重離子輻照預處理木質纖維素提高酶水解產率及其機理

　　生物質是地球上分布最廣泛的可再生能源之一，在替代傳統的化石燃料、緩解能源危機、解決環境污染等方面發揮著不可替代的作用。其中，木質纖維素作為一類蘊藏量最豐富的生物質資源，主要由纖維素、半纖維素、木質素組成，纖維素和部分半纖維素可經纖維素酶分解轉化為可發酵糖，生產燃料乙醇及其他高附加值的產品。由于木質纖維素結構中存在“生物質抗降解屏障”，致使酶解轉化效率低，成本高，難度大。因此，木質纖維素預處理工藝的開發已成為國內外生物質能領域的研究熱點。

　　近日，近代物理所生物物理室科研人員利用蘭州重離子加速器國家實驗室提供的實驗平臺，在12C6+輻照預處理甜高粱秸稈木質纖維素提高酶水解產率及其機理研究方面獲得新進展。

　　研究人員發現，12C6+輻照預處理能顯著提高甜高粱秸稈的酶解產率和還原糖產量，尤其是600Gy的12C6+輻照預處理組酶解產率最高，其酶解36h時還原糖產量和水解產率分別為7.23 mg/mL和34.43%，較對照（還原糖產量4.93 mg/mL，水解產率23.47%）提高了46.7%（圖1）；此外，研究人員對酶解產率提高的機理進行深入探究，XRD圖譜顯示不同劑量的重離子輻照預處理對甜高粱秸稈晶體結構造成不同破壞程度。從3429到3231 cm-1的FTIR可知重離子輻照處理使纖維素Iα中氫鍵斷裂逐步形成Iβ（圖2）。可視化的AFM圖像表明：甜高粱秸稈多糖表面超微結構的改變是重離子輻照預處理提高酶水解產率的主要原因（圖3）。

　　此項研究首次采用重離子束對甜高粱木質纖維素進行材料改性，從而破壞木質纖維素結構中的“生物質抗降解屏障”，并采用XRD, FTIR以及AFM進行了輻照預處理秸稈的表征和可視化分析，為重離子輻照機理的闡釋提供了詳實的數據支撐。同時，該研究表明重離子輻照技術可作為一種有效提高木質纖維素酶解產率的預處理手段，填補了一項在輻照預處理生物質材料領域中的空白。

　　該研究由近代物理所王曙陽副研究員課題組完成，許富強為本論文共同第一作者之一。相關研究結果發表在生物質能一區期刊Carbohydrate Polymer.

　　該研究得到國家自然科學基金項目及中國科學院重點項目的資助。

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2019.114976

圖1：重離子輻照前后甜高粱秸稈酶解結果

圖2：纖維素同質異形體(α→β)的轉化模型 (紅色箭頭表示重離子輻照預處理過程中斷裂的氫鍵)

圖3：酶水解過程中甜高粱秸稈表面超微結構的示蹤