机械活化协同金属盐预处理木薯及其免液化直接糖化的研究

摘要

木薯是一种可再生资源，其根、茎、叶等都可以利用，而木薯燃料酒精是重要的生物质能源之一。传统木薯酒精采用高温蒸煮再降温液化糖化工艺，存在着发酵液粘度大、流动性差、能耗高、酒糟残渣多等问题。本文在课题组前期研究机械活化协同金属盐强化木薯粉糖化的基础上进行深入研究，并以广西特色资源木薯为原料，金属盐为助剂，采用课题组自主研发的高能效球磨机作为机械活化固相反应器，通过考察机械活化与金属盐预处理对木薯淀粉的结构性质和理化性质的影响，选出效果较好的金属盐，以期构建一个完整的机械活化+金属盐协同作用体系。进一步考察金属盐用量、活化时间等对木薯淀粉、木薯粉的结构性质和理化性质的影响，然后对预处理后的原料在工业条件下进行直接浓醪糖化，确定最佳糖化工艺与确定金属盐和机械活化对淀粉的预处理机理，为后续发酵生产酒精提供理论基础。
　　(1)以不同金属盐(KCl、ZnCl2、AlCl3、Al(NO3)3、Al2(SO4)3)为助剂，对木薯淀粉进行单独机械活化和机械活化+金属盐预处理，考察不同预处理对淀粉样品的粘度、结晶度、颗粒形态、分子结构、溶解度和酶解糖化的影响。结果表明，单独机械活化可以破坏淀粉的结晶结构和颗粒形貌，使淀粉的溶解度和糖化率提高;而金属盐的加入，预处理对淀粉的破坏程度有所差别，其中金属盐KCl、ZnCl2、Al2(SO4)3会阻碍机械活化作用，与单独机械活化相比，金属盐的加入会使淀粉的粘度增加，结晶度降低的幅度变小，溶解度和糖化率下降。金属盐AlCl3、Al(NO3)3可促进机械活化作用，其中AlCl3的促进作用最大，机械活化+AlCl3预处理淀粉的粘度由原来的1852 BU降到15 BU，结晶结构被严重破坏，溶解度高达85.69％，在低浓度（9 mg·mL-1）下酶解糖化DE值为71.39％。
　　(2)利用优选的金属盐AlCl3为助剂，对木薯淀粉进行活化处理，考察金属盐用量、机械活化时间对淀粉结构及理化性质的固相协同作用机理;以淀粉酶解糖化的DE值为评价指标，在工业生产的条件下对机械活化协同金属盐预处理的淀粉进行直接浓醪糖化，优化糖化工艺。结果显示，AlCl3用量和机械活化时间的增加，淀粉的粘度和结晶度降低，溶解度增大，淀粉的反应活性增加。淀粉预处理的最佳工艺条件为:AlCl3用量为3％，机械活化时间为45 min;浓醪糖化的最佳工艺条件为:料液比1∶2，糖化酶用量为220 u·g-1淀粉。在此条件下淀粉糖化30 min的DE值为46.69％，糖化60 min的DE值为59.1％。
　　(3)研究机械活化与金属盐AlCl3对木薯粉的结构特性和理化性质的协同作用机理，并在工业生产的条件下对机械活化协同金属盐预处理后的木薯粉进行直接浓醪糖化，优化糖化工艺。机械活化与金属盐对木薯粉的协同作用规律与对淀粉的作用规律一致，但由于木薯粉中成分更复杂，其含有纤维素、木质素、蛋白质等，木薯粉的预处理条件要求更高。木薯粉预处理的最佳工艺条件为:AlCl3用量为5％，活化时间为60 min;浓醪糖化最佳工艺为:料液比为1∶3，糖化酶用量为250 u·g-1淀粉，在此条件下木薯粉酶解糖化30 min的DE值为50.61％，酶解糖化60 min的DE值为68.77％。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 文献综述

1．1 选题背景

1．2 国内外木薯燃料酒精生产发展现状

1．3 盐对淀粉性质的影响

1．3．1 淀粉的分子结构与性质

1．3．2 盐对淀粉性质的影响

1．4 金属离子对酶活的影响

1．5 机械活化作用应用于高分子的研究进展

1．6 本课题的研究意义与内容

1．6．1 研究意义

1．6．2 研究内容

第二章 机械活化与不同金属盐联合处理淀粉的效果

2．1 实验主要材料与仪器设备

2．1．1 实验原料与主要试剂

2．1．2 实验仪器设备

2．1．3 实验所需溶液的配制

2．2 实验方法

2．2．1 淀粉的预处理

2．2．2 淀粉粘度的测定

2．2．3 XRD分析

2．2．4 SEM分析

2．2．7 葡萄糖标准曲线的绘制与还原糖的测定

2．2．8 葡萄糖酶活的测定

2．2．9 淀粉的酶解

2．3 结果分析与讨论

2．3．1 不同预处理方法对淀粉粘度的影响

2．3．2 不同预处理方法对淀粉结晶度的影响

2．3．3 不同预处理方法对淀粉颗粒形貌的影响

2．3．4 不同预处理方法对淀粉分子基团的影响

2．3．5 不同预处理方法对淀粉溶解度的影响

2．3．6 不同预处理方法对淀粉酶解糖化效果的影响

2．4 本章小结

第三章 机械活化协同AlCl3对淀粉的固相作用效果

3．1 实验材料与仪器

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验仪器

3．1．3 实验所需溶液的配制

3．2 实验方法

3．2．1 淀粉的预处理

3．2．2 淀粉粘度的测定

3．2．3 XRD表征

3．2．4 SEM表征

3．2．5 FTIR表征

3．2．6 淀粉溶解度的测定

3．2．7 淀粉的免液化糖化

3．3 结果分析与讨论

3．3．1 AlCl3用量对淀粉结构性质和理化性质的影响

3．3．2 机械活化时间对淀粉结构性质和理化性质的影响

3．3．3 AlCl3用量对淀粉免液化浓醪糖化的影响

3．3．4 机械活化时间对淀粉免液化浓醪糖化的影响

3．3．5 料水比对淀粉免液化浓醪糖化的影响

3．3．6 酶活对淀粉免液化浓醪糖化的影响

3．4 本章小结

第四章 机械活化协同AlCl3对木薯粉的作用效果

4．1 实验材料与仪器

4．1．1 实验材料

4．1．2 实验仪器

4．1．3 实验主要溶液的配制

4．2 实验方法

4．2．1 木薯粉的预处理

4．2．2 XRD表征

4．2．3 SEM表征

4．2．4 FTIR表征

4．2．5 木薯粉溶解度的测定

4．2．6 木薯粉的免液化糖化

4．3 结果分析与讨论

4．3．1 AlCl3用量对木薯粉结构性质和理化性质的影响

4．3．2 机械活化时间对木薯粉结构性质和理化性质的影响

4．3．3 AlCl3用量对木薯粉免液化浓醪糖化的影响

4．3．4 机械活化时间对木薯粉免液化浓醪糖化的影响

4．3．5 料水比对淀粉免液化浓醪糖化的影响

4．3．6 酶活对淀粉免液化浓醪糖化的影响

4．4 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