摘要
面对使用化石能源带来的能源匮乏和环境污染等问题，木质纤维素生产生物乙醇是最具潜力的一种解决方案。但在生物乙醇制备过程中，木质纤维素酶水解易受到纤维素酶活性及本身组成等各种因素的影响，存在酶解效率低的问题。其中木质素结构中羧基、酚羟基等均为活性基团，很多研究针对这些特性对木质纤维素进行了改性预处理，不同的改性方法和木质素来源可能会对纤维素的酶解产生不同的影响。木质素在酶解中的作用机理是复杂的，并且研究更多停留在宏观试验上。为了更全面地探究改性木质素在纤维素酶解过程中的影响及机理，本研究以不同方法对木质素进行改性，从宏观试验和分子层次两方面，针对改性木质素与纤维素酶之间的关系、在木质纤维素和微晶纤维素酶水解过程的影响机理进行了探究。本研究的具体研究内容及结论如下： （1）木质素胺化改性对对甲苯磺酸预处理蔗渣酶水解的影响 首先以对甲苯磺酸（p-TsOH）预处理过程中提取的甘蔗渣木质素（BL）为原材料进行胺化改性得到了胺化木质素（ABL），并将两种木质素加入到p-TsOH预处理甘蔗渣（PCB）的酶解体系中，通过测定两种木质素的氢键、疏水性、Zeta电位差异，以及分子对接等手段探究了BL和ABL对PCB酶水解效率的影响，以及BL和ABL对纤维素酶吸附的差异。结果表明，添加ABL后PCB的酶解效率（73.82%）显著高于添加木质素前的45.83%和添加BL后的50.11%。通过进一步试验和分析，发现ABL的促进效果源于ABL对纤维二糖水解酶（CBHs）和内切葡聚糖酶（EGs）的酶活性的促进。通过分子对接结果分析，原因很可能是因为ABL通过与CBHs和EGs的底物结合位点或者催化残基结合，改变了酶构象进而促进了酶活性。另外，ABL对纤维素酶的吸附量（27.83mg蛋白质/g木质素）远大于BL（4.96mg蛋白质/g木质素），其原因在于与BL相比，ABL与纤维素酶之间存在着更强的氢键、疏水和静电相互作用，且对接结果表明ABL与酶之间的结合自由能更低。 （2）羧酸季铵盐化木质素和环氧化木质素对玉米秸秆酶水解的影响 以玉米秸秆进行p-TsOH预处理过程中得到的木质素CL作为原材料进行了环氧化和羧酸季铵盐化两种改性。比较发现，添加环氧化木质素（ECL）后p-TsOH预处理玉米秸秆（PCS）酶解效率从75.11%显著性降低至60.77%，而羧酸季铵盐化木质素（CQCL）却显著性提高至83.64%。首先就两者差异性比较了两种改性木质素与纤维素酶之间的作用关系，结果表明，CQCL因为与纤维素酶之间存在更小的疏水和静电作用，对纤维素酶的吸附量（10.82mg蛋白/g木质素）远小于ECL（20.15mg蛋白/g木质素）。通过分子动力学模拟分析发现，ECL和CQCL对酶（CBHs和EGs）催化关键残基区构象的改变有着明显不同，因此，ECL和CQCL的加入对PCS酶解产生了不同的影响。 （3）芬顿氧化木质素对微晶纤维素酶水解的影响机理 首先制备了蔗渣和玉米秸秆两种对甲苯磺酸预处理木质素（BL和CL），然后分别进行芬顿氧化改性，得到了两种芬顿氧化木质素FBL和FCL，结果表明，在2mg/mL的木质素添加量时，FBL的加入显著抑制微晶纤维素的酶水解效率（酶解效率低至41.36%），但FCL却可以显著促进微晶纤维素的酶水解效率（高达61.97%）。FBL显著抑制CTec2的纤维二糖水解酶CBHs的活性，而FCL显著促进CBHs的活性。通过分子动力学模拟，结果表明，FBL的加入减小了CBH活性通道入口环区之间的距离，最终导致环区面积和体积减小；FCL的加入则增加了环区面积和体积。较大的环面积和体积使纤维素底物更易于进入活性通道。因此，FBL抑制了CBHs酶活性，FCL促进了CBHs酶活性，从而导致了对微晶纤维素酶解效率影响差异。
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