利用汽爆预处理及表面活性剂提高芒草生物质降解效率分子机理研究

发布时间：2020-06-03 12:41

【摘要】：芒草是优质能源作物,生物质产量高,对环境适应能力强。由于木质纤维乙醇生产成本高,转化效率低,故必须寻找可提高生物质酶解效率的理想预处理方式和酶解条件,并筛选出优质的芒草材料。本研究利用10份有代表性的芒草材料,分析了汽爆预处理对芒草秸秆细胞壁成分、细胞壁结构因子和孔隙度的影响;揭示了影响汽爆材料酶解效率的细胞壁关键因子和酶解产糖的优化条件,鉴定了高效降解产糖的优质芒草材料,并提出了优质芒草材料高效降解的模型。此外,本研究还比较了三种表面活性剂对芒草汽爆材料酶解效率和乙醇产量的影响,初步探讨了三种表面活性剂作用的特异性。主要结果如下:1.经过汽爆预处理,10份芒草材料直接酶解效率可增加1.30-5.97倍,纤维素含量相对增加,半纤维素和木质素含量降低;此外,汽爆后材料纤维素的结晶度(Cr I)提高,聚合度(DP)降低,半纤维素主要单糖(Ara,Xyl)的含量降低,且Xy1/Ara比率(即半纤维素分支度的倒数)相应提高;木质素单体含量不同程度降低。2.关联分析发现:木质素H-单体是影响原材料直接酶解的唯一负向因子;纤维素DP,半纤维素含量及Xyl和Ara的含量、木质素S-单体的含量,是影响汽爆材料酶解效率的负因子。汽爆材料的Xyl和木质素S-单体含量负向影响DY值;纤维素DP、Xyl和Ara含量、S-单体含量皆负向影响DY/DB比率,解释了DY/DB是芒草汽爆材料直接酶解效率的关键正因子。3.芒草汽爆材料孔隙度的测定,得出大孔隙(DY)与小孔隙(DB)的比率(DY/DB)是影响汽爆材料酶解效率的关键正向因子。4.三种表面活性剂(Tween-80、PEG4000、Silwet L-77)提高酶解效率的最适浓度分别为:2%、0.5%和1%。其中1%Silwet L-77能够有效提高原材料的酶解效率,2%Tween-80对汽爆材料的酶解效率最高。5.1%Na OH预处理汽爆材料,酶解添加2%Tween-80处理(1%Na OH+2%Tween-80),可使优质秸秆材料完全降解。扫描电镜观察发现,该处理使木质纤维素结构破坏最严重,导致酶解效率最高。6.添加三种表面活性剂后,乙醇产量均高于对照,其中1%Na OH+2%Tween-80和1%Na OH+0.5%PEG4000处理,乙醇产量均达到最高(约16.2%),比对照增加2.2倍。蛋白浓度测定发现,1%Na OH+2%Tween-80酶解液中的纤维素酶的浓度最高,表明该处理能最大程度的利用纤维素酶,并初步解释了该处理产糖产醇的效率最高。
【图文】：

图1.1芒草的四个种（王艳婷等2016）Fig.1.1 Four major Miscanthus species (Wang et al 2016)1.2.2 芒草能源植物的特点芒草作为能源植物，受到广泛受关注和推崇，主要是因为其自身的综合优势和特点：（1）强环境适应能力：芒草的生态适应能力强，从热带地区到寒温带地区，从山地到滩涂，芒草都能保持正常生长，充分显示了不与人争地争粮的优势特点（彭良才 2011）。（2）高生物质产量：芒草为 C4 植物，多年生、光合效率比 C3 植物高，可高效利用光能固定二氧化碳并以生物质形式存储于植物中，是目前干物质产量最高的能源植物之一，，在我国黑龙江和山东等省份，荻和南荻的干物质年产量为 37.5t/hm2- 43.8 t/hm2（Lewandowski et al 2000; Heaton et al 2008;王春燕等 2009；范

细胞壁组成,初生壁

华中农业大学 2017 届博士研究生学位（毕业）论文壁胞壁的结构物细胞最重要的特征结构，也是地球上最大的可再生的主要部分。植物细胞壁由三部分组成，即：初生壁（PSecondary wall，sw）和胞间层（Middle lamella，ml）（。初生壁是在细胞早期伸长过程中形成的，为正在生长发育旺盛部位的细胞只有初生壁，对维护细胞形态层的分子转运扩散、储备碳水化合物等均起着非常重停止生长时，初生壁内侧逐渐增厚，微纤丝的排列更于植物机械组织等特定的细胞中。在两个相邻细胞间ork et al 1986）。
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S216

【参考文献】