能源植物芒草细胞壁结构组成与糖化发酵关系的研究

摘要

作为重要的化石燃料部分替代品，纤维乙醇具有资源丰富、可再生和清洁高效等特点，是一种重要的绿色能源。植物细胞壁的抗降解屏障使纤维乙醇的产业化发展受到转化工艺和生产成本等因素的制约。研究细胞壁结构特征并针对性地破解其抗降解屏障，能够提高生物质利用效率，促进纤维乙醇产业的发展。
　　本研究通过对芒草材料进行预处理、酶解和发酵实验，研究预处理液中副产物对糖醇转化的影响，并对细胞壁组分在芒草降解转化中的作用进行探讨。
　　通过对细胞壁组分差异明显的3组芒草材料进行酸碱预处理，并对预处理上清液中13种主要副产物进行检测，结果显示预处理上清中各副产物浓度差异较大，其中酸处理上清中乙酸和呋喃醛类物质浓度较高，而碱处理上清中芳香类化合物尤其是对香豆酸和阿魏酸的浓度较高。对上清液进行补糖发酵，酸处理上清液糖醇转化效率高于碱处理。相关性分析显示，糖醇转化效率与5-HMF表现为极显著正相关，而与香草醛、丁香酸呈显著负相关。
　　向预处理上清液或培养基中加入单一副产物进行补糖发酵，结果显示4-羟基苯甲醛、香草醛、丁香醛、4-羟基苯甲酸、香草酸等能够使糖醇转化效率显著或极显著降低，而以糠醛为代表的呋喃醛类可以使糖醇转化效率显著或极显著升高，与相关性分析数据一致。多种物质加入培养基中发酵对糖醇转化的抑制作用无累加效应，而糠醛的加入能够降低芳香类副产物的抑制作用。
　　对1组半纤维素含量差异显著的3个芒草材料进行不同浓度一步法、两步法酸碱预处理和酶解实验。随着芒草材料半纤维素含量的升高，纤维素酶解效率和总糖产量呈上升趋势。各种预处理中，4％ NaOH、2％ NaOH+1％ H2SO4分别是酶解效率和总糖产量最高的一步法、两步法预处理。预处理残渣成分分析显示随着原材料半纤维素含量升高，残渣中半纤维素和木质素的提取率相应升高;酸处理高效提取半纤维素，碱处理高效提取木质素，而两步法能够同时高效提取半纤维素和木质素。对芒草材料进行高固液比预处理和半同步糖化发酵实验，纤维素酶解效率和总糖产量规律与前述一致，乙醇产量与酶解产糖规律一致，发酵残渣中半纤维素和木质素的提取规律与预处理残渣一致。预处理上清补糖发酵时，两步法预处理上清的糖醇转化效率明显低于一步法。
　　对3个芒草材料预处理残渣成分与纤维素酶解效率进行相关性分析，预处理过程中半纤维素含量变化与纤维素酶解效率没有相关性，而残渣中木质素含量与纤维素酶解效率表现为极显著负相关、木质素在预处理过程中的提取量或提取率与酶解效率表现为极显著正相关。与此同时，木质素在预处理过程中的提取量或提取率与纤维素结晶度在预处理过程中的增加量或增加率表现为极显著正相关。因此，作为降解转化中的负影响因子，木质素在芒草材料酶解过程中发挥主导性作用;而半纤维素通过与木质素高效共提取，在生物质降解转化中发挥正因子作用。

