棉麻植物生物质降解方法及糖醇转化效率研究
发布时间：2020-11-18 18:05
木质纤维素是地球上最丰富的碳水化合物,绿色植物通过光合作用每年合成的生物质相当于人类当前全年能耗的10倍。生物质能源具有资源丰富、可再生、少污染等明显优势,研究生物质能的开发与利用对经济社会的发展具有重要意义。本研究以海岛棉(G. barbadense)、陆地棉(G. hirsutum)、苎麻(Boehmeria nivea L。)、黄麻(Corchorus capsularis L)、红麻(Hibiscus cannabinus L)五种纤维作物为材料,比较了不同预处理方法下其生物质降解产糖的效率变化,优化了的预处理方法,对后续的酶解发酵转化成生物乙醇效果最好。提取及分析了预处理后这些材料的细胞壁成份和结构变化,研究其差异对生物质降解效率的影响,确定了影响降解转化效率的细胞壁结构关键性因子。采用多元线性回归(MLR)和逐步线性回归(SLR)两种方法,构建了反应降解效率与细胞壁组分含量和精细结构之间的关系的QSAR(定量构效关系)模型,为其他同类作物生物质的利用提供了参考。主要研究结果如下：(1)汽爆处理时高温及随时压力变化产生的效果,可除去大部分的半纤维素、部分木质素,相对提高了纤维素的含量,并降低了纤维素的聚合度,可以大幅度地提高后续的降解效率和糖醇转化率。(2)汽爆+0.25%H2S04二步法,是使棉秆得到最大降解效率的预处理方式,低浓度的硫酸就能发挥良好的作用效果；而去皮后的麻秆,汽爆+1.00% H2SO4/NaOH处理(二步法)是更为理想的预处理方式,麻秆需要较高浓度的酸碱辅助才能达到后续降解效果。(3)高浓度的碱(16.00%NaOH)处理对五种纤维植物都能得到较高的降解效率,但后续的糖醇转化效率较低。(4)确定了棉秆和去皮麻秆木质纤维素的降解效率和糖醇转化效率与其细胞壁结构关系密切,其纤维素结晶度、聚合度负影响降解效率,尤其聚合度具有更显著的负作用,是影响降解效率的细胞壁组分关键性结构因子。(5)在棉秆和去皮麻秆中,木质素S单体与半纤维素木糖(Xylose)含量与纤维素降解效果呈显著正相关。(6)海岛棉棉秆较之陆地棉具有更高的生物质能转化率和乙醇得率；而三种麻类植物中,黄麻秆是更具有优势的生物质利用材料。
【学位单位】：湖南农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TK6
【部分图文】：
使得细胞壁能够抵抗纤维素酶等各种酶类和各类微牛物的降解侵蚀。因此，??首先需要预处理破坏此交联结构，水解更多的壁多糖，为接下来的酶解和发酵步骤提??供物质基础。（图１．１）??纤维索??木防煮?／??＂１１＾?拳??＾半纤维系??国Ｕ预处理作用对细胞壁结构崩解示意图（Ｘｕ，２００９；?Ｍｏｓｉ巧２００５；?Ｈｓｕ?ｅｔａｌ．，１９８０）??Ｆｉｇ?１．１?Ｔｈｅ?ｅ?瓶?ｃｔ?ｏｆ?ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ?ｏｎ?化?ｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｃｅｌｌ?ｗａ?化（Ｘｕ，?２００９；?Ｍｏｓｋｒ，２００５；?Ｈｓｕ?ｅｔ?ａｌ．，?１９８０）??１．２生物质能国内外研究现状??１．２．１生物质预处理方式??从生物质能源的开发利用上来看，由于西方发达国家对生物质能源利用的研究与??开发较早，其生物质利用技术已经达到商业化应用阶段，对其他国家生物质利用具有??较高的借鉴价值。?Ａ??对不同纤维植物稻轩进行预处理，可Ｗ提高纤维素转化为生物乙醇的效率。目前??最主要的几种预处理方式包括生物方法、物理方法、化学方法、物理和化学方法联合??使用等（Ｈｓｕ?ｅｔ?ａｌ．，１９９６；?ＭｃＭｉｌｌａｎ?ｅｔ?ａｌ．，１９９４）。??１）物理预处理方法：是指通过处理使原料粉碎、材料表面状态发生物理变化、改??变纤维素的结构特性、产生多孔性等，通常利用机械作用力、热解或者蒸汽等方式。??液态热水预处理（ＬＨＷ）?（Ｂｒａｎｄｏｎ?ｅｔａｌ．
细胞壁组分与结构??细胞壁的主要组成分子之一就是纤维素，研究利用其转化为生物质细胞壁的组成成分和结构特点。??细胞壁结构??细胞在进化及个体发育中，细胞壁经历了漫长的更新和改造的过程胞壁是植物细胞区别于动物细胞的特有结构之一，具有重要的作用：状，控制细胞生长；（２）增加植物细胞机械强度；（３）细胞间物质（４）参与形成胞间连丝（Ｂｒｅｔｔ，?１９８３）；?（５）作为人类主要的食物来Ｗ及能量等（Ｓｈａｒｐ，?１％４）。由于细胞壁的存在，植物细胞显示出了大生命力，使其能承受各类生物的危害。因此，研究植物细胞壁的弄清楚细胞壁的结构特点、生物质合成机理（Ｋｅｅｇｓｔｒａ＾?２０１０），又能生物质抗降解屏障、充分利用植物资源转化为生物能源提供依据。??
