利用生物预处理提高竹材酶水解葡萄糖得率的研究

摘要

纤维素材料经过预处理、水解、发酵就能生产纤维素乙醇。预处理是将植物细胞壁中纤维素、半纤维素和木质素的复合结构分解，使后期水解更易进行，但预处理在整个纤维素乙醇生产过程中技术最不成熟，是限制纤维素生物质高值化利用的瓶颈之一，因此找到合适的预处理方法对推动生物质能源的工业化生产具有重要意义。竹材具有资源量大、可再生等优点，是制造纤维素乙醇的优秀原料，同时竹材中可溶性糖类、淀粉、蛋白质含量较高，易受到真菌侵蚀，有利于进行生物预处理。因此本论文对竹材的真菌预处理技术进行了初步研究。
　　 以1年生慈竹(Neosinocalamus affinis)、硬头黄竹(Bambusa rigida Keng et Keng f.)、云南龙竹（Dendrocalamusyunnanicus）、撑篙竹（Bambusa pervaniabilis）为实验材料，以密粘褶菌(Gloeophyllum trabeum(Pers.) Murrill）、彩绒革盖菌（Coriolus versicolor）、绵腐卧孔菌(Postia placenta)、球毛壳菌（Cheatomium globosum）、变色栓菌（Trametesversicolor）、黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosphorium）等为实验菌种，分别在两种不同培养基上，对竹材进行生物预处理实验，探讨不同竹种、菌种、预处理时间、水解时间、培养基对竹材酶水解葡萄糖得率的影响，初步筛选出适合竹材真菌预处理的菌种、培养条件及预处理时间，同时分析竹材材性与酶水解葡萄糖得率的关系、预处理过程竹材的物理化学变化，比较真菌预处理和化学预处理方法的优劣。主要的研究结论归纳如下:
　　 竹材真菌预处理优选条件:1）预处理菌种:变色栓菌和密粘褶菌的预处理对竹材纤维素酶水解有促进作用，葡萄糖得率能提高2.3％～7.0％;而彩绒革盖菌、绵腐卧孔菌、球毛壳菌、黄孢原毛平革菌对竹材预处理的效果不佳。2）预处理培养基:使用河砂锯屑培养基进行预处理的效果较好。6种真菌分别对4种竹材的预处理，河砂锯屑培养基比PDA培养基处理材的葡萄糖得率高2％～8％。3）最适预处理时间:变色栓菌为28 d，密粘褶菌为42 d;最适宜工艺:变色栓菌在河砂锯屑培养基处理28 d，再经20 FPU/g纤维素酶水解48 h。竹材材性对葡萄糖得率的影响:1）竹材材性的种间变异较大，实验用4种竹材的密度在0.58～0.60 g/cm3;相对结晶度在39.69％～52.05％之间;纤维组织比量在38.47％～44.05％之间;2）实验用4种竹材天然耐腐性由大到小为:慈竹＞硬头黄竹＞云南龙竹＞撑篙竹。竹材的天然耐腐性随密度、相对结晶度、纤维组织比量的减小而降低。而天然耐腐性越低的竹材，经真菌预处理后葡萄糖得率越高;3）优先选用纤维组织比量小、密度小、结晶度小或者天然耐腐性差的竹材作为生物预处理的原料。
　　 竹材生物预处理过程中的物理化学变化:1）随预处理时间的延长，竹材的质量损失增大，结晶度降低;2）变色栓菌预处理竹材的木质素和综纤维素红外吸收峰强度比随预处理程度增强呈下降趋势，而密粘褶菌预处理竹材呈上升趋势。3）随预处理时间的延长，竹材纤维素和木质素的含量减少。4）变色栓菌预处理能造成竹材3种主成分的分解，并且对木质素的分解能力更强。密粘褶菌的侵蚀主要破坏竹材综纤维素。5）木质素的存在会阻碍纤维素酶水解。竹材酶水解葡萄糖得率与木质素的含量呈负相关关系，即木质素含量越大，酶水解葡萄糖得率越少。6）要提高真菌预处理效率，应选用能选择性降解木质素的菌种。
　　 竹材化学与生物预处理方法的比较:1）NaOH溶液有很强的脱木质素能力，处理后的竹材相对结晶度减小;H2SO4主要分解半纤维素，预处理后的竹材相对结晶度增大;2）竹材经不同方法预处理，水解后固体剩余物中木质素含量最大的为NaOH预处理，其次是H2SO4预处理，最后是变色栓菌预处理和密粘褶菌预处理，表明NaOH预处理竹材的酶水解最彻底;3）经酸、碱、真菌预处理竹材的酶水解液的主要成分是葡萄糖和少量的木糖。不论采取何种预处理方法，4种竹材中糖得量最高的均为撑篙竹；4）不同预处理方法，酶水解液中葡萄糖含量最高的为NaOH预处理，其次是H2SO4预处理，变色栓菌和密粘褶菌的预处理酶水解液中葡萄糖含量较低；5）与化学预处理相比，真菌预处理的优点是选择性降解，对原料中纤维素、木质素的破坏较少，不使用化学药剂，缺点是处理周期过长、酶水解葡萄糖得率较低，预处理周期远高于化学预处理方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 纤维素能源化利用的可行性

