能源植物芒草细胞壁结构组成与糖化发酵关系的研究

发布时间：2017-07-16 00:20

  本文关键词：能源植物芒草细胞壁结构组成与糖化发酵关系的研究

  更多相关文章： 植物细胞壁 纤维素 半纤维素 木质素 酸碱预处理 副产物 生物质酶解 糖醇转化

【摘要】：作为重要的化石燃料部分替代品,纤维乙醇具有资源丰富、可再生和清洁高效等特点,是一种重要的绿色能源。植物细胞壁的抗降解屏障使纤维乙醇的产业化发展受到转化工艺和生产成本等因素的制约。研究细胞壁结构特征并针对性地破解其抗降解屏障,能够提高生物质利用效率,促进纤维乙醇产业的发展。本研究通过对芒草材料进行预处理、酶解和发酵实验,研究预处理液中副产物对糖醇转化的影响,并对细胞壁组分在芒草降解转化中的作用进行探讨。通过对细胞壁组分差异明显的3组芒草材料进行酸碱预处理,并对预处理上清液中13种主要副产物进行检测,结果显示预处理上清中各副产物浓度差异较大,其中酸处理上清中乙酸和呋喃醛类物质浓度较高,而碱处理上清中芳香类化合物尤其是对香豆酸和阿魏酸的浓度较高。对上清液进行补糖发酵,酸处理上清液糖醇转化效率高于碱处理。相关性分析显示,糖醇转化效率与5-HMF表现为极显著正相关,而与香草醛、丁香酸呈显著负相关。向预处理上清液或培养基中加入单一副产物进行补糖发酵,结果显示4-羟基苯甲醛、香草醛、丁香醛、4-羟基苯甲酸、香草酸等能够使糖醇转化效率显著或极显著降低,而以糠醛为代表的呋喃醛类可以使糖醇转化效率显著或极显著升高,与相关性分析数据一致。多种物质加入培养基中发酵对糖醇转化的抑制作用无累加效应,而糠醛的加入能够降低芳香类副产物的抑制作用。对1组半纤维素含量差异显著的3个芒草材料进行不同浓度一步法、两步法酸碱预处理和酶解实验。随着芒草材料半纤维素含量的升高,纤维素酶解效率和总糖产量呈上升趋势。各种预处理中,4%Na OH、2%Na OH+1%H2SO4分别是酶解效率和总糖产量最高的一步法、两步法预处理。预处理残渣成分分析显示随着原材料半纤维素含量升高,残渣中半纤维素和木质素的提取率相应升高;酸处理高效提取半纤维素,碱处理高效提取木质素,而两步法能够同时高效提取半纤维素和木质素。对芒草材料进行高固液比预处理和半同步糖化发酵实验,纤维素酶解效率和总糖产量规律与前述一致,乙醇产量与酶解产糖规律一致,发酵残渣中半纤维素和木质素的提取规律与预处理残渣一致。预处理上清补糖发酵时,两步法预处理上清的糖醇转化效率明显低于一步法。对3个芒草材料预处理残渣成分与纤维素酶解效率进行相关性分析,预处理过程中半纤维素含量变化与纤维素酶解效率没有相关性,而残渣中木质素含量与纤维素酶解效率表现为极显著负相关、木质素在预处理过程中的提取量或提取率与酶解效率表现为极显著正相关。与此同时,木质素在预处理过程中的提取量或提取率与纤维素结晶度在预处理过程中的增加量或增加率表现为极显著正相关。因此,作为降解转化中的负影响因子,木质素在芒草材料酶解过程中发挥主导性作用;而半纤维素通过与木质素高效共提取,在生物质降解转化中发挥正因子作用。
【关键词】：植物细胞壁 纤维素 半纤维素 木质素 酸碱预处理 副产物 生物质酶解 糖醇转化
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S216.2
【目录】：

