酶水解漂白针叶木纤维结构和性能的研究

摘要

植物纤维原料是地球上储量最丰富的可再生自然资源，它的充分、有效利用对节约能源、保护环境都具有非常重要的意义。利用纤维素酶和半纤维素酶水解纤维原料，一方面，可使纤维表面和内部结构得到一定程度的活化，使纤维性能得到改善;另一方面，可直接获得低聚糖和单糖，进一步发酵可以生产乙醇、甲醇等生物质燃料，因而酶水解纤维原料在养殖、食品、酿酒、纺织、洗涤、造纸、能源等工业中都具有广泛的应用价值。但是，由于酶的种类繁多，酶的组成、结构、催化机理等都存在较大差异，再加上原料本身结构的复杂性，使得纤维原料在酶水解过程中，其结构和性能的变化比较复杂，从而影响纤维原料酶改性技术的应用。本课题主要是以漂白针叶木纤维为原料，通过分析比较复合纤维素酶、内切纤维素酶和木聚糖酶在不同的水解程度下对纤维形态、结构、性能的影响，研究经不同的酶水解后纤维结构和性能变化的一般规律及其机理，旨在加强对酶水解过程中纤维原料结构和性能变化的控制，为植物纤维原料酶改性技术的工业化应用提供理论指导，进而推动酶水解纤维原料的全面有效应用。
　　 研究了酶水解对纤维得率的影响，结果显示:经复合纤维素酶Celluclast1.5L水解后，随着酶用量的增加或酶水解时间的延长，纤维得率急速下降，当酶用量为10.0FPU/g，水解时间为48h时，纤维得率仅为55.34％，说明复合纤维素酶对纤维素具有很强的水解作用，可以使无定形区和结晶区纤维素都发生水解。内切纤维素酶Novozym476对纤维的水解能力远低于Celluclast1.5L，当Novozym476用量为50.0CMCU/g时，处理2h后仅有5％左右的纤维素发生水解。经木聚糖酶PulpzymeHC水解后，纤维得率基本上没什么变化，说明木聚糖酶对漂白针叶木纤维的水解作用非常有限。
　　 研究了酶水解对纤维形态的影响。结果显示:酶水解前，纤维表面带有许多细小纤丝，纤维素酶Celluclast1.5L和Novozym476都会优先作用于这些细小纤丝，使其发生水解，使得纤维表面变得光滑，比表面积减少;随着纤维素酶Celluclast1.5L用量的增加，纤维表面出现起皮、表层剥落现象，进一步增加用量，纤维出现明显的缺口和断裂，纤维比表面积增加，纤维平均长度急剧下降，细小纤维含量明显增加，纤维卷曲率和扭结指数下降;而经纤维素酶Novozym476水解后，纤维平均长度变化不大，但纤维卷曲率和扭结指数有所增加。木聚糖酶PulpzymeHC水解处理后纤维形态没有明显变化。
　　 研究了酶水解对漂白针叶木纤维纤维素分子量和聚集态结构的影响，结果显示:漂白针叶木纤维经纤维素酶Celluclast1.5L或Novozym476水解后，随着酶用量的增加，纤维素聚合度逐渐降低，在Celluclast1.5L用量为10.0FPU/g时，聚合度降低到694，较对照样下降了40.38％;在Novozym476用量为50.0CMCU/g时，聚合度下降到711，较对照样下降了38.92％。说明在这两种纤维素酶的作用下，纤维素大分子链都会发生较多断裂，使组成纤维素大分子链的葡萄糖基数量减少，纤维素分子量减小，由此可见，在纤维素的酶水解过程中，导致纤维素聚合度和分子量下降的主要是内切葡聚糖酶的作用。漂白针叶木纤维经木聚糖酶PulpzymeHC水解后，纤维素聚合度和分子量基本保持不变。
　　 从X-射线衍射分析和红外光谱分析结果显示，纤维素酶水解不会引起纤维素大分子结构变化，水解过程中也没有新的官能团产生，纤维素晶型未发生改变，仍属于典型的纤维素Ⅰ晶型，但在两种纤维素酶的作用下，纤维素结晶度出现了不同的变化。随着纤维素酶Celluclast1.5L用量的增加，纤维素结晶度呈现先增加后降低再增加再降低的周期性变化，结晶区纤维素和无定形区纤维素同时受到酶的作用发生水解。在内切纤维素酶Novozym476的作用下，纤维素结晶度一开始略有降低，但随着酶用量的增加，纤维素结晶度逐渐增加后又降低，整体呈现增长的变化趋势。经木聚糖酶PulpzymeHC水解后，随着酶用量的增加，纤维素结晶度逐渐增加。
