能源植物细胞壁结构与碱处理降解转化关系的研究

摘要

能源危机和温室效应日益加剧,生物能源作为一种清洁的可再生能源,成为化石燃料的理想替代能源。木质纤维素作为植物细胞壁的主要成分,是地球上最丰富的生物质资源,木质纤维素转化生物乙醇具有广阔的利用前景,所以,细胞壁成分和结构的研究具有重要的意义。
　　本研究选取芒草(C4植物)和水稻(C3植物)为材料,通过NaOH预处理,分析细胞壁成分的变化对预处理和酶解产糖效率的影响。测定纤维素、半纤维素、木质素、果胶质,四者总和为细胞壁总成分。五节芒细胞壁中的木质素(25.42％-32.14％)显著变化,纤维素和半纤维素没有显著变化;南荻细胞壁中的半纤维素(25.40％-30.00％)显著变化,木质素(31.36％-33.91％)小幅度变化,纤维素没有显著变化,水稻细胞壁中的半纤维素(27.97-19.66％)显著变化,纤维素和木质素没有显著变化。随NaOH浓度的提高,五节芒预处理液六碳糖、五碳糖、酶解液六碳糖含量大幅增加,而酶解液五碳糖的含量在1.00％NaOH达到最高值;随NaOH浓度的提高,南荻预处理液中五碳糖大幅增加,而预处理液中六碳糖小幅增加,酶解液中六碳糖和五碳糖增长明显;随NaOH浓度的提高,水稻预处理液中六碳糖含量在0.50％-1.00％NaOH增长幅度很大,预处理液中的五碳糖呈梯度升高,酶解液中的六碳糖稳定增加,酶解液中五碳糖在1.00％ NaOH达到最高。
　　通过分析胞壁结构和碱处理降解转化效率可以发现,五节芒的产糖率主要受木质素影响,木质素越高,产糖率越低;南荻随木质素升高产糖率降低,但半纤维素升高会显著提升产糖效率,半纤维素和木质素同样影响南荻产糖效率,水稻产糖效率主要受半纤维素影响,半纤维素升高,产糖效率升高。通过测定实验材料的精细成分发现,木质素S单体覆盖在纤维素表面,是降低酶解效率的主要屏障;而南荻XM4的非晶体纤维素为7.30％,显著提高了酶解效率,说明非晶体纤维素会促进纤维素的水解,提高酶解效率。

目录

摘要

Abstract

缩略语表

1 文献综述

1.1 生物质能

1.1.1 生物质概述

1.1.2 生物质能发展现状

1.2 植物细胞壁

1.3 细胞壁化学组成

1.3.1 纤维素

1.3.2 半纤维素

1.3.3 木质素

1.3.4 果胶

1.4 细胞壁分子结构

1.5 生物质降解转化

1.5.1 生物质降解转化流程

1.5.2 生物质预处理方式

1.5.3 生物质降解相关酶及微生物

1.6 本研究目的意义

2 材料与方法

2.1 实验材料

2.2 实验方法

2.2.1 材料收集

2.2.2 细胞壁成分测定

2.2.3 比色法测定六碳糖、五碳糖、糖醛酸

2.2.4 NaOH梯度预处理

2.2.5 HPLC测定木质素单体

2.2.6 GC-MS测定单糖

2.2.7 纤维素聚合度、结晶度测定

2.2.8 秸秆降解糖的发酵

3 结果与分析

3.1 细胞壁成分测定

3.1.1 C6、C5、半乳糖醛酸标准曲线

3.1.2 纤维素、半纤维素、木质素、果胶测定

3.2 NAOH预处理降解转化效率

3.2.1 五节芒NaOH预处理及酶解效率

3.2.2 南荻NaOH预处理及酶解效率

3.2.3 水稻NaOH预处理及酶解效率

3.2.4 芒草、水稻不同NaOH梯度EC6曲线

3.3 NaOH处理EC6与细胞壁成分分析

3.3.1 五节芒

3.3.2 南荻

3.3.3 水稻

3.3.4 总结

3.4 典型材料精细分析

3.4.1 茎秆横切面、NaOH处理残渣SEM观察

3.4.2 细胞壁精细成分测定及糖醇转化率

4 讨论

4.1 细胞壁结构多样性

4.2 细胞壁多糖的降解

4.3 细胞壁结构对降解效率的影响

4.4 细胞壁多糖的转化

4.5 展望

参考文献

附录

致谢