不同植物来源纤维素酶解产糖中构效关系及预处理影响研究

摘要

木质纤维素原料具有来源广泛，数量庞大，成本低廉等优势，是世界上储量最丰富的有机资源，日益成为当前生物乙醇能源领域研究的热点。不同种类的木质纤维素原料因其化学组成和结构特性的差异，作为生产生物乙醇的原料时，其酶解产糖和发酵产乙醇的效果有较大差别，而且原料中的非纤维素成分对纤维素的结构状态和酶解过程也会有较大的影响。为了消除生物质中其它成分对纤维素酶解产糖的影响，本文选取5种不同种类的水生和陆生植物作为研究对象，从原料中分离出纤维素，比较不同种类植物纤维素的酶解适用性大小，分析其结晶度(CrI)、聚合度(DP)、比表面积(SSA)等结构特性，单独研究各植物纤维素的酶解效果与其结构特性之间的关系。另外，对水葫芦纤维素进行不同种类的物理和化学预处理，研究预处理对其结构特性及酶解效果的影响;并对水葫芦和甘蔗渣两种植物原料进行不同的酸碱预处理，比较不同预处理对植物样品组成的变化及酶解效果的影响，优选出针对不同原料的适宜预处理方法。主要结果如下:
　　(1)水生植物水葫芦和水花生的纤维素含量(19.55％和21.78％)明显低于陆生植物甘蔗渣、芒草和杉树木屑（分别为32.06％，35.45％和47.61％），木本植物杉树木屑的纤维素含量则显著高于草本植物甘蔗渣和芒草。除甘蔗渣纤维素的结晶度指数最低(56.42％)之外，各植物纤维素的结晶度指数与其原料的纤维素含量的变化趋势相一致，但整体上各植物纤维素的结晶度指数数值差异并不大。各植物纤维素的聚合度和比表面积与纤维素含量并没有明显的直接相关性。
　　(2)各植物纤维素的酶解还原糖产率随酶负荷和酶解时间的增加而升高，5种植物来源纤维素的酶解效果顺序为:甘蔗渣＞水葫芦＞芒草＞水花生＞水杉木屑。在任一酶负荷下酶解72h后，结晶度指数最大的木屑纤维素酶解还原糖产率都是最低的(仅为20-60g/100g)，而结晶度指数最小的甘蔗渣纤维素酶解还原糖产率总是最高(＞85.72g/100g)。纤维素结晶度指数越高，其结晶的程度越高，酶与纤维素的结合越难，导致纤维素的转化率和还原糖产率越低。在较高酶负荷（140和200FPU/g）时，酶用量不是纤维素发生酶解反应的限制因子，此时，纤维素的结晶度与还原糖产率之间呈现非常明显的负相关关系，线性相关系数R2高达0.9828。
　　(3)将植物纤维素的酶解还原糖产率(Y)与其结构特性(CrI、DP、SSA)之间作多元回归拟合得出，结晶度对植物纤维素的酶解产糖起更重要的作用，而聚合度和比表面积与纤维素的酶解还原糖产率之间只呈现出较低程度的正相关，对纤维素酶解产糖的影响较小。各结构特性对酶解产糖的影响大小顺序为:结晶度(＞＞)聚合度＞比表面积。水葫芦纤维素因为具有较低的结晶度和较高的比表面积，利用其酶解产糖，可以在较低的酶用量下获得较高的产糖，从而降低酶试剂的成本进而降低生产成本，在工业利用中具有潜在的优势。
　　(4)对经硝酸-乙醇法提纯出的水葫芦纤维素进行不同强度的磷酸和微波的预处理来改变其结构特性，发现其比表面积均显著降低，同时酶解产糖量均低于未作预处理的产糖量，表明经硝酸-乙醇法提纯出的水葫芦纤维素本身已经较适合后续的酶解产糖，过多的预处理对酶解反应反而产生不利影响。
　　(5)分别经过三种化学预处理——2％(w/v)H2SO4（稀酸）、2％NaOH（稀碱）和1％H2O2+2％NaOH（氧化+稀碱），水葫芦的酶解产糖率差异不大（酶解12h后分别为58.48、60.39和62.88g/100g），而对甘蔗渣来说，稀碱和氧化+稀碱预处理下的酶解产糖率(酶解12h后为80.08和82.54g/100g)显著高于经稀酸预处理(酶解12h后44.64g/100g)，并高于3种预处理后水葫芦样品的酶解产糖率，显示出甘蔗渣作为产糖原料的优势。经预处理后样品的酶解产糖率与纤维素和半纤维素的含量及木质素和灰分的去除率成正比。氧化+稀碱预处理后甘蔗渣样品在酶解12h的还原糖产率高达90.6g/100g，该预处理温度较低，原料利用率较高，是一种有效的预处理方法。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 生物质能源的研究现状

1．1．1 生物质能源简介

1．1．2 生物质原料的利用

1．1．3 生物质原料的利用面临的挑战

1．2 生物质原料的组成

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

1．3 生物质的结构特性

1．3．1 结晶度

1．3．2 聚合度

1．3．3 比表面积

1．4 生物质原料的水解产糖

1．4．1 生物质原料的酸水解

1．4．2 生物质原料的酶水解

1．4．3 生物质原料的预处理

2 课题研究背景、意义、内容和技术路线

2．1 研究背景和现状

2．2 研究意义

2．3 研究内容

2．4 技术路线

3 植物原料中纤维素含量的测定与结构特性的表征

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 实验材料

3．2．2 纤维素含量的测定

3．2．3 结晶度的测定

3．2．4 聚合度的测定

3．2．5 比表面积的测定

3．2．6 红外表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 植物原料中的纤维素含量

3．3．2 结晶度

3．3．3 聚合度和比表面积

3．3．4 红外表征结果

3．4 结论

4 植物纤维素酶解产糖效率及其与结构特性之间的相关性分析

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 实验材料

4．2．2 植物纤维素的酶解

4．2．3 还原糖产率和初始产糖速率的计算

4．3 结果与讨论

4．3．1 植物纤维素的酶解还原糖产率

4．3．2 还原糖产率与结构特性之间的相关性

4．3．4 结晶度对初始产糖速率的影响

4．4 结论

5 预处理对水葫芦纤维素酶解和结构特性的影响

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 实验材料

5．2．2 磷酸和微波预处理

5．2．3 预处理后纤维素的酶解

5．3 结果与讨论

5．3．1 磷酸预处理后纤维素的结构特性

5．3．2 微波预处理后纤维素的结构特性

5．3．3 预处理后纤维素的酶解

5．4 结论

6 水葫芦和甘蔗渣原料预处理后酶解产糖与成分含量之间关系

6．1 引言

6．2 材料与方法

6．2．1 实验材料

6．2．2 预处理方法

6．2．3 预处理后样品的酶解

6．2．4 水葫芦和甘蔗渣原料及经预处理后样品组成的测定

6．3 结果与讨论

6．3．1 预处理后样品的组成

6．3．2 预处理后样品的酶解还原糖产率

6．3．3 还原糖产率与样品组成及去除率之间的关系

6．4 结论

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表文章情况

致谢