全麻纖維的綜合利用及木質素對纖維素酶吸附的研究.pdf

1、麻纖維是我國一類重要的傳統(tǒng)纖維原料，種類繁多，資源豐富。其中苧麻具有“中國草”之稱，由其皮部韌皮纖維加工成的紡織品具有潔白、挺括、冰爽、舒適、抑菌、保健、衛(wèi)生等優(yōu)點，深受國內外消費者喜愛。但苧麻韌皮纖維在使用前，必須首先將其中的膠質脫除，使單根纖維之間分離，同時賦予纖維一定的成紡性能。其中酶法脫膠由于具有脫膠專一性強、作用條件溫和、所得麻纖維品質好，柔軟、蓬松卷曲、手感好、強度高、光澤度好等諸多優(yōu)點，以及環(huán)境污染輕的優(yōu)勢，成為麻纖維脫膠

2、的發(fā)展方向。但目前在高效脫膠菌株、主要脫膠酶組分和脫膠機理等方面的研究還有待于深入，以促進酶法脫膠的發(fā)展。除了韌皮纖維外，占生物學產(chǎn)量60％左右的麻稈部分，目前除少部分用于壓制纖維板或制漿造紙外，大部分未被有效利用，造成資源的極大浪費，因此急需強化該方面的研究，以達到麻類原料全組分利用的目的。由于麻稈中富含纖維素，因此可望用于轉化生產(chǎn)燃料乙醇，但目前尚未有利用苧麻稈生產(chǎn)生物乙醇的報道。在生物轉化生產(chǎn)燃料乙醇過程中，由于原料中的木質素在纖

3、維素酶解過程中，會與酶產(chǎn)生非反應性的結合，導致對酶的無效吸附，從而影響纖維素的酶解效率。了解木質素與酶的吸附規(guī)律和機制對提高纖維素的酶解具有重要意義。由于不同原料來源的木質素的組成和性質等的不同，將會對吸附造成不同的影響，而該方面研究還未見報道?；谝陨媳尘?，本論文對苧麻等原料皮部韌皮纖維的高效脫膠酶系、酶法脫膠機制、麻稈部纖維預處理和糖化發(fā)酵產(chǎn)燃料乙醇的可行性、木質素對纖維素酶的吸附及機制等進行了研究。本論文的主要研究結果如下:

4、>　　1.苧麻高效脫膠菌株的篩選、酶學性質和果膠酶的生產(chǎn)
　　通過比較不同菌株粗酶液的脫膠能力，發(fā)現(xiàn)Bacillussp.Y1的粗酶液具有快速和高效的脫膠能力，脫膠過程在1h內基本完成，并且?guī)缀醪缓欣w維素酶。酶學性質研究表明，Bacillussp.Y1粗酶液中的PGL的最適pH為9.6-10.0，最適溫度為60℃，在pH7-10.5和30-50℃具有很好的穩(wěn)定性，有較寬的pH和溫度范圍，和很好的過氧化氫耐受性，具有較好的應用于酶

5、法脫膠的潛力。該粗酶液在脫膠過程中與過氧化氫具有協(xié)同作用，可明顯提高苧麻纖維的脫膠率和纖維白度，為酶法脫膠和過氧化氫漂白工藝相結合提供了理論基礎。
　　通過單因子實驗、混料設計、部分因子實驗和中心組合設計，對Bacillussp.Y1產(chǎn)酶培養(yǎng)基組分和培養(yǎng)條件進行了優(yōu)化，以提高其產(chǎn)酶水平。優(yōu)化后得到最佳產(chǎn)酶條件為:碳源10.5％,(NH4)2SO40.37％(w/v)，MgSO40.3％(w/v)，Tween-800.1％(w/v)

6、，初始pH8.2，每50mL的發(fā)酵培養(yǎng)基的接種量為1.3mL（種子培養(yǎng)液的OD600約為5.77），秋千式搖床轉速為100rpm，34℃下發(fā)酵60h。相比優(yōu)化前，PGL酶活和PG酶活分別提高了1倍和2.44倍，產(chǎn)酶高峰縮短了12h，由72h提前至60h。
　　2.脫膠機制研究
　　通過Bacillussp.Y1粗酶液酶系分析和粗酶、純酶添加實驗驗證，證明Bacillussp.Y1酶液中具有的高蛋白酶活力是該酶液有效脫膠的一個

7、主要因素，并發(fā)現(xiàn)蛋白酶和果膠酶在脫膠中存在協(xié)同作用。為酶法脫膠中的有效脫膠酶組分和脫膠酶系改造提供了新的見解。
　　通過對不同生長期的苧麻的化學成分和脫膠性能進行分析，發(fā)現(xiàn)頭麻和二麻在化學成分和脫膠效果上幾乎沒有差別，而三麻脫膠性能最差。對頭麻和三麻不同脫膠時間下的樣品進行比較研究，發(fā)現(xiàn)三麻中果膠和半纖維素的脫除率明顯低于頭麻，SEM觀察也發(fā)現(xiàn)三麻表面附著的膠質明顯多于頭麻，且較難脫除。分析推測可能是半纖維素阻礙了三麻膠質的脫除。

8、
　　3.預處理苧麻稈和紅麻稈糖化發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇研究
　　比較了幾種不同化學預處理方法對苧麻稈和紅麻稈纖維素酶解性能的改善效果以及預處理后稈部纖維糖化發(fā)酵產(chǎn)燃料乙醇的性能。研究發(fā)現(xiàn)堿法預處理較適用于此類原料。4％NaOH和0.02％蒽醌-2-磺酸鈉鹽(AQSS)，在170℃下處理1h的苧麻稈和紅麻稈，木質素脫除率最高，經(jīng)過分批補料半同步糖化發(fā)酵工藝，在補料至底物濃度為20％時，乙醇濃度可達63g/L，轉化率分別為77％和7

9、9％。紅麻稈經(jīng)5.2％NaHSO3和0.2％H2SO4，在170℃下處理1h，補料至20％的底物濃度時，乙醇濃度可達到65g/L，纖維素轉化率為72％。
　　4.不同原料來源木質素的組成和性質及其對纖維素酶吸附的影響和機制研究
　　來源于不同種類原料的木質素對纖維素酶表現(xiàn)出不同的吸附性能，吸附強弱排序為松木木質素＞玉米秸木質素＞楊木木質素＞紅麻稈木質素。通過對不同木質素組成和性質的研究，推測木質素的結構特征差異可能是造成吸附

10、差異的潛在機制，如功能團和木質素組成等。具有低S/G比例的木質素對纖維素酶表現(xiàn)出更高的吸附能力。玉米秸木質素中高的酚羥基含量和低的羧酸基團含量是其對纖維素酶吸附能力大于紅麻稈木質素和楊木木質素的原因之一。相比玉米秸木質素，松木木質素具有低含量的脂肪羥基，增加了木質素的疏水性，可能是松木木質素對纖維素酶吸附能力大于玉米秸木質素的原因之一。通過酶活測定、純酶吸附等實驗，發(fā)現(xiàn)木質素對纖維素酶不同酶組分的吸附力強弱順序為CBH、木聚糖酶＞EG＞