目录

声明

摘要

缩略词表

1 文献综述

1．1 生物质能

1．1．1 生物质能概述

1．1．2 生物质能发展现状

1．2 植物细胞壁组成与结构

1．2．1 植物细胞壁组成

1．2．2 植物细胞壁结构

1．3 纤维乙醇的生物炼制

1．3．1 预处理

1．3．2 水解糖化

1．3．3 乙醇发酵工艺

1．4 预处理副产物对酶解糖化与乙醇发酵的影响

1．4．1 预处理副产物研究进展

1．4．2 预处理副产物对酶解糖化的影响

1．4．3 预处理副产物对乙醇发酵的影响

1．5 能源植物芒草

1．6 本研究的目的与意义

2 芒草化学预处理副产物的测定及预处理上清补糖发酵

2．1 实验材料

2．1．1 芒草材料

2．1．2 发酵菌种

2．1．3 实验试剂

2．1．4 实验仪器与设备

2．2 实验方法

2．2．1 材料收集

2．2．2 细胞壁多糖成分提取和测定

2．2．3 总木质素测定

2．2．4 HPLC测定木质素单体

2．2．5 酸预处理方法

2．2．6 碱预处理方法

2．2．7 比色法测定C5、C6

2．2．8 HPLC测定预处理副产物

2．2．9 预处理副产物标准曲线的制作

2．2．10 预处理上清液补糖发酵

2．2．11 乙醇测定

2．3 结果与分析

2．3．1 材料选择与细胞壁组分分析

2．3．2 预处理副产物的HPLC检测

2．3．3 碱处理上清液副产物含量

2．3．4 酸处理上清液副产物含量

2．3．5 酸碱预处理上清液中副产物浓度比较

2．3．6 芳香类预处理副产物浓度变化

2．3．7 预处理上清液补糖发酵

2．3．8 预处理副产物与糖醇转化效率相关性分析

2．4 讨论

2．4．1 预处理副产物的多样性及其检测

2．4．2 细胞壁结构对预处理产物释放的影响

2．4．3 预处理方法对预处理副产物释放的影响

2．4．4 细胞壁组分、预处理副产物与糖醇转化的关系

2．5 小结

2．6 论文数据说明

3 芒草预处理副产物与糖醇转化关系的研究

3．1 实验材料

3．1．1 芒草材料

3．1．2 发酵菌种

3．1．3 实验试剂

3．1．4 实验仪器与设备

3．2 实验方法

3．2．1 材料收集

3．2．2 单一副产物加入到预处理上清液中发酵实验

3．2．3 单一副产物加入到培养基中发酵

3．2．4 多种副产物加入培养基中发酵

3．2．5 盐浓度对糖醇转化的影响

3．3 结果与分析

3．3．1 单一副产物加入预处理上清液对糖醇转化的影响

3．3．2 副产物加入培养基对糖醇转化的影响

3．3．3 盐浓度对糖醇转化的影响

3．4 讨论

3．4．1 副产物的选择

3．4．2 副产物浓度的确定

3．4．3 副产物对乙醇发酵过程中的影响

3．4．4 盐浓度对发酵实验的影响

3．5 小结

4 半纤维素对酶解产糖与发酵产乙醇的影响

4．1 实验材料

4．1．1 芒草材料

4．1．2 发酵菌种

4．1．3 实验试剂

4．1．4 实验仪器与设备

4．2 实验方法

4．2．1 材料收集

4．2．2 细胞壁多糖成分提取和测定

4．2．3 GC-MS测定碱溶性半纤维素单糖组成

4．2．4 GC-MS测定碱不溶半纤维素单糖组成

4．2．5 总木质素测定

4．2．6 HPLC测定木质素单体

4．2．7 纤维素结晶度测定

4．2．8 一步法酸预处理及酶解

4．2．9 一步法碱预处理及酶解

4．2．10 两步法酸碱预处理及酶解

4．2．11 预处理残渣细胞壁成分测定

4．2．12 高固液比酸碱预处理与半同步糖化发酵实验

4．2．13 发酵残渣细胞壁成分测定

4．2．14 一步法和两步法预处理上清液补糖发酵

4．2．15 比色法测定C5、C6和乙醇

4．3 结果与分析

4．3．1 材料选择与细胞壁组分分析

4．3．2 一步法酸预处理对产糖的影响

4．3．3 一步法碱预处理对产糖的影响

4．3．4 两步法预处理对产糖的影响

4．3．5 一步法与两步法预处理产C6比较

4．3．6 预处理残渣成分测定

4．3．7 半纤维素和木质素作用机制的研究

4．3．8 高固液比预处理后半同步糖化发酵产乙醇

4．3．9 高固液比预处理与半同步糖化发酵过程中C6含量变化

4．3．10 发酵残渣成分测定

4．3．11 预处理上清液补糖发酵

4．4 讨论

4．4．1 芒草细胞壁结构及其抗降解机制

4．4．2 半纤维素在生物质降解中的作用

4．4．3 酸碱预处理对生物质降解的作用机理

4．4．4 高固液比预处理与半同步糖化发酵的整合

4．4．5 预处理参数对半纤维素和木质素提取效果的影响

4．4．6 半纤维素和木质素的在酶解糖化中的作用

4．5 小结

4．6 论文数据说明

5 全文结论与展望

5．1 全文主要结论

5．2 展望

5．2．1 能源植物种质评价体系的构建

5．2．2 能源植物改良与选育

5．2．3 利用戊糖进行纤维乙醇的生产

5．2．4 木质纤维素原材料综合利用与工艺流程优化

参考文献

附录

个人简介

攻读博士期间发表的论文

致谢