?ＯＨ?ＣＨｇＯＨ?州?ＣＨｇＯＨ??图１．４纤维素分子中ｐ－ｌ，４－葡聚糖片段??Ｋｇ．?１．４?Ｔｈｅ?ｍｏｌｅｃｕｌｅ?行ａｇｍｅｎｔ?ｏｆ?Ｐ－１，４－ｇｌｕｃａｎ?ｉｎ?化ｅ?行ｂｅｉ＊．??具有一定构象的纤维素高分子链按一定的秩序堆硕，便成为纤维素的微晶体，因??此纤维素结构具有结晶区和非结晶区。结晶区是分子链有序排列形成的致密区域；非??８??
【相似文献】
本文编号：2889022
【学位单位】：湖南农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TK6
【部分图文】：
使得细胞壁能够抵抗纤维素酶等各种酶类和各类微牛物的降解侵蚀。因此，??首先需要预处理破坏此交联结构，水解更多的壁多糖，为接下来的酶解和发酵步骤提??供物质基础。（图１．１）??纤维索??木防煮?／??＂１１＾?拳??＾半纤维系??国Ｕ预处理作用对细胞壁结构崩解示意图（Ｘｕ，２００９；?Ｍｏｓｉ巧２００５；?Ｈｓｕ?ｅｔａｌ．，１９８０）??Ｆｉｇ?１．１?Ｔｈｅ?ｅ?瓶?ｃｔ?ｏｆ?ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ?ｏｎ?化?ｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｃｅｌｌ?ｗａ?化（Ｘｕ，?２００９；?Ｍｏｓｋｒ，２００５；?Ｈｓｕ?ｅｔ?ａｌ．，?１９８０）??１．２生物质能国内外研究现状??１．２．１生物质预处理方式??从生物质能源的开发利用上来看，由于西方发达国家对生物质能源利用的研究与??开发较早，其生物质利用技术已经达到商业化应用阶段，对其他国家生物质利用具有??较高的借鉴价值。?Ａ??对不同纤维植物稻轩进行预处理，可Ｗ提高纤维素转化为生物乙醇的效率。目前??最主要的几种预处理方式包括生物方法、物理方法、化学方法、物理和化学方法联合??使用等（Ｈｓｕ?ｅｔ?ａｌ．，１９９６；?ＭｃＭｉｌｌａｎ?ｅｔ?ａｌ．，１９９４）。??１）物理预处理方法：是指通过处理使原料粉碎、材料表面状态发生物理变化、改??变纤维素的结构特性、产生多孔性等，通常利用机械作用力、热解或者蒸汽等方式。??液态热水预处理（ＬＨＷ）?（Ｂｒａｎｄｏｎ?ｅｔａｌ．
细胞壁组分与结构??细胞壁的主要组成分子之一就是纤维素，研究利用其转化为生物质细胞壁的组成成分和结构特点。??细胞壁结构??细胞在进化及个体发育中，细胞壁经历了漫长的更新和改造的过程胞壁是植物细胞区别于动物细胞的特有结构之一，具有重要的作用：状，控制细胞生长；（２）增加植物细胞机械强度；（３）细胞间物质（４）参与形成胞间连丝（Ｂｒｅｔｔ，?１９８３）；?（５）作为人类主要的食物来Ｗ及能量等（Ｓｈａｒｐ，?１％４）。由于细胞壁的存在，植物细胞显示出了大生命力，使其能承受各类生物的危害。因此，研究植物细胞壁的弄清楚细胞壁的结构特点、生物质合成机理（Ｋｅｅｇｓｔｒａ＾?２０１０），又能生物质抗降解屏障、充分利用植物资源转化为生物能源提供依据。??
?ＯＨ?ＣＨｇＯＨ?州?ＣＨｇＯＨ??图１．４纤维素分子中ｐ－ｌ，４－葡聚糖片段??Ｋｇ．?１．４?Ｔｈｅ?ｍｏｌｅｃｕｌｅ?行ａｇｍｅｎｔ?ｏｆ?Ｐ－１，４－ｇｌｕｃａｎ?ｉｎ?化ｅ?行ｂｅｉ＊．??具有一定构象的纤维素高分子链按一定的秩序堆硕，便成为纤维素的微晶体，因??此纤维素结构具有结晶区和非结晶区。结晶区是分子链有序排列形成的致密区域；非??８??
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本文编号：2889022
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