基于紫外光催化碱性过氧化氢氧化预处理技术的剑麻渣综合利用研究

作     者：杨溢烁 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王兆梅

授予年度：2019年

学科分类：0821[工学-纺织科学与工程] 08[工学] 082101[工学-纺织工程] 

主      题：剑麻渣 木质纤维素 预处理 紫外光催化过氧化氢氧化 离子液体 酶解糖化 

摘      要：剑麻渣是剑麻纤维工业中产生的副产物,主要由纤维素、半纤维素、木质素和果胶共同组成,拥有丰富的可发酵糖。开展剑麻渣综合利用,对实现生物质资源高值化利用与减少环境污染具有积极意义。由于剑麻木质纤维自身结构的特殊性阻碍了可发酵糖的酶解转化,需要采取有效的方法对其进行预处理。本文提出一种基于紫外光催化过氧化氢氧化预处理(UV photocatalysis and hydrogen peroxide pretreatment,简称UHP)的高级氧化方法,研究UHP对剑麻渣中木质素脱除及其酶解转化的影响,并在此基础上对预处理后的剑麻固体残渣中的主要组分进行分级与鉴定,由此推测UHP预处理剑麻渣的机理;同时分析UHP预处理液中的主要降解产物,并评价其抗氧化活性;而后针对UHP剑麻固体残渣结晶度升高的问题,将UHP与离子液体预处理结合(简称UHP+IL)强化剑麻渣的酶解转化过程。主要内容与结果如下:(1)UHP预处理剑麻渣的工艺研究。UHP预处理单因素研究表明,HO添加量与预处理时间是影响预处理效果的关键因素,确定了UHP预处理剑麻渣的最佳工艺条件,即HO添加量0.1 g/g,pH 10.0,紫外光照6 h,在最佳预处理条件下,剑麻渣木质素去除率为76.6%,酶解后还原糖与葡萄糖转化率分别为71.2%和91.6%。与常用的碱性过氧化氢预处理方法相比,UHP预处理剑麻渣的木质素去除率提高39.8%,经UHP预处理后,剑麻渣的还原糖与葡萄糖转化率分别提高36.7%与21.6%,且HO用量减少近80%,预处理时间缩短近30%。化学组成与SEM分析表明,UHP处理剑麻木质纤维结构遭到破坏,木质素-纤维素比例降低,这有利于后续的酶解;另一方面,XRD分析发现UHP预处理后的固体残渣的结晶度提高。(2)UHP预处理剑麻固体残渣的组分分级与结构鉴定。根据UHP预处理过程中各组分含量变化和结构分析,推测了UHP预处理剑麻的机理:HO在UV激发下产生羟自由基,并形成自由基链锁反应,通过自由基的高级氧化作用,依次降解剑麻木质纤维外层包裹的木质素和内层的果胶、半纤维素、纤维素,形成松散的木质纤维结构。UHP预处理剑麻固体残渣经过碱处理分级回收,得到的纤维素组分呈纤维素I型结构且结晶度更高,半纤维素组分为含有α-L-呋喃式阿拉伯糖及葡萄糖醛酸侧链的4-O-甲基-D-葡萄糖木糖,木质素组分为愈创木基-紫丁香基-对羟苯基型木质素,且含有高浓度的阿魏酸及对香豆酸。(3)剑麻渣UHP预处理液的组分分析与抗氧化活性研究。预处理液的组成主要包括由半纤维和纤维素氧化降解得到的低聚糖与葡萄糖、木糖等单糖组分以及由木质素氧化降解得到的酚及其衍生物,降解产物含量随HO添加量的增加和预处理时间的延长而增加。HO添加量0.5 g/g时预处理液的抗氧化活性相对较强,总还原力及对ABTS自由基、羟自由基清除作用的EC值分别为2.02 mg/mL、0.45 mg/mL和0.10 mg/mL,Pearson相关性分析显示,预处理液的抗氧化能力与其中的低聚糖和总酚含量具有显著相关性。(4)离子液体预处理强化UHP剑麻固体残渣酶解糖化过程的研究。为进一步促进剑麻固体残渣酶解,提出了离子液预处理强化UHP剑麻固体残渣酶解的工艺,简称UHP+IL。确定了最佳的离子液体预处理工艺参数,即添加[TBA][OH]离子液20 mL/g,60℃,400 W超声功率下超声反应40 min,在此条件下得到的剑麻渣酶解还原糖转化率为88.8%;经酶解条件优化,纤维素酶添加量为10 FPU/g,酶解时间为36 h,相较于UHP预处理后的剑麻固体残渣酶解,纤维素酶用量与酶解时间均下降50%;酶解动力学分析发现,与UHP剑麻固体残渣相比,UHP+IL预处理后的剑麻渣酶解速率常数k值更高,米氏常数K值更低。XRD,FT-IR与SEM分析表明,UHP+IL技术通过高效脱除木质素和对纤维素的消晶作用促进剑麻渣的酶解转化。