　　 研究了酶水解对漂白针叶木纤维性能的影响，结果显示:随着纤维素酶Celluclast1.5L用量的增加，水解后纤维悬浮液滤水性先增加后降低，纤维保水值先降低后增加，当酶用量为20.0FPU/g时，保水值增加到204.19％，较对照样增加了47.73％;随着酶用量的增加，纤维表面的Zeta电位绝对值先降低后增加，表面自由能逐渐降低，纤维亲水性降低，亲油性增加;酶水解后纤维热稳定性有所下降。
　　 随着纤维素酶Novozym476用量的增加，水解后纤维悬浮液滤水性缓慢增加，纤维保水值则略有降低;纤维表面Zeta电位绝对值逐渐降低，表面自由能增加，纤维亲水性增加，亲油性降低。酶水解后纤维热稳定性降低。
　　 木聚糖酶PulpzymeHC水解处理对纤维悬浮液滤水性影响不大，但随着其用量的增加，纤维保水值略有降低，纤维表面Zeta电位绝对值逐渐降低，表面自由能增加，纤维亲水性增加，亲油性降低;另外水解后纤维热稳定性略高于对照样。
　　 研究了酶水解对漂白针叶木纤维打浆和成纸性能的影响，结果显示:漂白针叶木纤维经纤维素酶Celluclast1.5L或Novozym476预处理后，在高打浆转数下打浆，随着酶用量的增加，浆料游离度逐渐降低，说明复合纤维素酶和内切纤维素酶预处理都能增加打浆过程中纤维切断、润胀、细纤维化等作用效果，起到一定的降低打浆能耗的作用;在较低的打浆转数下，纤维素酶预处理对降低打浆能耗贡献不大。纤维素酶酶促打浆和机械打浆对纤维具有不同的作用效果:在同样的游离度下，经酶促打浆的纤维较薄、纤维发生较多切断，浆料中纤维碎片含量较多。
　　 在未经机械打浆的情况下，随着纤维素酶Cellulast1.5L用量的增加，成纸松厚度、抗张指数、柔软度、透气度等指标均呈现先增加后降低的变化趋势，其中抗张指数在酶用量为0.1FPU/g时达到最大值21.77N.m/g，较对照样增加了26.36％，而当酶用量为10.0FPU/g时，抗张指数下降到10.97N.m/g，较对照样下降了39.89％;成纸内结合强度则随着酶用量的增加而逐渐增加。
　　 在纤维素酶Celluclast1.5L和Novozym476酶促打浆过程中，如果酶用量较低，在低转数下打浆，成纸抗张指数、内结合强度和松厚度都增加;在酶用量较高时，由于长纤维表面或内部的分子链发生断裂，纤维表面会产生缺口或松动，在机械力的作用下造成纤维变薄、变短、浆料中碎片含量增多，纤维自身强度下降，因此成纸抗张指数下降，且随着酶用量的增加，下降幅度逐渐增加。纤维素酶酶促打浆对提高成纸透气度是不利的。
　　 木聚糖酶PulpzymeHC水解对降低纤维打浆能耗基本没什么作用，但木聚糖酶PulpzymeHC酶促打浆有利于提高成纸抗张指数和内结合强度。
　　 对比研究了酶深度水解和盐酸水解对纤维结构、性能的不同影响，结果显示:漂白针叶木纤维经盐酸水解后，纤维素聚合度可以下降到极限聚合度200左右，而且纤维得率在90％以上，而经纤维素酶Celluclast1.5L深度水解后，纤维素聚合度保持在700左右，而纤维得率则急剧下降。说明虽然稀酸水解和纤维素酶水解都是使纤维素大分子上的β-1，4-糖苷键发生断裂，但具体发生断裂的位置有很大的区别。酶水解纤维素纤维和酸水解纤维素纤维具有相似的纤维形态，纤维平均长度都下降到只有0.1～0.2mm，但是两者经粉碎后纤维素颗粒在微观形态上存在较大差别:酸水解纤维素为椭圆形的颗粒，粒径较小，完全失去了纤维细胞壁原有的结构，符合微晶纤维素的颗粒特性;酶水解纤维素颗粒粒径较大，具有较完全的纤维细胞壁结构，不符合微晶纤维素颗粒特性。酶水解纤维素和酸水解纤维素具有相似的结晶结构，结晶度都较水解前增加，两者结晶度大小区别不大。酸水解纤维素较酶水解纤维素具有稍高一点的耐热性能。

