纤维素超分子结构及其降解过程的表征分析

发布时间：2017-06-09 02:05

  本文关键词：纤维素超分子结构及其降解过程的表征分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：木质纤维素是植物细胞壁中的主要成分,其中包含纤维素、半纤维素和果胶质。在植物细胞壁中,纤维素构成细胞壁的骨架结构,以高度结晶的有序结构微纤丝状态存在于细胞壁中。细胞壁如此复杂的天然结构,形成了多种保护机制,其抵抗微生物以及酶降解的各种防御措施形成了植物的“抗降解屏障”,这给木质纤维素的综合利用带来极大困难。 纤维素是以β-1,4-糖苷键连接而成的简单超分子化合物,但其超分子结构却非常复杂,由于其结构层次未加阐明,所以是何种因素限制酶解速率一直以来都是一个极具争议的科学问题。近年来,由于结构测定技术的迅速发展,初步建立了从米(100m)到纳米层次(10-9m)的表征手段,建立了相关微纤丝合成的模块。但是仍未系统全面分析不同层次下天然异质性纤维素的变化,仍未说明酸解、酶解、菌体以及天然生境中纤维素超分子结构的降解变化,因此本文基于天然纤维素不同层次的整体测定技术,比对局部超微结构的分析,引入切片技术分析异质性纤维细胞壁内部结构变化,阐明纤维素超分子结构降解过程变化。 获得的主要进展如下 1、利用聚合度测定、氢键强度测定、结晶度测定以及可及度测定全面系统表征整体结构的变化,区分了纤维素超分子结构一级、二级、三级及四级结构层次,建立了相关层次与整体结构信息的关系。应用超分子结构表征方法结合切片表征分析异质性的纤维素超分子结构,提出纤维素微纤丝为作为三级结构的基本单元,其不同堆积排列方式(四级结构)的空隙仅为7nm左右,明显限制了5-7nm游离酶分子的有效扩散,微纤丝的紧密堆积形成了限制游离酶系降解的大然屏障,使得酶解过程仅发生在植物细胞壁的表面。相对酸解过程,由与H+的大小在1A以下,可以在微纤丝孔隙中自由扩散,因此可以对内部微纤丝非晶结构进行降解,使得纤维素的结晶度上升。 2、通过热纤梭菌(Clostridiem thermocellum)以及牛瘤胃天然生境系统中的微生物去对结晶纤维素类底物进行的降解分析发现,这些厌氧细菌对微纤丝的降解模式与酸解、酶解明显不同,它们可以针对整根微纤丝进行降解,从而引起结晶度的明显下降,而结晶度的降解是纤维素三级结构坍塌的表现。虽然整体结构测定的信息相对一致,但热纤梭菌与牛瘤胃天然生境系统降解模式又有区别,热纤梭可将纤维表面微纤丝重构,使得微纤丝明显变粗,然后降解孔洞逐渐扩大,完成局部区域的高效降解。而牛瘤胃天然生境系统中降解过程直接作用微纤丝,类似于内切酶的作用,在微纤丝表面不断形成切口并降解,使得微纤丝平均直径逐渐变细,形成串珠状,最后完成降解。好氧的生孢噬纤维粘菌降解模式类似于牛瘤胃中相关细菌的降解,直接破坏纤维素的三级结构,完成对整根微纤丝的高效降解,克服细胞壁形成的天然降解屏障。热纤梭菌、生孢噬纤维粘菌以及牛瘤胃生境对由于微生物菌体对结晶微纤丝这种具有高效的利用能力,使得以后结晶纤维素的高效转化研究应以菌体为主要目标,而非游离纤维素酶系。
【关键词】：结晶纤维素 超分子结构 原子力显微镜 抗降解屏障
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TQ352.1
【目录】：

