Fe-Ce的协同效应促进了电子向催化剂表面的迁移，从而在低浓度甲烷燃烧过程中加速了氧的循环利用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：The Fe-Ce synergistic effect drives electron migration to the catalyst surface to promote oxygen cycling in low-concentration methane combustion

抑制性化合物通过形成伪木质素阻碍酶解，研究显示组氨酸（His）及天冬氨酸（Asp）、谷氨酸（Glu）、赖氨酸（Arg）等带电氨基酸可显著提升葡萄糖产率至60%以上，降低伪木质素含量35.7%-21-25%。His通过静电作用、氢键及π-π堆积等协同作用实现最佳抑制去除效率（91.2%），其高解离常数（69.18）和负自由能（-11.4）增强酶抑制复合物稳定性。

　　本研究聚焦于在木质纤维素生物质（lignocellulosic biomass, LCB）酸性预处理过程中产生的抑制性化合物对酶解效率的影响，并探讨了不同氨基酸如何通过改善酶对这些抑制物的耐受性来提升转化效率。木质纤维素生物质作为一种可再生资源，因其丰富的储量和可降解性，在生物燃料和生物化学品的生产中具有重要地位。然而，在预处理过程中，由于酸性条件的作用，木质素和碳水化合物会生成多种抑制性物质，这些物质会干扰酶的活性，从而降低糖化效率，影响后续的发酵过程。因此，如何有效应对这些抑制物，成为提高木质纤维素转化效率的关键问题之一。

在当前的生物炼制工艺中，酸性预处理是一种广泛应用的技术，其优势在于能够高效地分解木质纤维素结构，提高酶对纤维素的可及性。然而，这种预处理方式也伴随着一系列问题，尤其是抑制性化合物的生成。这些化合物包括由碳水化合物衍生的呋喃醛（furfural, FF）和羟甲基糠醛（hydroxymethylfurfural, HMF），以及由木质素产生的酚类化合物。这些物质不仅会影响酶的活性，还可能通过形成伪木质素（pseudo-lignin）来进一步阻碍酶的渗透和作用。伪木质素是一种无定形且结构复杂的物质，主要由芳香族和脂肪族结构组成，它会在生物质表面沉积，形成一层阻碍酶接近纤维素的屏障，从而显著降低糖化效率。

为了克服这些挑战，研究者们尝试了多种方法，包括物理清洗、化学处理和生物方法，以去除或中和这些抑制性化合物。然而，这些方法往往伴随着较高的操作成本、糖分损失或工艺复杂度的增加，限制了其在工业化应用中的可行性。因此，开发具有天然抗抑制能力的酶成为一种更为理想的解决方案。通过基因工程或定向进化，可以对（半）纤维素酶进行改造，使其在抑制性环境中仍能保持较高的活性。这一方向的研究不仅有助于提高生物质转化效率，还能降低对昂贵脱毒步骤的依赖，从而提升整个生物炼制过程的经济性和可持续性。

本研究的核心在于分析不同氨基酸对抑制性化合物的中和作用，特别是组氨酸（histidine, His）的显著效果。氨基酸作为蛋白质的基本组成单位，其理化性质在决定其与抑制物相互作用方面起着关键作用。研究选择了具有不同电荷性质和极性的氨基酸，包括带正电的组氨酸和精氨酸（arginine, Arg），带负电的天冬氨酸（aspartic acid, Asp）和谷氨酸（glutamic acid, Glu），疏水性的亮氨酸（leucine, Leu）和苯丙氨酸（phenylalanine, Phe），以及中性极性的丝氨酸（serine, Ser）和半胱氨酸（cysteine, Cys）。这些氨基酸的选择基于其在分子结构和相互作用机制上的多样性，以期揭示其对酶解效率的影响。

实验结果表明，带电荷的氨基酸在提高葡萄糖产量方面表现最为突出。在48小时的酶解过程中，添加这些氨基酸的样品葡萄糖产量超过了60%，而对照组仅达到46.7%。这一结果表明，带电荷的氨基酸能够有效减少抑制物对酶活性的干扰，从而提高糖化效率。同时，这些氨基酸还显著降低了木质素含量，将原本35.7%的木质素含量降至21%至25%之间。这说明它们不仅能够中和抑制物，还能促进木质素的分解，进而提高酶对纤维素的可及性。

