两种氧化预处理下不同植物生物质基质特性及酶解产糖差异研究

摘要

为了缓解能源短缺和环境污染的双重压力，世界各国对可再生能源的开发越来越重视，尤其是生物质能的开发和利用。木质纤维素原料来源广泛，是地球上储量最丰富的可再生资源之一，被广泛认为是可替代粮食作为生产第2代生物乙醇的原料，具有较大的发展潜力。但是木质纤维素种类、化学成分和结构特性复杂，很难直接被纤维素酶水解产生可发酵糖。其中，由于木质素的包裹作用，使得其中纤维素和半纤维素的酶解效率低。为提高木质纤维素原料的酶解效率，预处理成为木质纤维素能源化利用中不可缺少的环节。预处理主要通过改变木质纤维素的结构和化学组成，提高纤维素酶的可及表面积，进而提高还原糖产率。然而，同一预处理在不同种类的植物生物质上的效果可能不同。比如，水生和陆生的木质纤维素经过完全相同的预处理后，其酶解产糖效率有较大的差异。这主要是由于水生和陆生木质纤维素的化学组成及结构特性上有较大的差异性。因此，针对不同化学组成和结构特性的木质纤维素原料，选择合适的预处理方法以及条件，能够有效提高不同木质纤维素原料的利用率以及还原糖产率，对降低第二代生物乙醇的生产成本具有重要意义。
　　本文选取三种不同生境来源的木质纤维素，即水生草本植物凤眼莲（俗名水葫芦）、陆生草本植物甘蔗渣和陆生木本植物水杉，两种不同氧化程度的氧化方法——过氧乙酸和芬顿试剂作为化学预处理方法，对以上三种植物生物质进行预处理后酶解产糖，比较两种预处理对不同植物生物质化学成分和结构特性改变的效果差异，并分析其与酶解产糖效率之间的关系。主要研究结果如下:
　　(1)三种植物生物质中，水生植物凤眼莲的纤维素和木质素含量最低，半纤维素和灰分的含量最高;陆生植物水杉的纤维素和木质素含量最高。三种生物质原料的可酶解部分（纤维素和半纤维素）含量都在70％以上，故凤眼莲、甘蔗渣和水杉都较适合作为生物质能源原料。
　　(2)过氧乙酸(PAA)预处理凤眼莲、甘蔗渣和水杉的条件为:温度25℃，时间24 h，过氧乙酸浓度15％(w/w)，生物质浓度为1g/10 mL。预处理后凤眼莲、甘蔗渣和水杉的回收率分别为67.17％、55.71％、76.17％。在酶负荷为8.23FPU/g基质，酶解时间为72 h时，预处理后的凤眼莲、甘蔗渣和水杉的还原糖产率分别为9.25％、45.87％和55.52％，较预处理前的还原糖产率都有极显著的提高。过氧乙酸通过改变木质纤维素的结构和氧化木质素，使木质纤维素中可酶解的多糖暴露出来，增大可及表面积和保水值，提高酶解效率和还原糖产率。当酶负荷增加到30 FPU/g基质，酶解时间仍为72 h时，预处理后的凤眼莲、甘蔗渣和水杉的还原糖产率分别为17.51％、60.00％和69.07％，较低酶用量时均有所增加。
　　(3)芬顿试剂(Fenton)预处理凤眼莲的最优条件为:pH3.6，温度40℃，时间24 h，Fe2+∶30％H2O2=1∶25(w/w)，生物质浓度为1 g/20 mL。预处理后凤眼莲、甘蔗渣和水杉的回收率分别为41.92％、70.93％和91.33％。在酶负荷为8.23FPU/g基质，酶解时间为72 h时，预处理后的凤眼莲、甘蔗渣和水杉的还原糖产率分别为27.49％、9.61％和1.93％，其中凤眼莲的还原糖产率较预处理前的有显著提高，而预处理前后的甘蔗渣和水杉的还原糖产率并无明显变化。当酶负荷增加到30 FPU/g基质，酶解时间仍为72 h时，预处理后的凤眼莲、甘蔗渣和水杉的还原糖产率分别为34.28％、11.85％和3.41％，较低酶用量时均有所增加。
　　(4)比较两种预处理在三种植物生物质上的效果可知，过氧乙酸对陆生木质纤维素中木质素的去除效果较芬顿试剂好，木质素含量高的陆生木质纤维素适合用过氧乙酸进行预处理，而木质素含量较低的水生木质纤维素适合用芬顿试剂进行预处理。从酶解还原糖产率与基质特性的关系来看，预处理后的木质纤维素的72 h酶解还原糖产率与木质素的含量成反比，与保水值成正比。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 生物质能源的利用与研究进展

1．1．1 生物质能源的概述

1．1．2 生物质原料的主要利用途径

1．1．3 生物质原料的利用导向

1．2 木质纤维素原料的组成

1．2．1 纤维素

1．2．2 半纤维素

1．2．3 木质素

1．2．4 灰分及其他组分

1．3 生物质基质特性

1．3．1 结晶度

1．3．2 保水值

1．3．3 乙酰基

1．4 木质纤维素原料的酶解

1．4．1 纤维素酶的组成

1．4．2 纤维素酶水解机理

1．4．3 纤维素酶水解的主要影响因素

1．5 木质纤维素原料的预处理

1．5．1 预处理的目的和方法

1．5．2 木质纤维素原料主要成分与预处理的关系

2 课题研究背景与意义、内容和技术路线

2．1 研究背景与意义

2．2 研究内容

2．3 技术路线

3 过氧乙酸预处理下不同植物生物质的基质特性和酶解产糖差异

3．1 引言

3．2 材料和方法

3．2．1 实验材料

3．2．2 预处理方法

3．2．3 预处理前后样品的酶解

3．2．4 预处理前后样品主要成分含量

3．2．5 生物质基质特性的测定

3．2．6 还原糖含量的测定——DNS法

3．3 结果与讨论

3．3．1 滤纸酶活(FPU)

3．3．2 预处理前后样品的主要成分组成

3．3．3 预处理前后样品的基质特性

3．3．4 预处理前后样品的还原糖产率

3．3．5 还原糖产率与基质特性之间的关系

3．4 小结

4 芬顿试剂预处理下不同植物生物质的基质特性和酶解产糖差异

4．1 引言

4．2 材料和方法

4．2．1 实验材料

4．2．2 预处理方法

4．2．3 预处理后样品的酶解

4．2．4 预处理后样品主要成分含量及有关基质特性的测定

4．3 结果与讨论

4．3．1 F3预处理前后样品的主要成分组成

4．3．2 预处理前后样品基质特性的比较

4．3．3 预处理前后样品的还原糖产率

4．3．4 还原糖产率与基质特性之间的关系

4．4 小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士期间文章情况

致谢