1．1．2 竹材能源化利用的优势

1．1．3 竹材能源化利用需解决的问题

1．2 纤维素能源利用的预处理技术发展现状

1．2．1 预处理方法种类

1．2．2 生物预处理研究现状

1．2．3 生物预处理发展趋势

1．3 研究目标和主要内容

1．4 研究技术路线

第二章 预处理工艺条件对葡萄糖得率的影响

2．1 前言

2．2 材料与方法

2．2．1 试验菌种

2．2．2 试材

2．2．3 预处理方法

2．2．4 纤维素酶水解方法

2．2．5 葡萄糖得率测定

2．3 结果与分析

2．3．1 菌种对葡萄糖得率的影响

2．3．2 培养基类型对葡萄糖得率的影响

2．3．3 水解时间和预处理时间对葡萄糖得率的影响

2．4 小结

第三章 竹材材性对葡萄糖得率的影响

3．1 前言

3．2 材料与方法

3．2．1 试验菌种

3．2．2 试材

3．2．3 竹材基本性质测定

3．2．4 竹材天然耐腐性测定

3．2．5 预处理方法

3．2．6 纤维素酶水解及糖测定

3．3 结果与分析

3．3．1 竹材基本性质

3．3．2 竹种对酶水解葡萄糖得率的影响

3．3．3 耐腐性与竹种及材性的关系

3．3．4 葡萄糖得率与竹材性质的关系

3．4 小结

第四章 竹材生物预处理过程中的物理化学变化

4．1 前言

4．2 材料与方法

4．2．1 试材和试菌

4．2．2 相对结晶度测定

4．2．3 主要官能团的测定

4．2．4 化学组分的测定

4．2．5 预处理方法

4．3 结果与分析

4．3．1 竹材的化学成分

4．3．2 预处理过程中竹材失重率的变化规律

4．3．3 预处理过程中纤维素结晶度的变化规律

4．3．4 预处理竹材的主要官能团分析

4．3．5 预处理过程中竹材主要化学成分变化

4．4 小结

第五章 竹材不同预处理方法的比较

5．1 前言

5．2 材料与方法

5．2．1 试验材料

5．2．2 试验方法

5．3 结果与分析

5．3．1 预处理过程化学组分变化

5．3．2 预处理过程纤维素结晶度的变化

5．3．3 不同预处理方法的葡萄糖得率

5．3．4 水解固体剩余物的红外光谱分析

5．3．5 水解液产物的色谱分析

5．4 小结

第六章 结论与讨论

6．1 结论

6．1．1 竹材生物预处理的影响因素

6．1．2 竹材生物预处理过程中的物理化学变化

6．1．3 竹材化学预处理和生物预处理方法的比较

6．2 展望

参考文献

在读期间的学术研究

致谢