酸预处理过程中假木素的生成和LCC结构变化对蔗渣酶解的影响

发布时间：2020-05-09 21:09

【摘要】：酸预处理是木质纤维原料生产生物乙醇的重要步骤之一。残余木质素、LCC和生成的假木素严重抑制酸预处理原料的酶解,导致酸预处理缺乏经济竞争力。本文深入研究了酸预处理过程中假木素的生成、LCC的结构变化对蔗渣酶解的影响,主要研究内容如下:(1)采用稀酸预处理蔗渣,利用离子色谱和高效液相色谱定量分析水解液中糖组分和抑制物含量,分析预处理原料的化学成分,利用SEM、XRD分析预处理原料表面形态、结晶度,再进行预处理原料的酶解,揭示酸预处理对蔗渣酶解的影响。(2)利用模型化合物(纤维素、半纤维素、糠醛、5-HMF、MWL)模拟酸预处理过程中假木素的生成,利用红外、固体核磁、热裂解气质(Py-GC-MS)分析假木素的化学结构,阐述假木素的生成机理。(3)采用Bjorkman方法从预处理前后原料中提取RM-LCC、LHW-LCC和AP-LCC,利用核磁共振(13C和1H-13CHSQCNMR)分析预处理过程中LCC的结构变化,揭示酸预处理对蔗渣LCC结构的影响。(4)通过溶解再生制备假木素-纤维素复合物后完成酶解,揭示假木素对纤维素酶解的抑制作用;利用旋涂制备LCC生物芯片后,在4℃和50℃下,利用QCM-D实时监测LCC与纤维素酶的动态作用,建立LCC与纤维素酶相互作用的动力学模型。主要研究结论如下:(1)预处理过程中半纤维素和纤维素会进一步降解成糠醛、5-HMF等抑制物,并生成假木素。预处理强度越大,假木素生成量越多。当预处理强度为3.25时,预处理原料中酸不溶物含量增加至28.58%(蔗渣木素含量仅为22.15%)。假木素的生成,导致预处理原料酶解的得率下降,酶解效率为46.24%。(2)糠醛和5-HMF通过缩聚或分子重排生成BTO、DMC、Humins、FPHG和FPCD等反应中间体,再与糠醛和5-HMF通过酚醛缩合、醇醛加成和缩醛等反应生成假木素。(3)酸预处理过程中,由于半纤维素的脱除,LCC木聚糖含量由40.6%降低为22.2%。木质素发生解聚,S/G/H的比值由1.0/5.0/3.3降低为1.0/3.0/0,木质素含量由33.5%降低到22.2%。酸预处理后,LCC苯基糖苷键的含量由0/100苯环增加到57.44/100苯环。(4)假木素对纤维素酶的无效吸附和空间阻碍抑制了预处理原料的酶解。当假木素含量从0增加到50%时,原料酶解效率从97.11%降低到58.42%。LCC与纤维素酶相互作用分为两个阶段,即酶吸附阶段和酶解脱附阶段。预处理后LCC对纤维素酶的吸附能力增强,纤维素酶无法完全水解LCC中的碳水化合物。构建LCC吸附纤维素酶的Langmuir准一级动力学模型,揭示纤维素酶的最大吸附量和吸附、脱附速率常数。结果显示:预处理后,LCC与纤维素酶亲和力增强,吸附速率常数增大。
【图文】：

示意图,原料结构,木质纤维,纤维素

Ｆｉｇ．１－１邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｌｉｇｎｏｃｅｃｅｌｌｕｌｏｓｅ逡逑２．１纤维素逡逑纤维素是木质纤维原料细胞壁的主要成分，在软木中纤维素含量约占植物总重的逡逑－４２％［９１，，在硬木中，纤维素含量约占植物总重的３８－５１％［１Ｑ］，在草类原料中，纤维素含逡逑约占植物总重的０－４０％［１１＿１３］。纤维素是由０－葡萄糖通过（３－１，４－糖苷键连接形成的直链逡逑，纤维素分子含有丰富的羟基，纤维素分子内部和纤维素分子之间会形成氢键，纤逡逑分子在氢键作用下会形成结晶结构，进而组成无定型区、结晶区等纤维聚合物［１１逡逑界中大约有一半的碳以纤维素的形式存在，因此将纤维素转化为生物质燃料和抑制逡逑有重要的意义。逡逑ＯＨ逦０Ｈ逡逑

流程图,流程,生物质,去离子水

黑暗保持１６ｈ逡逑Ｘｙｌ－Ｌ－Ｇｌｕ逡逑图１－９邋Ｘｙｌ－Ｌ－Ｇｌｕ和Ｘｙｌ－Ｌ－Ａｒａ的分离流程逡逑Ｆｉｇ．邋１－９邋Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋Ｘｙｌ－Ｌ－Ｇｌｕ邋ａｎｄ邋Ｘｙｌ－Ｌ－Ａｒａ逡逑Ｄｕ等人结合Ｌａｗｏｋｏ和Ｌｉ等人的方法从禾本科植物中成功提取到分子量分别为逡逑４９００００邋ｇ／ｍｏｌ、６３０００－１６００００邋ｇ／ｍｏｌ邋和邋１８０００邋ｇ／ｍｏｌ邋的邋Ｇｌｕ－Ｌ、ＧＭ－Ｌ邋和邋Ｘｙｌ－Ｌ［７９］（图邋１－逡逑１０）。逡逑生物质逡逑球磨逡逑生物质粉末逡逑ＤＭＳＯ／ＴＢＡＨ逡逑上清液逡逑加去离子水稀释逡逑［ｍｍ邋１逦［‘体逡逑Ｂａ（ＯＨ）２逦去离子水洗涤至ＰＨ＝７逡逑｜逦｜邋Ｇｌｕ－Ｌ邋｜逡逑ｍｍ］逦丨固体１逡逑ＨＣＩ调节至ＰＨ＝７逦ＨＣＩ调节至ＰＨ＝７逡逑ＧＭ－Ｌ邋｜逦［邋Ｘｙｌ－Ｌ逡逑图１－ｌＯＧｌｕ－Ｌ、ＧＭ－Ｌ和Ｘｙｌ－Ｌ的提取流程逡逑Ｆｉｇ．邋１－１０邋Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋Ｇｌｕ－Ｌ，邋ＧＭ－Ｌ邋ａｎｄ邋Ｘｙｌ－Ｌ逡逑表１－３列举了根据不同方法提纯的ＬＣＣ的主要化学成分。由表１－３可知，逡逑１１逡逑
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ353;TS249.2

【参考文献】