• 摘要9-11
• Abstract11-13
• 缩略词表13-14
• 1 文献综述14-44
• 1.1 生物质能14-18
• 1.1.1 生物质能概述14-15
• 1.1.2 生物质能发展现状15-18
• 1.2 植物细胞壁组成与结构18-23
• 1.2.1 植物细胞壁组成18-21
• 1.2.2 植物细胞壁结构21-23
• 1.3 纤维乙醇的生物炼制23-36
• 1.3.1 预处理23-28
• 1.3.2 水解糖化28-31
• 1.3.3 乙醇发酵工艺31-36
• 1.4 预处理副产物对酶解糖化与乙醇发酵的影响36-42
• 1.4.1 预处理副产物研究进展36-38
• 1.4.2 预处理副产物对酶解糖化的影响38-40
• 1.4.3 预处理副产物对乙醇发酵的影响40-42
• 1.5 能源植物芒草42-43
• 1.6 本研究的目的与意义43-44
• 2 芒草化学预处理副产物的测定及预处理上清补糖发酵44-66
• 2.1 实验材料44-45
• 2.1.1 芒草材料44
• 2.1.2 发酵菌种44
• 2.1.3 实验试剂44
• 2.1.4 实验仪器与设备44-45
• 2.2 实验方法45-51
• 2.2.1 材料收集45
• 2.2.2 细胞壁多糖成分提取和测定45-46
• 2.2.3 总木质素测定46-47
• 2.2.4 HPLC测定木质素单体47-48
• 2.2.5 酸预处理方法48
• 2.2.6 碱预处理方法48
• 2.2.7 比色法测定C5、C648-49
• 2.2.8 HPLC测定预处理副产物49
• 2.2.9 预处理副产物标准曲线的制作49-50
• 2.2.10 预处理上清液补糖发酵50-51
• 2.2.11 乙醇测定51
• 2.3 结果与分析51-63
• 2.3.1 材料选择与细胞壁组分分析51
• 2.3.2 预处理副产物的HPLC检测51-52
• 2.3.3 碱处理上清液副产物含量52-57
• 2.3.4 酸处理上清液副产物含量57-59
• 2.3.5 酸碱预处理上清液中副产物浓度比较59
• 2.3.6 芳香类预处理副产物浓度变化59-61
• 2.3.7 预处理上清液补糖发酵61-62
• 2.3.8 预处理副产物与糖醇转化效率相关性分析62-63
• 2.4 讨论63-65
• 2.4.1 预处理副产物的多样性及其检测63-64
• 2.4.2 细胞壁结构对预处理产物释放的影响64
• 2.4.3 预处理方法对预处理副产物释放的影响64
• 2.4.4 细胞壁组分、预处理副产物与糖醇转化的关系64-65
• 2.5 小结65
• 2.6 论文数据说明65-66
• 3 芒草预处理副产物与糖醇转化关系的研究66-79
• 3.1 实验材料66
• 3.1.1 芒草材料66
• 3.1.2 发酵菌种66
• 3.1.3 实验试剂66
• 3.1.4 实验仪器与设备66
• 3.2 实验方法66-69
• 3.2.1 材料收集66
• 3.2.2 单一副产物加入到预处理上清液中发酵实验66-68
• 3.2.3 单一副产物加入到培养基中发酵68
• 3.2.4 多种副产物加入培养基中发酵68
• 3.2.5 盐浓度对糖醇转化的影响68-69
• 3.3 结果与分析69-76
• 3.3.1 单一副产物加入预处理上清液对糖醇转化的影响69-70
• 3.3.2 副产物加入培养基对糖醇转化的影响70-75
• 3.3.3 盐浓度对糖醇转化的影响75-76
• 3.4 讨论76-77
• 3.4.1 副产物的选择76
• 3.4.2 副产物浓度的确定76
• 3.4.3 副产物对乙醇发酵过程中的影响76-77
• 3.4.4 盐浓度对发酵实验的影响77
• 3.5 小结77-79
• 4 半纤维素对酶解产糖与发酵产乙醇的影响79-104
• 4.1 实验材料79
• 4.1.1 芒草材料79
• 4.1.2 发酵菌种79
• 4.1.3 实验试剂79
• 4.1.4 实验仪器与设备79
• 4.2 实验方法79-87
• 4.2.1 材料收集79-80
• 4.2.2 细胞壁多糖成分提取和测定80-81
• 4.2.3 GC-MS测定碱溶性半纤维素单糖组成81
• 4.2.4 GC-MS测定碱不溶半纤维素单糖组成81-82
• 4.2.5 总木质素测定82
• 4.2.6 HPLC测定木质素单体82
• 4.2.7 纤维素结晶度测定82
• 4.2.8 一步法酸预处理及酶解82
• 4.2.9 一步法碱预处理及酶解82-83
• 4.2.10 两步法酸碱预处理及酶解83-84
• 4.2.11 预处理残渣细胞壁成分测定84
• 4.2.12 高固液比酸碱预处理与半同步糖化发酵实验84-86
• 4.2.13 发酵残渣细胞壁成分测定86
• 4.2.14 一步法和两步法预处理上清液补糖发酵86
• 4.2.15 比色法测定C5、C6和乙醇86-87
• 4.3 结果与分析87-100
• 4.3.1 材料选择与细胞壁组分分析87
• 4.3.2 一步法酸预处理对产糖的影响87-88
• 4.3.3 一步法碱预处理对产糖的影响88-89
• 4.3.4 两步法预处理对产糖的影响89-90
• 4.3.5 一步法与两步法预处理产C6比较90-91
• 4.3.6 预处理残渣成分测定91-93
• 4.3.7 半纤维素和木质素作用机制的研究93-94
• 4.3.8 高固液比预处理后半同步糖化发酵产乙醇94-95
• 4.3.9 高固液比预处理与半同步糖化发酵过程中C6含量变化95-96
• 4.3.10 发酵残渣成分测定96-98
• 4.3.11 预处理上清液补糖发酵98-100
• 4.4 讨论100-102
• 4.4.1 芒草细胞壁结构及其抗降解机制100
• 4.4.2 半纤维素在生物质降解中的作用100
• 4.4.3 酸碱预处理对生物质降解的作用机理100-101
• 4.4.4 高固液比预处理与半同步糖化发酵的整合101
• 4.4.5 预处理参数对半纤维素和木质素提取效果的影响101-102
• 4.4.6 半纤维素和木质素的在酶解糖化中的作用102
• 4.5 小结102-103
• 4.6 论文数据说明103-104
• 5 全文结论与展望104-108
• 5.1 全文主要结论104-105
• 5.2 展望105-108
• 5.2.1 能源植物种质评价体系的构建105
• 5.2.2 能源植物改良与选育105-106
• 5.2.3 利用戊糖进行纤维乙醇的生产106-107
• 5.2.4 木质纤维素原材料综合利用与工艺流程优化107-108
• 参考文献108-136
• 附录136-141
• 致谢141-142

【参考文献】

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本文编号：546415