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预处理对玉米秸秆中木质素脱除及纤维素降解的影响

预处理对玉米秸秆中木质素脱除及纤维素降解的影响

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作者：田顺风江南大学

学位级别：硕士

我国玉米秸秆类木质纤维素资源十分丰富,但其有效利用率非常低。对木质纤维素进行合适的预处理,打破其固有生物顽抗性,能明显提高底物的酶降解效率。本文以玉米秸秆为原材料,通过氢氧化钠(NaOH)处理、碱性亚硫酸钠(NaSO)处理和碱性过氧... 详细信息

我国玉米秸秆类木质纤维素资源十分丰富,但其有效利用率非常低。对木质纤维素进行合适的预处理,打破其固有生物顽抗性,能明显提高底物的酶降解效率。本文以玉米秸秆为原材料,通过氢氧化钠(NaOH)处理、碱性亚硫酸钠(NaSO)处理和碱性过氧化氢(HO)处理等方法探究其对木质纤维素组分含量、底物可及性(内切纤维素酶的吸附量)和酶解效率影响的规律,同时研究了底物可及性与底物酶解效率之间的相关性,然后结合工业化生产的要求,在尽量保留可利用碳水化合物的基础上,采用微波辅助碱性亚硫酸钠处理并研究其操作工艺,以期提高底物的酶解效率。主要研究内容如下:首先研究NaOH处理、碱性NaSO处理和碱性HO处理对木质纤维素成分含量、底物可及性(内切纤维素酶的吸附量)和酶解效率的影响,结果表明:NaOH处理后的底物中木质素成分含量最低,为7.40 g/100 g,NaSO处理后的为14.51 g/100 g,HO处理后的为17.96 g/100 g;由于木质素的脱除,底物中葡聚糖和木聚糖的相对含量都有所增加;底物的扫描电镜图也显示预处理后底物的结构均有不同程度的破坏。在4°C下,纤维素酶的初始添加量为6.50 mg/g葡聚糖时,NaOH处理后的底物有最大的纤维素酶吸附量(4.70 mg/g葡聚糖),比原木质纤维素的提高了88.00%。改变纤维素酶的初始添加量,纤维素酶作用不同底物的吸附过程满足Langmuir方程(R2>0.95),且NaOH处理后的底物有最大的吸附能力(Wmax)和吸附常数(K)。同时预处理后底物的酶解效率都有所提高,其中木质素含量最低的NaOH处理后的底物有最大的酶解效率(18.90 g/100 g),碱性NaSO和碱性HO处理分别次之。以上研究结果说明脱除木质素有利于底物可及性和酶解效率的增加,木质纤维素的酶解效率与底物可及性之间显示出较好的线性关系,表明底物的可及性是决定底物酶解效率的重要因素。其次,利用一系列不同质量浓度的NaOH处理玉米秸秆,研究不同称程度的木质素脱除率对底物可及性和酶解效率的影响。结果表明:一定范围内,随着NaOH处理浓度的增大,木质素脱除率不断增加,处理后的底物对纤维素酶的吸附量和酶解效率也不断增大,且2.00 g/100 g NaOH处理后的底物有最大的纤维素酶吸附量(4.70 mg/g葡聚糖)和酶解效率(18.90 g/100 g);进一步提高NaOH处理浓度,木质素大量脱除的同时,很多非结晶区纤维素和半纤维素也被除去(碳水化合物保留率很低),底物的可及性和酶解效率反而下降,再次表明底物的可及性对底物酶解效率的重要作用。最后,在尽量提高碳水化合物保留率的基础上,采用微波辅助碱性亚硫酸钠处理玉米秸秆底物并进行优化,确定最佳工艺条件为:微波功率500 W,微波总时间30 min,NaSO质量浓度4.00 g/100 g,NaOH质量浓度0.10 g/100 g。与化学试剂用量和煮浆温度均相同的常规化学处理相比,微波辅助碱性亚硫酸钠处理后的底物有更高的纤维素酶吸附量(提高了8.88%)和酶解效率(提高了15.85%)。用扫描电镜、热重分析、X-衍射、傅里叶红外光谱和激光共聚焦显微镜等仪器对预处理前后底物的性质与结构进行观察与分析,结果表明:微波辅助碱性亚硫酸钠处理可断裂木质素与半纤维素之间的化学键和脱除部分关键性功能性基团,破坏木质素结构,从而有利于脱除更多的木质素,打破木质纤维素抗性层状结构,减少木质素对纤维素酶的空间阻碍作用和无效吸附作用,进而增大底物对纤维素酶的可及性,提高木质纤维素底物的酶解效率。

关键词：玉米秸秆底物可及性木质素脱除酶解效率微波辅助预处理

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