杨木非纤维素主要组分脱除过程细胞壁解构及酶解机理研究

发布时间：2020-06-11 15:33

【摘要】：近年来,能源短缺以及化石燃料燃烧造成的空气污染问题日益严重,将可再生木质纤维生物质高效地转化为生物燃料受到了广泛的关注。木质素和半纤维素被认为是阻碍纤维素高值化利用的关键因素,研究其含量与分布对生物质抗降解屏障和纤维素酶水解的影响受到各国学者的重视。为此,本文将化学与显微分析相结合,研究了稀碱预处理杨木主要组分脱除过程中细胞壁化学组成、超微结构以及区域化学变化,并分别探究了木质素和半纤维素的脱除对纤维素酶水解的影响,为实现生物质的高值化利用提供理论指导。所得主要结果与结论如下:采用稀碱预处理同时脱除木质素和半纤维素,提高了杨木酶解转化率。研究发现,半纤维素的脱除量随碱浓度增大(0.5～5%)而增多(7.86～68.88%),而木质素的脱除量变化不大(21.14～22.61%)。随着无定形木质素和半纤维素的脱除,纤维素结晶度逐渐升高。未处理杨木酶解转化率仅为15.8%。随着碱浓度的增大预处理杨木酶解转化率逐渐升高,最高达到69.2%。综上所述,当碱浓度为0.5%时,木质素的脱除提高了酶解效率。而随碱浓度继续增大,酶解效率持续提高的主要原因是半纤维素的脱除。稀碱预处理过程中杨木细胞壁解构效果显著。从微米尺度分析,稀碱处理脱除木质素导致细胞角隅(CCML)和胞间层(CML)区域结构变得疏松,有利于纤维素酶液向细胞壁内部渗透。从纳米尺度分析,稀碱处理后纤维素微纤丝发生润胀,同时使得微纤丝间距减小。木质素的脱除使得细胞壁强度降低,使被包裹的微纤丝充分暴露;半纤维素脱除则减少了微纤丝之间的连接键,将相互结合的微纤丝分离,进而增大微纤丝间距,增加孔隙度。细胞壁发生了不同程度的形变,其中当碱浓度为5%时细胞壁形变程度最大。拉曼光谱分析结果同样表明木质素和半纤维素在溶出过程中次生壁受到拉力作用,使细胞壁内部结构变得疏松,同时增大微纤丝间距。阐明了木质素过度脱除抑制纤维素酶水解的机理。利用酸化亚氯酸钠选择性脱除木质素,研究结果表明,当木质素脱除率为86.22%时,细胞壁内部致密结构被打破。纤维素微纤丝之间出现缝隙,并使微纤丝充分暴露,从而增大样品孔隙度以及比表面积(从未处理样品的1.871 m2/g增加到2.698 m2/g)。此时72小时纤维素酶解转化率为68.26%。然而当96.58%的木质素被脱除时,纤维素转化率下降至55.19%。这是由于起支撑作用的木质素被大量脱除,细胞壁强度降低,内部骨架坍塌。同时相邻纤维素微纤丝通过表面的氢键与聚木糖相互连接发生重聚反应。二者协同作用使细胞壁内部结构重新变得致密,比表面积降低至2.583 m2/g,阻碍酶解液的渗透,减少微纤丝疏水面与酶的结合位点,从而抑制纤维素酶水解。揭示了酶水解过程中纤维素酶对杨木样品的吸附行为及杨木结构特性的变化。结果表明,木质素脱除率为86.22%的样品对纤维素酶的吸附能力最强(123.42 mL/g),是未处理杨木的5倍。纤维素酶的吸附经历了吸附-解吸-重吸附的动态变化过程,即酶吸附到纤维素特定结合位点作用完成后解吸成为游离酶,再寻找新的结合位点重新吸附。在酶解底物结构特性变化方面,酶解过程中底物结晶度变化对酶解速率的影响较大。酶解初期(0-4 h)主要水解无定形纤维素,底物结晶度升高,此时水解速度快。后期酶解速率下降,其主要原因是结晶纤维素水解速率较慢。在微观结构变化方面,酶分子通过剪切和渗透两种作用机制对纤维素微纤丝网络进行降解,会同时导致细胞壁微纤丝的断裂以及微纤丝网络凹面或孔洞的产生。针对性研究了半纤维素脱除促进杨木酶水解的机理。首先用酸性亚氯酸钠脱除木质素,再用稀碱于室温条件下选择性脱除半纤维素。FTIR和XRD结果表明,半纤维素脱除过程中纤维素的化学结构和结晶结构保持不变,而结晶度逐渐增大。半纤维素的脱除导致微纤丝束之间产生大量缝隙,从而增加细胞壁内部比表面积。此外,微纤丝直径逐渐减小,表明微纤丝表面的半纤维素被逐步脱除,从而使微纤丝表面的纤维素充分暴露,出现更多可与酶特异性结合的位点。以上两种变化共同作用促进了纤维素酶水解。
【图文】：

