白腐菌Pleurotus ostreatus BP3预处理促进麦秆酶解的机制研究

发布时间：2020-05-24 03:01

【摘要】：木质纤维素原料的复杂结构是限制纤维质乙醇转化效率最主要的限制因素。利用白腐菌预处理技术不仅可以显著降低生物质中的木质素含量,从而降低其酶解抗性,提高生物质利用效率,而且能耗低、环境友好。但是,白腐菌预处理增效酶解的作用机制还不明晰。本课题以高效预处理菌株Pleurotus ostreatus BP3为研究对象,建立了一种简单高效的预处理麦秆转化为乙醇的技术。在此基础上,利用多种仪器分析的手段来表征预处理过程中麦秆结构的变化,从而揭示白腐菌预处理改性木质素的机制以及促进酶解反应的作用机制。首先,研究发现向Pleurotus ostreatus BP3预处理麦秆体系中添加Mn~(2+)能显著提高生物预处理效率:添加0.0025mmol/g的Mn~(2+)进行生物预处理35天后,葡萄糖产量达到342.09mg/g麦秆,乙醇产量达到118.22mg/g麦秆。对不同预处理条件下的麦秆组分变化和葡萄糖转化率进行相关性分析,发现了酶解增效不仅与木质素降解相关,也与半纤维素的降解有一定相关性。进一步利用红外光谱、热裂解气质联用、核磁共振等表征手段对不同预处理条件下的麦秆木质纤维素和木质素及木质素-碳水化合物复合体(LCC)结构进行比较研究。结果表明,白腐菌生物预处理过程中,麦秆木质素发生脱甲基反应,导致S/G比例下降24.21%;木质素结构单元之间的连键(β-O-4,、β-β,、β-5,等)断裂,一些相对较难降解的C-C连键几乎被完全降解;同时苯环开环现象明显,使得木质素基本骨架破坏,空间网状结构解体;尤其重要的是阿魏酸作为连接半纤维素和木质素的主要成分,经白腐菌预处理后降低了61.36%,导致LCC结构的破坏。Mn~(2+)的添加进一步促进了上述结构的改变。木质素的降解和结构单元组成比例的改变,以及阿魏酸的降解导致麦秆LCC结构的解体是白腐菌预处理增效酶解的关键。最后研究了白腐菌预处理前后及添加Mn~(2+)后,麦秆木质纤维素结晶度、表面微观结构、孔径分布及比表面积、麦秆纤维素可及性的变化。结果表明白腐菌预处理导致麦秆中孔数量明显增多,比表面积增大了11.60%,纤维素可及性提高了14.98倍,与纤维素酶的吸附作用增强了3.33倍,Mn~(2+)的添加进一步促进了上述特征的变化。因此,白腐菌预处理通过破坏麦秆表面及内部结构,增大孔隙度和比表面积,极大程度地解除酶解抗性屏障,导致纤维素酶与底物的吸附作用明显增强,最终增效酶解。本论文揭示了麦秆木质素和LCC的生物降解和改性在增效酶解中的重要性及其作用机制,为发展生物乙醇提供了理论基础,对木质纤维素的生物炼制具有重要的指导意义。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S216.2

【参考文献】