巨菌草三大组分的分离、糖化及高值化利用研究

发布时间：2017-12-09 22:17

  本文关键词：巨菌草三大组分的分离、糖化及高值化利用研究

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【摘要】：巨菌草是一种多年生草本植物,易种植且产量高,一般产量达300-500吨/公顷,我国南北方都有规模化种植。巨菌草中纤维素、半纤维素等糖类物质含量超过70%,并且还含有约16%的芳香性高聚物--木质素,被认为是最有发展前途的生物质资源之一。目前巨菌草主要用于食用菌培养、饲料生产等方面,尚未深度开发和高值化利用。本论文研究了巨菌草中的纤维素、半纤维素和木质素的分离方法,探究了纤维素和半纤维素糖化及发酵制备乳酸和木糖醇的工艺与理论;探讨了以木质素为原料制备高磺化度木质素磺酸钠的方法,为巨菌草的高值化利用奠定了技术和理论基础。研究内容主要包括以下几个方面:(1)利用微波-H202-NaOH法结合酸沉淀和醇沉淀实现了巨菌草中的纤维素、半纤维素和木质素三大组分的连续提取分离。当提取分离条件为:固液比1:25,0.5%H2O2-4%NaOH溶液,温度75℃,时间4h时,纤维素、半纤维素和木质素的粗得率分别达到42.79%、21.87%和15.18%。通过SEM、XRD、IR、13C-NMR、1H-NMR等现代仪器手段分析可知:用微波-H202-NaOH法所得纤维素出现大量不规则裂纹,呈松散状,表面存在大量的微孔洞,巨菌草原料和微波-H202-NaOH法提取的纤维素结晶度分别为73.18%和78.98%;从巨菌草中分离提取出的纤维属于典型的纤维素纤维,由葡萄糖长链大分子构成,半纤维素主要是聚木糖为主链、阿拉伯糖为支链的多糖聚合物,木质素属于典型的禾本科木质素,主要含愈创木基-紫丁香基木质素(G-S),还含有少量对-羟基苯基木质素(H)。(2)采用酶法对巨菌草纤维素糖化,然后以糖化得到的葡萄糖为底物通过发酵法制备乳酸。纤维素酶法糖化的最优工艺参数为:葡萄糖底物浓度5%,酶用量20FPIU·g-1纤维,温度50℃,时间36h时,pH4.8,在此条件下葡萄糖得率达98.2%。乳酸发酵的最佳工艺参数为葡萄糖初始浓度150 mg·mL-1,接种量5%,发酵温度46℃,发酵时间60 h,初始pH 6.5,CaCO3的总加入量6%,加入方式为发酵开始前加入CaCO3调节发酵培养基pH值至6.5,剩余CaCO3分成5等份,每隔12小时加入1份。在此条件下,葡萄糖的转化率大于92.5%,L-乳酸占发酵液中总酸含量的比例高于97%。(3)采用稀硫酸法对巨菌草半纤维素水解糖化得到木糖溶液,通过脱毒、脱色等纯化处理后,用木糖溶液发酵制备木糖醇。半纤维素稀酸糖化制备木糖的最佳工艺条件为:硫酸浓度1%、糖化温度105℃、固液比1:20、糖化时间4 h,在此条件下,木糖得率可达到86.5%。半纤维素糖化液先采用石灰乳中和,然后用真空浓缩法去除乙酸、糠醛等抑制发酵的有害物质,再利用活性炭吸附法对糖化液进行脱色。石灰乳中和脱毒的最适宜条件为:用石灰乳中和糖化液至pH 5.0,保温时间1h。真空浓缩可去除乙酸、糠醛等发酵抑制类物质。糖化液活性炭脱色的最佳工艺条件为活性炭添加量1.5%,振荡频率200r·min-1,脱色温度50℃,脱色时间20 min。以巨菌草半纤维素糖化液为底物的摇瓶发酵的适宜条件为:酵母菌种培养时间22 h,木糖初始浓度为120 mg·mL-1,初始pH 5.5,接种量10%,发酵温度32℃,发酵时间72 h,氮源添加量5 mL,溶氧条件为6层纱布封闭发酵瓶口,装液量75/250 mL,分阶段设定恒温振荡培养器转速:0～24 h转速210r·min-1,24～72 h 转速 180r·min-1。(4)以巨菌草木质素为原料通过H2O2氧化、CH2O羟甲基化和NaHSO3磺化制备高磺化度木质素磺酸钠的优化方案为:反应体系pH 10.5,H2O2添加量3%,氧化温度40～60℃,氧化时间40min,CH2O添加量4%,羟甲基化温度90℃,时间40min,NaHSO3添加量18%,磺化温度105℃,磺化时间3.5 h。按优化方案制备出的高磺化度木质素磺酸钠各项指标中除硫酸盐含量外,其它各项指标均达到或超过一等品。(5)研究了巨菌草纤维素、半纤维素和木质素等三大组分的热稳定性,发现其纤维素、半纤维素和木质素分子和空间结构不同,热稳定性也不同:纤维素热解主要发生在240～500℃,此阶段纤维素失重最大,约为75%;半纤维素的热解主要发生在200～500℃,此阶段半纤维素失重最大,达78%;木质素的热解范围较为宽泛,在200～700℃范围内试样失重明显,达 79.2%。
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ28

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本文编号：1272054