目录

摘要

1 绪论

1．1 植物纤维原料细胞壁的组成和结构

1．1．1 植物纤维原料细胞壁的组成

1．1．2 植物纤维原料细胞壁结构

1．2 酶结构及其功能

1．2．1 酶的概念

1．2．2 纤维素酶的结构和功能

1．2．3 木聚糖酶的结构和功能

1．3 植物纤维酶水解机理

1．3．1 纤维素的酶水解机理

1．3．2 木聚糖的酶水解机理

1．4 植物纤维酶水解效率的研究

1．5 酶水解对纤维形态和结构影响的研究进展

1．6 植物纤维酶水解在造纸工业中的应用研究进展

1．7 课题的研究目的和意义

1．8 课题研究内容

2 三种酶水解纤维素纤维能力比较

2．1 实验部分

2．1．1 原料、药品

2．1．2 设备、仪器

2．1．3 实验方法

2．2 结果与讨论

2．2．1 纤维素酶Celluclast 1．5L酶活测定

2．2．2 纤维素酶Novozym 476酶活测定

2．2．3 木聚糖酶Pulpzyme HC酶活测定和计算

2．2．4 酶水解对纤维得率的影响

2．3 本章小结

3 酶水解对漂白针叶木纤维形态的影响

3．1 实验

3．1．1 原料、药品

3．1．2 设备、仪器

3．1．3 酶水解

3．1．4 分析测定

3．2 结果与讨论

3．2．1 酶水解对纤维形态参数的影响

3．2．2 纤维表面形态分析

3．2．3 酶水解对纤维比表面积的影响

3．3 本章小结

4 酶水解对漂白针叶木纤维纤维素分子量和聚集态结构的影响

4．1 实验

4．1．1 原料、药品

4．1．2 设备、仪器

4．1．3 酶水解

4．1．4 分析测定

4．2 结果与讨论

4．2．1 酶水解对纤维素分子量大小的影响

4．2．2 酶水解对纤维素分子结构的影响

4．2．3 酶水解对纤维素结晶结构的影响

4．3 本章小结

5 酶水解对漂白针叶木纤维性能的影响

5．1 实验

5．1．1 原料、药品

5．1．2 设备、仪器

5．1．3 酶水解

5．1．4 分析测定

5．2 结果与讨论

5．2．1 酶水解对纤维悬浮液滤水性的影响

5．2．2 酶水解对纤维保水值的影响

5．2．3 酶水解对纤维表面Zeta电位的影响

5．2．4 酶水解对纤维表面润湿性能的影响

5．2．5 酶水解对纤维热性能的影响

5．3 本章小结

6 酶水解对漂白针叶木纤维打浆和成纸性能的影响

6．1 实验

6．1．1 原料、药品

6．1．2 仪器、设备

6．1．3 实验方法

6．2 结果与讨论

6．2．1 酶预处理对漂白针叶木纤维打浆性能的影响

6．2．2 纤维素酶Celluclast 1．5L对漂白针叶木纤维成纸性能的影响

6．2．3 纤维素酶Novozym 476酶促打浆对成纸物理性能的影响

6．2．4 木聚糖酶Pulpzyme HC酶促打浆对成纸物理性能的影响

6．3 本章小结

7 酶深度水解与盐酸水解对漂白针叶木纤维结构、性能影响的对比研究

7．1 实验

7．1．1 原料、药品

7．1．2 仪器、设备

7．1．3 实验方法

7．2 结果与讨论

7．2．1 酶深度水解和酸水解对纤维得率和聚合度的影响比较

7．2．2 酶水解纤维素纤维和酸水解纤维素纤维形态比较

7．2．3 酶水解纤维素纤维和酸水解纤维素纤维结构、性能比较

7．3 本章小结

8 结论

本论文的创新之处

论文的不足之处及对今后研究工作的建议

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的与学位论文相关的学术论文

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