預(yù)處理過(guò)程中不同原料細(xì)胞形態(tài)學(xué)特征的變化及其對(duì)纖維素酶水解的影響研究.pdf

1、煤、石油、天然氣等不可再生能源面臨日益嚴(yán)重的危機(jī)，可再生的生物質(zhì)能源的開發(fā)頗受關(guān)注。其中通過(guò)生物轉(zhuǎn)化過(guò)程利用植物纖維原料生產(chǎn)燃料乙醇，可以補(bǔ)充或部分替代不可再生資源，緩解能源緊缺的危機(jī)，減少二氧化排放量，一定程度上減輕溫室效應(yīng)。木質(zhì)纖維素原料是世界上來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、數(shù)量龐大的可再生資源，以木質(zhì)纖維素為原料的第二代乙醇避免了第一代乙醇以糧食為原料導(dǎo)致的與人爭(zhēng)糧的糧食安全問(wèn)題，日益成為當(dāng)今世界的研究熱點(diǎn)。纖維素乙醇生產(chǎn)的關(guān)鍵是首先將木質(zhì)

2、纖維素通過(guò)酶解生成可發(fā)酵的糖，而預(yù)處理是其中關(guān)鍵的一個(gè)步驟。通過(guò)預(yù)處理，可以有效地破壞生物質(zhì)抗降解屏障，提高纖維素的酶解性能。但預(yù)處理改善木質(zhì)纖維素原料酶解性能的作用機(jī)制復(fù)雜，本論文試圖從纖維形態(tài)學(xué)和生物結(jié)構(gòu)角度，解析不同預(yù)處理方法對(duì)不同纖維素原料酶解性能的影響機(jī)制。
　　選取玉米秸稈和楊木作為原料，分別進(jìn)行水熱法、稀堿法和稀堿法、酸性亞硫酸鹽法預(yù)處理，然后進(jìn)行篩分，按照目數(shù)從小到大篩分組分記為R1，R2，R3，R4，R5。對(duì)不同

3、篩分分別用纖維素酶進(jìn)行酶解。研究了不同預(yù)處理方法對(duì)不同原料的纖維化學(xué)成分和形態(tài)學(xué)特征的影響，以及不同篩分的纖維素酶水解性能的規(guī)律，進(jìn)而研究了纖維原料和預(yù)處理后物料細(xì)胞壁在酶解過(guò)程中的變化規(guī)律。主要結(jié)果如下：
　　(1)就化學(xué)組成變化而言，NaOH預(yù)處理玉米秸稈后中的細(xì)小組分含量較水熱預(yù)處理的高，Na2SO3-H2SO4預(yù)處理?xiàng)钅纠w維細(xì)小組分含量較NaOH-AQ預(yù)處理的高。NaOH-AQ預(yù)處理在降解較少纖維素和半纖維素的情況下，對(duì)木

4、素的降解效果優(yōu)于Na2SO3-H2SO4。不論是玉米秸稈還是楊木，按照篩分R1，R2，R3，R4，R5的次序，半纖維素含量逐漸增加，木質(zhì)素含量依次降低。纖維素含量變化隨不同原料和不同預(yù)處理方法的差異，呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，其中玉米秸稈中纖維素的含量逐漸升高，楊木纖維素含量先升高再降低；NaOH-AQ預(yù)處理后楊木的R3組分的纖維素含量最高，而 Na2SO3-H2SO4預(yù)處理后楊木不同篩分中，纖維素含量最高的是 R4組分。一般而言，長(zhǎng)纖維組分中

5、抽出物含量相對(duì)較高，灰分含量相對(duì)較低。
　　(2)從纖維形態(tài)學(xué)特征變化的角度，各篩分按照R1，R2，R3，R4，R5的順序，纖維平均長(zhǎng)度、平均寬度、長(zhǎng)寬比、纖維粗度逐漸減??；細(xì)小纖維含量先減小后增大，在 R3處取最小值。水熱預(yù)處理各篩分的平均卷曲指數(shù)、扭結(jié)角和扭結(jié)數(shù)都高于NaOH預(yù)處理玉米秸稈的相應(yīng)組分。Na2SO3-H2SO4預(yù)處理后篩分的平均卷曲指數(shù)、扭結(jié)角和扭結(jié)數(shù)都比NaOH-AQ相應(yīng)篩分的高。這可能與纖維中半纖維素的含量有

6、關(guān)。水熱預(yù)處理和NaOH預(yù)處理玉米秸稈篩分的纖維細(xì)胞平均長(zhǎng)度和平均寬度按照R1，R2，R3，R4，R5的順序依次降低，纖維細(xì)胞長(zhǎng)寬比先增大后減小，其中R2最大。NaOH-AQ預(yù)處理和Na2SO3-H2SO4預(yù)處理?xiàng)钅靖骱Y分的纖維細(xì)胞平均長(zhǎng)度、長(zhǎng)寬比按照R1，R2，R3，R4，R5的順序依次降低，平均寬度相差較小。NaOH-AQ預(yù)處理?xiàng)钅靖骱Y分纖維細(xì)胞的腔徑都比Na2SO3-H2SO4預(yù)處理?xiàng)钅靖骱Y分纖維細(xì)胞的腔徑小。
　　(3)就

7、纖維素酶解性能而言，玉米秸稈經(jīng)過(guò)水熱法和NaOH法預(yù)處理以及楊木經(jīng)過(guò)NaOH-AQ預(yù)處理和Na2SO3-H2SO4預(yù)處理后，纖維素轉(zhuǎn)化率依次是R5＞R4＞R3＞R2＞R1。各篩分的葡萄糖質(zhì)量濃度和纖維素轉(zhuǎn)化率曲線走勢(shì)相一致，開始變化較大，后期逐漸趨于平穩(wěn)。
　　(4)通過(guò)觀察纖維細(xì)胞壁在預(yù)處理和酶解過(guò)程中的變化，發(fā)現(xiàn)：按照R1，R2，R3，R4，R5的順序，預(yù)處理后，纖維表面剝離程度明顯增大，纖維束中纖維細(xì)胞的數(shù)量依次降低。預(yù)處理