论文摘要
木质纤维素原料复杂的结构抗性,极大地限制了纤维质乙醇的转化效率。虽然环境友好、低能耗的白腐菌生物预处理技术可降低原料酶解抗性屏障,增强乙醇转化效率,极具应用前景。但是,预处理效率仍有待提高,白腐菌预处理如何促进酶解反应的机制也亟待深入解析。因此,本论文以新型预处理菌株乳白耙菌（Irpex lacteus）为研究对象,通过研究预处理过程中的关键影响因素,建立了简单高效的生物预处理玉米秸秆转化乙醇新技术,并明晰关键因子Mn2+对生物预处理的影响机理；在此基础上,进一步利用分子结构表征技术,从木质素结构、木质纤维素结构及其与纤维素酶相互作用等方面研究了关键因子Mn2+添加前后产生的结构及反应差异,揭示了生物高效预处理技术如何通过降低木质纤维素结构抗性促进酶解反应的作用机制。系统研究了环境及添加因子对乳白耙菌预处理的影响,发现Mn2+是促进乳白耙菌生物预处理效率的关键因子,由此建立了简单高效的白腐菌生物预处理秸秆转化乙醇新技术：即在玉米秸秆中添加0.01mM/g MnSO4进行生物预处理28天后,葡萄糖产量达到308.98mg/g秸秆,乙醇产量达到144.03mg/g秸秆,为当前同类研究的最高水平。对不同预处理条件下的玉米秸秆组分变化、酶反应性和乙醇转化的相关性研究表明,预处理后木质素组分的变化与秸秆酶解增效密切相关。乳白耙菌产酶特性和及其降解木质素结构类似物的研究结果表明,锰过氧化物酶（Manganese Peroxidase, MnP）在生物高效降解和改性木质素过程中起关键作用。Mn2+一方面提高乳白耙菌胞外MnP的催化活性,另一方面增强处理过程中乳白耙菌产生自由基的能力,超氧阴离子自由基较单独生物培养体系提高3.25倍,从而促进对木质素的选择性生物改性。利用红外光谱、核磁共振、热裂解气质联用等表征手段,对添加Mn2+和未添加Mn2+预处理条件下生物改性木质素结构进行差异性分析。结果表明,β-0-4醚键、羟基、甲氧基、苯环等木质素关键结构的生物改性与乳白耙菌预处理酶解增效密切相关。Mn2+促进了预处理过程中木质素关键结构的生物改性,较未添加Mn2+预处理,β-O-4醚键的含量降低50%左右,羟基、甲氧基含量进一步降低,紫丁香基与愈创木基含量降低30%以上,从而导致木质素大分子显著解聚,木质素苯环侧链的修饰增强,进而促进木质素苯环的断裂,使木质素网状结构解体。进一步研究木质素生物改性、秸秆基质理化性质和基质与酶相互作用规律之间的关联。结果表明,乳白耙菌预处理使玉米秸秆比表面积增加49.51%,亲水性增加,从而降低纤维素酶解的空间位阻。而在添加Mn2+的高效生物预处理过程中,乳白耙菌通过木质素关键结构生物改性的增强,进一步破坏木质素大分子的网状结构；较未添加Mn2+体系,高效生物改性后的玉米秸秆在15-30nmm、60-100nm范围内孔径分布增多,亲水性进一步增加,进而导致木质纤维素—纤维素酶的吸附率增加了15.38%。添加Mn2+的高效生物预处理使改性后的玉米秸秆近乎完全解除酶解的抗性屏障,实现生物改性秸秆的高效酶解和乙醇转化。本论文从白腐菌预处理玉米秸秆酶解增效现象出发,以关键性因子为媒介,通过差异性分析,明晰玉米秸秆结构生物改性与酶解增效的关键靶点。不仅建立简单高效的生物预处理体系,更为提升酶解糖化效率提供结构上的关键改性位点。阐明木质纤维素酶解抗性的关键性因素,明确木质素关键结构改性与酶解增效之间的关系,为构建人工改性木质素增强底物转化效率提供理论基础。