• 中文摘要8-10
• Abstract10-13
• Abbreviation13-14
• 第1章 绪论14-43
• 1.1 生物质抗降解屏障15-26
• 1.1.1 植物细胞壁及其结构层次15-18
• 1.1.2 纤维素18-23
• 1.1.2.1 纤维素的合成18-19
• 1.1.2.2 纤维素的结构19-23
• 1.1.3 半纤维素23-24
• 1.1.4 木质素24-26
• 1.2 预处理技术26-27
• 1.3 降解纤维素的微生物27-29
• 1.4 纤维素酶系统29-35
• 1.4.1 纤维素酶种类29-31
• 1.4.2 非复合纤维素酶系统31-34
• 1.4.3 复合纤维素酶系统34-35
• 1.5 纤维素超微结构分析方法的应用35-40
• 1.5.1 纤维素类底物整体结构的测定36-38
• 1.5.1.1 聚合度36
• 1.5.1.2 氢键强度36-37
• 1.5.1.3 结晶度37-38
• 1.5.1.4 可及度38
• 1.5.2 超分子结构表面分析技术38-40
• 1.5.2.1 扫描电子显微镜(SEM)分析表面形貌39
• 1.5.2.2 原子力显微镜(AFM)分析样品表面形貌39-40
• 1.5.2.3 切片技术结合AFM分析纤维内部结构40
• 1.5.3 数字图像定量分析40
• 1.6 立体依据40-43
• 第2章 纤维素底物超分子结构表征平台的建立43-67
• 2.1 材料与方法44-50
• 2.1.1 材料44
• 2.1.2 主要仪器和试剂44
• 2.1.3 纤维素类底物整体量测定44-47
• 2.1.3.1 聚合度44-47
• 2.1.3.2 氢键强度47
• 2.1.3.3 结晶度47
• 2.1.3.4 可及度47
• 2.1.4 底物表面形貌分析47-48
• 2.1.4.1 扫描电子显微镜(SEM)分析样品表面形貌47-48
• 2.1.4.2 原子力显微镜(AFM)分析样品表面形貌48
• 2.1.5 纤维细胞壁内部结构分析48-50
• 2.1.5.1 无水乙醇的再次处理48
• 2.1.5.2 纤维类样品的包埋过程48-50
• 2.1.6 数字图像定量分析50
• 2.2 结果与分析50-65
• 2.2.1 纤维素整体结构测定50-57
• 2.2.1.1 聚合度50-52
• 2.2.1.2 氢键强度52-54
• 2.2.1.3 结晶度54-56
• 2.2.1.4 可及度56-57
• 2.2.2 样品表面超微结构分析57-65
• 2.2.2.1 观察尺度的逐级放大57-59
• 2.2.2.2 SEM/AFM图像的定量分析59-63
• 2.2.2.3 切片分析纤维细胞壁内部结构63-65
• 2.3 总结与讨论65-67
• 第3章 稀酸与真菌游离酶系对结晶纤维素的降解及分析67-89
• 3.1 材料和方法67-69
• 3.1.1 材料67
• 3.1.2 仪器和试剂67-68
• 3.1.3 稀酸水解和瑞氏木霉酶制剂对纤维素粉CFll的降解68
• 3.1.3.1 稀酸水解CF1168
• 3.1.3.2 瑞氏木霉酶制剂对CF11的降解68
• 3.1.4 纤维素整体结构测定68-69
• 3.1.4.1 上清液中还原糖测定68-69
• 3.1.4.2 整体结构测定69
• 3.1.5 切片分析纤维细胞壁内部结构69
• 3.1.6 利用AFM/SEM对CF11进行表面超微结构分析69
• 3.2 结果与分析69-87
• 3.2.1 整体结构分析69-76
• 3.2.1.1 还原糖量69-72
• 3.2.1.2 氢键强度72-74
• 3.2.1.3 结晶度74-76
• 3.2.2 利用SEM/AFM进行底物的超微结构观察和分析76-87
• 3.2.2.1 利用SEM/AFM观察稀酸水解后底物表面形貌76-81
• 3.2.2.2 酶解后样品SEM/AFM超微结构观察和定量化分析81-85
• 3.2.2.3 切片分析纤维细胞壁内部结构85-87
• 3.3 总结与讨论87-89
• 第4章 微生物菌体对结晶纤维素的降解及分析89-117
• 4.1 材料与方法89-91
• 4.1.1 材料89
• 4.1.2 主要仪器和试剂89-90
• 4.1.3 热纤梭菌对CF11的降解90
• 4.1.4 牛瘤胃复杂生境微生物对CF11的降解90-91
• 4.1.5 生孢噬纤维粘菌对滤纸纤维的降解91
• 4.2 结果与分析91-115
• 4.2.1 纤维素整体结构测定91-93
• 4.2.1.1 聚合度91
• 4.2.1.2 氢键强度91-92
• 4.2.1.3 结晶度92-93
• 4.2.2 热纤梭菌对纤维素粉CF11底物的降解93-101
• 4.2.2.1 利用SEM对样品表面进行观察93-95
• 4.2.2.2 利用AFM对样品表面进行扫描分析95-100
• 4.2.2.3 利用切片技术分析内部结构100-101
• 4.2.3 牛瘤胃生境微生物对微晶纤维素CF11的降解101-112
• 4.2.3.1 利用SEM对样品表面进行观察101-103
• 4.2.3.2 利用AFM对样品表面进行分析103-110
• 4.2.3.3 利用切片技术分析内部结构110-112
• 4.2.4 生孢噬纤维粘菌对滤纸纤维的降解112-115
• 4.2.4.1 利用SEM观察底物表面形貌112-114
• 4.2.4.2 利用AFM对底物进行表面形貌分析114-115
• 4.3 总结与讨论115-117
• 全文总结与展望117-119
• 总结117-118
• 展望118-119
• 参考文献119-127
• 攻读学位期间的研究成果127-128
• 致谢128-130
• 学位论文评阅及答辩情况表130

【引证文献】

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 张小梅;糖苷水解酶性质高通量分析平台的建立及GH12家族酶组分多功能活性架构的机理研究[D];山东大学;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 李单单;糖苷水解酶GH12家族活性架构中关键氨基酸的功能分析[D];山东大学;2013年

  本文关键词：纤维素超分子结构及其降解过程的表征分析，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：434195