示意图,链间氢键,纤维素,细胞壁

促进细胞壁扩张（Ｃｈａｎｌｉａｕｄ等，２００４ａ）。逡逑从分子水平分析，细胞壁中微纤丝的结晶纤维素核心结构由纤维糊精链排列而成逡逑（图１－２Ｂ），，因此对化学和生物水解具有较高的抵抗性。纤维素中葡萄糖残基主要是逡逑椅式构象，因此葡萄糖分子上所含有的羟基均朝径向排布，而脂肪族所包含的氢原子逡逑贝ＩＪ沿轴向排布（图１－２Ｃ）。从而导致纤维素层内相邻链之间较强的链间氢键和纤维素逡逑层与层之间较弱的疏水作用。纤维素层的疏水作用有助于在水合纤维素表面附近形成逡逑致密的水层，使得结晶纤维素能够抵抗酸水解（Ｍａｔｔｈｅｗｓ等，２００６）。同时强大的链逡逑间氢键网络使得结晶纤维素对酶的侵蚀作用有极高的抗性（Ｎｉｓｈｉｙａｍａ等，２００２），而逡逑半纤维素和无定形纤维素则容易被水解。微纤丝结晶纤维素的可及性受到无定形纤维逡逑素和半纤维素覆盖的限制（Ｄｉｎｇ和Ｈｉｍｍｅｌ，２００６），这也是形成生物质顽抗性的一逡逑个主要因素。在宏观和微观尺度上，生物质复杂的异质特性为化学或生化催化剂的渗逡逑透造成了极大的限制。半纤维素与刚性纤维素微晶表面紧密相连，形成微纤丝网络结逡逑构。果胶是起交联作用的多糖

三维图像,纤维素,假色,拉曼

在阔叶材（黑杨等）和针叶材（挪威云杉、白皮松等）细胞壁中纤维素的分布规逡逑律一致（Ｇｉｅｒｌｉｎｇｅｒ邋和邋Ｓｃｈｗａｎｎｉｎｇｅｒ，２００６；邋Ｇｉｅｒｌｉｎｇｅｒ邋等，２０１０；邋Ｚｈｏｕ邋等，ＳＯＭｈＡｇａｒｗａｌ逡逑（２００６）采用共聚焦拉曼光谱成像仪研究了黑云杉管胞中纤维素的分布（图１－３）。结逡逑果表明纤维素主要分布在次生壁Ｓ２层，且分布极不均匀；细胞角隅（ＣＣＭＬ）和胞逡逑间层（ＣＭＬ）纤维素浓度极低。对比不同亚层拉曼光谱发现，细胞角隅的光谱与其逡逑他层有显著差异。除拉曼强度弱以外，其光谱峰型较宽，这可能是由于角隅中纤维素逡逑是无定形的。由于纤维素是一种半晶体聚合物，并且其在细胞壁不同层的排列方向不逡逑同。因此，不同壁层或同一壁层不同微区中纤维素浓度的差异性还与微纤丝取向有关。逡逑！邋：Ｓ＾ｉ：逡逑２０逦２５逦３０逦３５逦４０逦４５逡逑Ｌｅｎｇｔｈ邋Ｘ邋（ｐｍ）逡逑（ｂ）逦「ｈ逡逑图１－３纤维素空间分布的拉曼图像Ｃ假色图）；二维图像（ａ）和三维图像（ｂ）。明亮的白／黄色表逡逑明纤维素浓度高；深蓝／黑色表示浓度非常低
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK6

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