木质素的亲/疏水性对木质素-纤维素酶相互作用的影响开题报告

 2021-08-08 12:08

1. 研究目的与意义

前期研究显示木质素与纤维素酶之间存在一定的相互作用,这种相互作用与木质素的种类和结构有关,并且最终影响木质纤维素酶水解糖化效率。此外,木质素会吸附纤维素酶,大大的降低纤维素酶的利用率。因此本课题借助QCM技术实时、原位地观察不同木质素对纤维素酶的吸附与解吸作用,建立吸附与解吸动力学模型。研究成果有望解译木质素对纤维素酶的非生产性吸附的作用机制,为通过木质素结构调控提高含木质素底物的酶水解效率提供解决方案。

2. 国内外研究现状分析

在木质素这一大家族的研究领域中,木质素与纤维素酶之间的相互作用是一个重要的研究方向,有许多研究人员在近几年进行了大量的有效且普适化的研究,且有一些成熟的技术已经应用到了实际中。比如现在已经有多种原位、实时的纤维素酶吸附解吸以及催化行为的监测分析方法,例如Quirk Ai等用原子力显微镜(AFM)直接观察源于细菌纤维素的天然纤维素薄膜在酶溶液中的水解成像;Thomas Ganner等利用AFM表征了纤维素酶的分解;Liu等通过原位紫外(UV-vis)分光光度法,监测内切葡聚糖酶在纯纤维素和经亚硫酸盐预处理的白杨底物上的吸附动力学;Maurer等用椭偏仪测定了纤维素表面的纤维素酶吸附和酶水解;Tham Y Y等研究发现在25℃时,胶质物在纤维素酶表面有两相吸附作用,开始时吸附速度很快随后变慢,而在50℃时吸附相仅有一相。Thomas Ganner等利用原子力显微镜(AFM)表征了纤维素酶的降解,并介绍了一种半晶态的纤维素薄膜嵌入非晶形纤维素的方式。Antonio Pereira等用电声和光学传感器研究木质素膜的成分以及与酶结合的影响;Cheng等用中子反射计(NR)记录了无定型纤维素在内切葡聚糖酶作用下的溶解过程;Suchy等用石英晶体微分析天平(QCM)测定了无定型纤维素膜的水解;Ma等用表面等离子共振(SPR)研究了外切葡萄糖苷酶(CBH I)产生不可逆吸附时对纤维素酶水解速率变化的影响;Ding等用激光共聚焦显微镜(CLSM)观察了纤维素酶(绿色荧光蛋白标记的CBM I)吸附到细胞壁上的动态过程。本实验主要用石英晶体微天平(QCM)测定亲疏水性不同的木质素对于纤维素酶吸附的影响。

3. 研究的基本内容与计划

亲疏水性不同的木质素与纤维素酶的结合效果不尽相同,为了制定有效并且实施性较强的实验方案,本文应用QCM(石英晶体微天平)观察木质素与纤维素酶之间的吸附与解吸行为。以硫酸盐木质素(疏水性木质素)和磺化木质素(亲水性木质素)为原料,复配不同比例(即不同亲/疏水性)的木质素混合物,经有机溶剂或水溶解过滤后,利用旋涂法制备生物传感器,用石英晶体微天平(QCM)实时、原位观察纤维素酶在传感器上的吸附与解吸行为,比较木质素的亲/疏水性对其与纤维素酶吸附与解吸的影响,建立动力学方程,提出木质素与纤维素酶非生产性吸附的构-效机制。

研究计划

1.20181201-20181231确定选题;

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4. 研究创新点

早先对于木质纤维原料和纤维素酶体系的研究中,主要关注了底物在酶水解过程中还原糖得率的变化,多数研究仍停留在对于底物性质、酶用量和酶水解糖得率之间的相互影响的分析,因为受到条件的限制,不能够动态监测水解过程,更加无法原位、实时的探究酶水解时木质素对酶的吸附与解吸,传统的分析方法无法推动现有的研究进程。因此,本试验借助QCM(石英晶体微天平)这一具有原位、实时的监测手段,在线的分析酶水解的动态过程,以便更好地阐明酶的吸附解吸原理,建立更加精准的动力学方程,为研究木质素对于酶的动力学行为提供更加有力的科学依据。

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