温度响应型磺基甜菜碱共聚物的合成及其在纤维素酶回收中的应用

作     者：李豪豪 

作者单位：浙江理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张秀梅;李飞云

授予年度：2023年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：酶解 纤维素酶 UCST响应 磺基甜菜碱 木质纤维素 

摘      要：酶解是木质纤维素糖平台技术的重要步骤,酶解效率低、酶解成本高是其产业化必须要解决的关键瓶颈。本论文提出合成具有最高临界溶解温度(upper critical solution temperature,UCST)响应的磺基甜菜碱共聚物,并利用其回收循环利用纤维素酶和强化木质纤维素酶解,实现高效低成本酶解的新思路。针对UCST响应型磺基甜菜碱均聚物(PSPE)强化木质纤维素酶解效果不显著的问题,论文以磺基甜菜碱(SPE)和异戊烯醇聚氧乙烯醚(TPEG)为单体,采用水溶液自由基聚合法合成具有不同组成与分子量的UCST响应型磺基甜菜碱二元共聚物P(TPEG-co-SPE)(PPSP),并探讨PPSP用量、分子量和组成等因素对其UCST响应性、强化酶解及其回收纤维素酶性能的影响规律。结果表明,共聚物中两单体结构单元基本一致时,高分子量PPSP的UCST响应、强化酶解、回收酶性能更显著。比如,在25～50℃响应温度范围内,分子量最高的PPSP-3,其浓度为0.5 g/L时,自回收率为75.1%;同浓度下可提高玉米芯残渣(CCR)酶解效率1.3倍,节约20%的纤维素酶用量;在0.2 g/L的纤维素酶缓冲体系中,0.1 g/L的PPSP-3可回收25.9%的酶蛋白。这归因于,高分子量的PPSP分子链更长、同时疏水性更大,酶解时吸附在木质素上更易形成空间位阻而减少酶的无效吸附强化酶解,酶解后降温时更易和酶疏水聚沉。共聚物分子量基本一致时,共聚物中TPEG结构单元摩尔占比高,其UCST响应性能愈不敏感、强化酶解性能愈显著、回收酶性能愈不显著。比如,TPEG结构单元摩尔占比最高的PPSP-3,其浓度为0.3 g/L时,可提高CCR酶解效率1.3倍。这归因于高TPEG占比的PPSP亲水性更大,酶解时吸附在木质素上更易形成亲水性的水化膜减少酶无效吸附强化酶解,酶解后降温时与酶的疏水结合弱。综上,共聚物中TPEG结构单元的引入,有利提高酶解强化效果,但会削弱共聚物的UCST响应敏感性及其回收酶性能。然后,本论文针对PPSP的UCST响应性能不显著及其回收酶回收性能不显著的问题,以对苯乙烯磺酸钠(SSS)和SPE为单体,通过水溶液自由基聚合法成功合成具有UCST响应的系列磺基甜菜碱二元共聚物P(SSS-co-SPE)(PSSP),并探讨PSSP组成、分子量、用量等因素对其UCST响应性、强化酶解及其回收纤维素酶性能的影响规律。结果表明,共聚物中两单体结构单元基本一致时,高分子量PSSP的UCST响应、强化酶解、回收酶性能同样更显著。比如,在25～50℃响应温度范围内,分子量最高的PSSP-3,其浓度为10.0 g/L时,自回收率为96.5%;同浓度下可提高CCR酶解效率1.36倍,节约50%的纤维素酶用量;在0.2 g/L的纤维素酶缓冲体系中,4.0 g/L的PSSP-3可回收56.0%的酶蛋白。共聚物分子量基本一致时,共聚物中SSS结构单元摩尔占比高,其UCST响应性能愈不敏感、强化酶解性能愈显著、回收酶性能愈不显著。比如,SSS结构单元摩尔占比最高的PSSP-3,其浓度为10.0 g/L时,可提高CCR酶解效率1.44倍。这归因于高SSS占比共聚物的磺基更多,亲水性更大,酶解时吸附在木质素上更易形成亲水性的水化膜减少酶无效吸附强化酶解,酶解后降温时与酶的疏水结合弱。综上,共聚物PSSP中SSS结构单元的引入,同样可提高共聚物酶解强化效果,并提高其UCST响应及其回收酶性能。论文合成系列可强化木质纤维素酶解的UCST响应型磺基甜菜碱共聚物,并利用其回收循环利用纤维素酶,达到减少酶用量、降低酶解成本的目的,为木质纤维素糖平台技术产业化提高理论指导和技术支撑。