桦褐孔菌液体发酵和固体发酵对花生壳的降解模式、产酶规律及糖化研究

发布时间：2020-09-09 09:02

　　花生壳是一种可再生生物资源,由木质素、半纤维素和纤维素构成。目前,对花生壳木质纤维素的利用率极低,这主要是由于木质素包裹着纤维素和半纤维素导致其中纤维素难以利用。白腐菌在生物预处理木质纤维素中有非常高的价值,它是目前发现的唯一一类可直接将木质纤维素降解成CO_2和H_2O的真菌。鉴于桦褐孔菌属于白腐菌,本论文比较研究了桦褐孔菌液体发酵和固体发酵对花生壳的降解模式及桦褐孔菌预处理后花生壳的糖化效果,明确了在不同发酵方式下花生壳中木质纤维素的降解规律、桦褐孔菌木质纤维素降解酶的产生规律,以及发酵后花生壳纤维素的利用率。本论文采用van Soest化学分析法测定了液体/固体发酵方式下花生壳中的木质素、半纤维素、纤维素的动态降解率,利用傅立叶红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)对其木质纤维素降解过程中的化学结构、结晶度及表面结构进行了表征,并研究了液体发酵和固体发酵桦褐孔菌木质纤维素降解酶与木质纤维素降解率之间的关系,通过糖化实验对比液体/固体发酵后花生壳纤维素的利用率。结果表明:1、花生壳降解模式比较:液体发酵和固体发酵12天后花生壳中木质素的降解率分别为:62.11%,33.86%;半纤维素的降解率分别为:58.50%,45.04%;纤维素的降解率分别为:57.69%,28.29%。在液体发酵的前期花生壳中木质素的降解率小于纤维素的降解率,对于花生壳没有选择性降解;而在整个固体发酵发酵周期中花生壳中的木质素降解率始终大于纤维素,对于花生壳具有一定的选择性降解。2、化学组成、纤维素结晶度、表面结构变化:通过花生壳木质纤维素FTIR特征峰吸收值的变化,进一步确定桦褐孔菌固体发酵花生壳具有一定的选择性。XRD结果显示,液体/固体发酵花生壳中的木质纤维素的结晶度呈现一定程度的下降趋势,分别从50.3%降至40.66%、43.67%,说明桦褐孔菌能降解花生壳中纤维素的结晶区,这将有利于纤维素的进一步降解利用。SEM结果显示桦褐孔菌液体发酵和固体发酵降解花生壳表面均出现各种裂缝、孔洞、断层等降解区域,进一步验证了桦褐孔菌对花生壳中木质纤维素的降解作用。3、木质纤维素降解酶产生规律:桦褐孔菌液体发酵花生壳产木质素降解酶LiP和MnP的酶活力均高于固体发酵,液体发酵的LiP和MnP最高酶活力分别为1532.26U/g和2038.46U/g,是固体发酵LiP和MnP酶活力的4.52倍和4.48倍;MnP酶活力都要高于LiP酶活力,木质素酶的产生都在前期,且液体发酵产生的时间早于固体发酵,这与测定花生壳中三种成分降解的一致。液体发酵花生壳产纤维素酶总体上高于固体发酵,其中液体发酵的FPA和CMC最高酶活力分别为5.28U/g,22.6U/g,分别是固体发酵的1.1倍和1.8倍。FPA和CMC酶的酶活力均在后期达到最大,固体发酵和液体发酵产FPA酶和CMC酶的规律差异性不大。而液体/固体发酵产β-葡萄糖苷酶的变化趋势有一定的差别,首先液体发酵β-葡萄糖苷酶最大酶活力为22.2U/g,是固体发酵的2.2倍;其次液体发酵中β-葡萄糖苷酶的酶活力先升高再趋近平稳,固体发酵在第8天中达到最高,其余时间都比较低,在固体发酵的前期几乎没有酶活力。4、糖化效率:经桦褐孔菌粗酶液糖化处理,未预处理的花生壳糖化后总还原糖含量为104.59mg/g,而经液体发酵桦褐孔菌预处理的花生壳糖化后只有49.68mg/g,固体发酵预处理后的花生壳糖化后的总还原糖的含量上升到119.9mg/g。液体发酵前期木质素降解速率小于纤维素降解速率,到后期木质素降解速率大于纤维素降解速率,由于纤维素大部分被降解了,所以总还原糖含量降低。固体发酵中木质素的降解率一直大于纤维素降解率,所以糖化后总还原糖含量呈现上升。我们得出结论:桦褐孔菌液体发酵花生壳利于木质纤维素降解酶的产生,对花生壳木质纤维素的降解率高,但是不利于花生壳中纤维素的糖化利用;固体发酵利于花生壳中纤维素的利用。
【学位单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ914.3;TQ920.6
【部分图文】：

木质纤维素,结构示意图

工大学硕士学位论文桦褐孔菌液体发酵和固体发酵对花生壳的降解模式、产酶规律及糖化研究第一章绪论质纤维素降解转化利用研究现状木质纤维素简介木质纤维素是一类可再生的天然高分子化合物，其在自然界中含量非常的主要是由木质素、纤维素、半纤维素组成，其结构如下图 1.1。木质纤维存在植物当中，由植物通过光合作用产生，全球每年的产量为 1730 亿 t，含的能量大约为 2×1018kJ，是全世界每年消耗能量的 10 倍[1]。木质纤维通过水解转化成多糖，而多糖是转化成工业乙醇、甲醇等能源的关键原对木质纤维素材料的高效利用有助于缓解能源危机问题。

木质素,基本结构单元

图 1.2 纤维素基本结构木质素存在于植物细胞壁中，是一种可再生资源，在自然界中的含量纤维素。木质素是构成木质纤维素的基本骨架，纤维素和半纤维素填充在木质素是由三种木质素基本结构--愈创木基结构、紫丁香基结构和对羟苯(如下图 1.3 所示)，通过任意组合共聚化形成不均匀的、无眩光性的聚合木质素的结构紧密和半纤维素共同包裹着纤维素形成了木质纤维素的天屏障，又由于它独有的性质使得木质素对于大多数的微生物降解具有抵抗碍了微生物和纤维素酶对纤维素的降解，降低了纤维素的利用率。不同植木质素含量差异性较大，大部分植物中木质素含量在 15%-30%之间。且物中木质素的含量要高于草本植物[8]。

木质纤维素,预处理

维素乙醇为例，工业上制取纤维素乙醇主要经过四个步骤：预处醇蒸馏。首先要对其进行预处理，破坏其木质素的保护结构，晶度及聚合结构，提高木质纤维素的利用效率[11,12]。其次是向其制剂将纤维素水解成单糖或者低聚糖。再者是利用纤维素水解的醇，最后对制得的粗乙醇进行蒸馏提纯。在整个制取的过程中预步，未经预处理的木质纤维素原料，其水解率低于理论值的 20%的水解率可达理论值的 90%以上[13]。所以要提高木质纤维素的找到一种高效环保的预处理方法。质纤维素预处理方法质纤维素的预处理主要是脱除木质素，降低纤维素的结晶度和聚的比表面积(如下图 1.4 所示)，主要的预处理方法有物理法、化法、生物法。

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