纖維素酶水解植物纖維局部化學(xué)變化的初步研究.pdf

1、纖維素是地球上最豐富的多糖資源，以植物纖維為原料開發(fā)可再生的產(chǎn)品已經(jīng)成為全球研究熱點(diǎn)。纖維素微纖絲(CMF)作為一種新型納米纖維素材料，具有優(yōu)異力學(xué)性能、透光性以及阻隔性，但目前CMF還不能成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，主要原因是將纖維解離成CMF的機(jī)械能耗太高，而酶預(yù)處理纖維，有助于CMF的解離，可降低CMF的解離能耗。雖然國內(nèi)外對(duì)酶水解纖維已有大量研究，但對(duì)酶預(yù)處理制備CMF的研究還存在一定的局限性。本課題重點(diǎn)研究纖維素酶水解纖維細(xì)胞壁局部化學(xué)的

2、變化。采用復(fù)合、內(nèi)切和外切纖維素酶水解漂白針葉木纖維，通過纖維細(xì)胞壁的分離，分別研究不同壁層的形態(tài)參數(shù)、聚糖組分和纖維素聚合度，加強(qiáng)對(duì)酶預(yù)處理機(jī)理的深入研究，以優(yōu)化酶預(yù)處理工藝，并為酶預(yù)處理技術(shù)在CMF制備中的實(shí)際應(yīng)用提供一定理論基礎(chǔ)，促進(jìn)CMF制備技術(shù)的進(jìn)一步突破和工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。
　　通過超聲波技術(shù)和動(dòng)態(tài)濾水儀(DDJ)的篩分作用來分離纖維細(xì)胞壁。首先使用超聲處理60min，可使纖維發(fā)生明顯的“起皮”、“剝皮”現(xiàn)象，初生壁（P

3、層）和次生壁外層(S1)層被剝開，再利用DDJ的篩分作用可將P層和S1層剝離纖維表面。纖維形態(tài)分析表明，超聲處理不會(huì)切斷纖維，經(jīng)DDJ篩分后的纖維長度基本不變，但由于P層和S1層的剝離，纖維寬度比原來減小了0.4μm;聚合度分析和紅外光譜分析也表明，超聲處理并沒有切斷纖維，且處理后的纖維沒有產(chǎn)生新的官能團(tuán)。
　　建立了高效液相色譜（HPLC）分析單糖的方法。選用了分離工藝較簡單的Sugar Pak-Ⅰ糖分析柱在Waters1525

4、高效液相色譜儀上進(jìn)行糖的分離，分離條件為:柱溫:90℃;流動(dòng)相:超純水;流速:0.5mL/min;進(jìn)樣量:20μL;在此測(cè)定條件下，實(shí)現(xiàn)了葡萄糖、木糖、甘露糖、半乳糖和阿拉伯糖五種標(biāo)準(zhǔn)糖較好的分離;繪制了五種標(biāo)準(zhǔn)糖的標(biāo)準(zhǔn)曲線，五種糖均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，且其重現(xiàn)性良好，各糖變異系數(shù)均小于3％，滿足儀器測(cè)定要求。
　　采用光學(xué)顯微鏡對(duì)酶水解后的纖維進(jìn)行形態(tài)分析，結(jié)果表明，三種纖維素酶均可以切斷纖維，且纖維發(fā)生了多次斷裂;三種酶作用下

5、，漂白針葉木纖維和細(xì)胞壁分離樣品中長纖維組分的平均長度逐漸變短，而從纖維表面剝離下來的細(xì)小組分的長度變化不明顯。掃描電鏡(SEM)分析表明，內(nèi)切纖維素酶不像復(fù)合纖維素酶和外切纖維素酶可以使纖維發(fā)生明顯的“起皮”、“剝皮”現(xiàn)象，它對(duì)纖維的主要作用是切斷。
　　纖維形態(tài)參數(shù)分析表明，三種酶作用后，纖維的數(shù)均長度、重均長度均逐漸減小，在復(fù)合、內(nèi)切和外切酶酶用量均達(dá)到最大時(shí)，數(shù)均長度的下降率分別為86.3％、76.62％和86.85％;纖

6、維卷曲率和扭結(jié)纖維含量與纖維平均長度變化一致，也呈下降趨勢(shì);平均寬度則先減小后增大;在復(fù)合和內(nèi)切酶作用下，細(xì)小纖維含量先減小后增大，外切酶作用下，細(xì)小纖維含量逐漸增大。細(xì)胞壁分離樣品中，長纖維組分的平均長度逐漸減小，平均寬度先減小后增大，細(xì)小纖維含量逐漸增大;從纖維表面剝離下來的細(xì)小組分的平均長度也呈下降趨勢(shì)，但下降幅度較小;在此長度條件下測(cè)定的平均寬度和細(xì)小纖維含量均偏大，變化幅度較小。
　　對(duì)酶水解后的纖維，進(jìn)行細(xì)胞壁分離，再

7、經(jīng)酸完全水解后測(cè)定其不同壁層的聚糖組分。高效液相色譜分析表明:漂白針葉木纖維水解后主要含有葡萄糖、木糖、甘露糖、半乳糖和阿拉伯糖五種單糖，其中葡萄糖含量占80％以上。在三種酶作用下，漂白針葉木纖維中葡萄糖含量均呈先增大后減小的趨勢(shì)，而其余四種糖則先減小后增大。三種酶作用下，細(xì)胞壁分離樣品中，長纖維組分中葡萄糖含量高于細(xì)小組分，但木糖、甘露糖、半乳糖和阿拉伯糖低于細(xì)小組分，因此，細(xì)胞壁外層中含有較多半纖維素，酶對(duì)其水解更快。聚合度分析顯示