，在此基礎上，利用表面科學的技術方法研究生物處理對酶蛋白在木質素表面吸附行為的影響，從木質素表面電荷、親/疏水性能、微觀物理結構和化學結構等方面揭示木質素表面改性對酶吸附性能的影響機理，闡明生物改性在酶解增效中的作用機制，進而探究白腐菌改性木質素表面性質的主要生物機制。本研究將為進一步增強白腐菌處理效率提供新的研究思路和理論指導，對竹生物煉製的深度研發具有重大理論意義和套用價值。
結題摘要
資源豐富的竹類植物作為生物煉製原料具有巨大的潛在優勢，環境友好、低能耗的白腐菌生物處理技術是增強竹酶解、提高生物基產品轉化率的有效途徑，但其增效酶解的作用機制並不十分清楚。本項目利用特色白腐菌Echinodontium taxodii，建立可用於毛竹生物煉製的新型環境友好的生物預處理體系，並以酶—溫和酸解木質素為對象，研究生物改性後木質素對纖維素酶的空間位阻和不可逆吸附的影響及其在酶解增效中的作用，從木質素化學結構和表面性質等方面揭示生物改性在增效酶解中的作用機制，並探究參與木質素改性的主要生物機制。 首先，利用E.taxodii建立了可用於毛竹煉製的新型環境友好生物預處理技術，葡萄糖產率達到229.3 mg/g，乙醇轉化率最高達到95 mg/g，達到毛竹生物預處理研究的最高水平，並發現生物處理通過延緩水解過程中反應速率的急劇下降，從而提高水解效率。生物處理後木質素對纖維素酶空間位阻的解除和不可逆吸附的降低可能是反應速率下降趨勢減緩的原因。 其次，利用酶—溫和酸解木質素（EMAL）研究纖維素酶—木質素不可逆吸附作用,獲得與傳統觀點相反的結論：生物改性增強了木質素與纖維素酶的不可逆吸附作用，但其吸附量僅占總酶量7%以下，不影響酶解，而木質素生物改性後導致纖維素酶反應空間位阻的解除是酶解增效的主要因素。進一步表征木質素結構發現，E.taxodii斷裂毛竹木質素β-O-4以及5-5’等連鍵，脫除甲氧基，部分苯環開環，改性木質素分子量顯著降低，導致木質纖維素孔體積顯著增加，從而使纖維素酶蛋白更易穿過木質素屏障，克了木質素空間位阻。此外，木質素表面性質研究揭示，生物改性後，毛竹木質素表面自由能酸鹼分量降低、表面疏水性增強是纖維素酶—木質素不可逆吸附增加的主要因素。 最後，分離獲得E. taxodii降解木質素的關鍵酶—漆酶，利用體外降解木質素和模型化合物試驗揭示木質素改性的生物機制。結果發現，該酶為典型藍色漆酶，其pH和溫度穩定性較強，優先降解酚型結構單元，而對非酚型結構的降解是通過生成羥基中間體，進而氧化開環的結果。此外，漆酶也是脫除甲氧基和β-O-4醚鍵斷裂的主要因素。 本研究首次揭示了毛竹化學結構和表面生物改性在酶解增效中的作用機制，將為進一步增強白腐菌處理效率提供新的研究思路和理論指導，對竹生物煉製的深度研發具有重大理論意義和套用價值。