其中，组氨酸表现出最高的抑制物去除效率，达到了91.2%，其次是天冬氨酸（88.4%）、谷氨酸（86.9%）和精氨酸（86.5%）。这一结果的出现与组氨酸独特的咪唑侧链有关。咪唑环具有可调节的pKa值，使其能够在不同的pH条件下保持其电荷状态，从而能够与多种类型的抑制物形成协同作用。通过深入的体外实验和计算机模拟，研究者发现组氨酸能够通过静电相互作用、氢键作用、π-π堆积和范德华力等多种方式与抑制物相互作用，这些相互作用共同促进了组氨酸与抑制物之间的高效结合，从而增强了其对酶的保护作用。

在实验过程中，研究采用了多种技术手段来评估氨基酸对抑制物的中和效果。例如，通过气相色谱-质谱联用技术（gas chromatography/mass spectrometry, GC/MS）监测预处理液中抑制物浓度的变化，从而判断氨基酸是否能够有效降低其含量。此外，还利用荧光光谱、表面等离子体共振（surface plasmon resonance, SPR）和基于密度泛函理论（density functional theory, DFT）的分子模拟技术，分析了抑制物与氨基酸之间的相互作用机制和结合位点。这些技术手段不仅提供了对分子层面相互作用的深入理解，还为未来设计具有抗抑制能力的酶提供了理论支持。

在实际应用中，组氨酸的引入不仅可以提高糖化效率，还能降低对脱毒步骤的依赖，从而节省成本并提高工艺的可持续性。研究结果表明，组氨酸在提高酶稳定性方面具有显著优势，其结合常数（K?）达到69.18，自由能变化（ΔG）为-11.4，显示出较强的结合能力。这些参数反映了组氨酸与抑制物之间形成的稳定复合物，表明其在酶解过程中能够有效中和抑制物，提高酶的活性和效率。

除了组氨酸，其他带电荷的氨基酸也表现出一定的抗抑制能力。天冬氨酸和谷氨酸通过静电相互作用与抑制物结合，而精氨酸则可能通过氢键和范德华力发挥作用。这些氨基酸虽然在抑制物去除效率上略逊于组氨酸，但它们的协同作用仍然值得关注。例如，在某些情况下，多种氨基酸的联合使用可能会产生更显著的抗抑制效果，从而进一步优化酶的性能。

此外，研究还探讨了氨基酸对生物质理化性质的影响。例如，通过测量氮含量、接触角和ζ电位等参数，评估了氨基酸对生物质表面性质的改变。这些参数的变化可能与氨基酸对生物质表面的吸附或改性有关，从而影响酶的接触和催化效率。研究发现，某些氨基酸能够通过改变生物质表面的电荷状态或亲水性，提高其对酶的可及性，从而间接提升糖化效率。

在工业应用方面，这些发现具有重要的指导意义。首先，它们为开发新型（半）纤维素酶提供了理论依据，使得酶在抑制性环境中仍能保持较高的活性。其次，这些氨基酸的引入可能减少对脱毒步骤的依赖，从而降低生产成本并提高工艺的经济性。最后，它们还为优化预处理条件提供了新的思路，例如通过调整预处理过程中氨基酸的添加量，可以进一步改善生物质的理化性质，提高酶解效率。

总体而言，本研究揭示了不同氨基酸在应对木质纤维素预处理过程中产生的抑制性化合物方面的潜力，特别是组氨酸在提升酶稳定性、降低抑制物浓度和改善生物质理化性质方面的显著作用。这些发现不仅为酶的工程化改造提供了新的方向，也为推动可持续生物炼制技术的发展奠定了基础。未来的研究可以进一步探索这些氨基酸在不同预处理条件下的表现，以及它们与其他酶或催化剂的协同作用，以期开发出更加高效和经济的生物质转化方案。