摘要
生物质的资源化利用可减少不可再生资源的消耗，有效缓解环境问题和能源问题。纤维素作为生物质中占比最大的组分，其酶法转化利用是国内外研究的热点。目前，酶成本较高、复合酶的协同性差、以及木质素对纤维素酶的无效吸附等问题阻碍了生物质糖化。通过预处理，如离子液体（IL），使生物质结构瓦解可增强酶解效率。木质素和酶体系表面电荷的差异巨大，调节两者的表面电位将能够抑制两者间的无效结合，增强生物质糖化。本文将聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶微球（PNIPAM）作为固定化平台构建纤维素酶凝胶酶（P-C），主要研究内容与结果如下： 首先，制备表征了PNIPAM凝胶微球用于固定化纤维素酶，通过调节酶/PNIPAM（C/P）添加比，获得可控固定化率P-C，最大固定化率(IY)达到95.6%时的包封率为10.6%。经过红外和荧光光谱分析，发现酶物理吸附于PNIPAM中疏水区。Zeta电位值显示，不同固定化率P-C具有不同的Zeta电位。酶促动力学显示，P-C的Km远低于FC（55.55g/L和132.67g/L），表明P-C的纤维素亲和力高于FC。在酶解甘蔗渣（BC）时，FC的Vmax和Km值（107.89mg/h和114.62g/L）均比P-C（149.57mg/h和191.46g/L）低，说明固定化使BC组分对FC的竞争性抑制减少。 其次，探究了4种阴离子相同ILs([EMIM]OAc，[Ch]OAc，[TEA]OAc和[DEMA]OAc)增强生物质原位糖化的影响。在FC参与的甘蔗渣（BC）原位糖化中，10%（v/v）[EMIM]OAc组比空白对照的纤维素酶活性提高了81.8%，10%（v/v）[Ch]OAc提高了29.3%。P-C于10%[EMIM]OAc中6次重用后的相对活性依旧保持85.2%。此外，在3%[Ch]OAc+7%[EMIM]OAc协同预处理生物质体系中，P-C在原位糖化MCC与BC中的转化率分别比FC高19.8%和12.1%。三种单酶EG、BG和CBH在此体系中的失活动力学发现，P-C保持了更多的EG活性，失活率从kd=0.04286min-1降至kd=0.01817min-1，BG和CBH的最终残留活性比FC中分别高28.9%与29.3%。 最后，Langmuir等温吸附模型显示，FC对木质素亲和性和结合强度最高K=3.92L/g,R=0.319L/g，P-C对纤维素的亲和性K=1.19L/g，比对木质素高，K=0.34L/g，显示出更强的纤维素选择性。P-C与木质素的表面Zeta电位均显示出较大的负值，-29.3±6.1mV与-22.3±2.6mV，而FC与纤维素的Zeta电位几乎相同，-5.4±0.8mV与-5.7±1.3mV。结合Langmuir吸附规律和Zeta电位值分析，两者电荷值越相近亲和性越差，两者电荷值相距越远亲和性越好。未经ILs预处理底物与经过IL预处理底物的糖化中，酶电位值与产糖量之间分别表现出指数响应与线性关系。 本文研究为固定化酶催化反应中电荷影响的研究提供了技术支撑和理论依据。
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