本文關(guān)鍵詞：能源植物芒草細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)組成與糖化發(fā)酵關(guān)系的研究

  更多相關(guān)文章： 植物細(xì)胞壁 纖維素 半纖維素 木質(zhì)素 酸堿預(yù)處理 副產(chǎn)物 生物質(zhì)酶解 糖醇轉(zhuǎn)化

【摘要】：作為重要的化石燃料部分替代品,纖維乙醇具有資源豐富、可再生和清潔高效等特點(diǎn),是一種重要的綠色能源。植物細(xì)胞壁的抗降解屏障使纖維乙醇的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展受到轉(zhuǎn)化工藝和生產(chǎn)成本等因素的制約。研究細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)特征并針對性地破解其抗降解屏障,能夠提高生物質(zhì)利用效率,促進(jìn)纖維乙醇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本研究通過對芒草材料進(jìn)行預(yù)處理、酶解和發(fā)酵實(shí)驗(yàn),研究預(yù)處理液中副產(chǎn)物對糖醇轉(zhuǎn)化的影響,并對細(xì)胞壁組分在芒草降解轉(zhuǎn)化中的作用進(jìn)行探討。通過對細(xì)胞壁組分差異明顯的3組芒草材料進(jìn)行酸堿預(yù)處理,并對預(yù)處理上清液中13種主要副產(chǎn)物進(jìn)行檢測,結(jié)果顯示預(yù)處理上清中各副產(chǎn)物濃度差異較大,其中酸處理上清中乙酸和呋喃醛類物質(zhì)濃度較高,而堿處理上清中芳香類化合物尤其是對香豆酸和阿魏酸的濃度較高。對上清液進(jìn)行補(bǔ)糖發(fā)酵,酸處理上清液糖醇轉(zhuǎn)化效率高于堿處理。相關(guān)性分析顯示,糖醇轉(zhuǎn)化效率與5-HMF表現(xiàn)為極顯著正相關(guān),而與香草醛、丁香酸呈顯著負(fù)相關(guān)。向預(yù)處理上清液或培養(yǎng)基中加入單一副產(chǎn)物進(jìn)行補(bǔ)糖發(fā)酵,結(jié)果顯示4-羥基苯甲醛、香草醛、丁香醛、4-羥基苯甲酸、香草酸等能夠使糖醇轉(zhuǎn)化效率顯著或極顯著降低,而以糠醛為代表的呋喃醛類可以使糖醇轉(zhuǎn)化效率顯著或極顯著升高,與相關(guān)性分析數(shù)據(jù)一致。多種物質(zhì)加入培養(yǎng)基中發(fā)酵對糖醇轉(zhuǎn)化的抑制作用無累加效應(yīng),而糠醛的加入能夠降低芳香類副產(chǎn)物的抑制作用。對1組半纖維素含量差異顯著的3個(gè)芒草材料進(jìn)行不同濃度一步法、兩步法酸堿預(yù)處理和酶解實(shí)驗(yàn)。隨著芒草材料半纖維素含量的升高,纖維素酶解效率和總糖產(chǎn)量呈上升趨勢。各種預(yù)處理中,4%Na OH、2%Na OH+1%H2SO4分別是酶解效率和總糖產(chǎn)量最高的一步法、兩步法預(yù)處理。預(yù)處理殘?jiān)煞址治鲲@示隨著原材料半纖維素含量升高,殘?jiān)邪肜w維素和木質(zhì)素的提取率相應(yīng)升高;酸處理高效提取半纖維素,堿處理高效提取木質(zhì)素,而兩步法能夠同時(shí)高效提取半纖維素和木質(zhì)素。對芒草材料進(jìn)行高固液比預(yù)處理和半同步糖化發(fā)酵實(shí)驗(yàn),纖維素酶解效率和總糖產(chǎn)量規(guī)律與前述一致,乙醇產(chǎn)量與酶解產(chǎn)糖規(guī)律一致,發(fā)酵殘?jiān)邪肜w維素和木質(zhì)素的提取規(guī)律與預(yù)處理殘?jiān)恢�。預(yù)處理上清補(bǔ)糖發(fā)酵時(shí),兩步法預(yù)處理上清的糖醇轉(zhuǎn)化效率明顯低于一步法。對3個(gè)芒草材料預(yù)處理殘?jiān)煞峙c纖維素酶解效率進(jìn)行相關(guān)性分析,預(yù)處理過程中半纖維素含量變化與纖維素酶解效率沒有相關(guān)性,而殘?jiān)心举|(zhì)素含量與纖維素酶解效率表現(xiàn)為極顯著負(fù)相關(guān)、木質(zhì)素在預(yù)處理過程中的提取量或提取率與酶解效率表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)。與此同時(shí),木質(zhì)素在預(yù)處理過程中的提取量或提取率與纖維素結(jié)晶度在預(yù)處理過程中的增加量或增加率表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)。因此,作為降解轉(zhuǎn)化中的負(fù)影響因子,木質(zhì)素在芒草材料酶解過程中發(fā)揮主導(dǎo)性作用;而半纖維素通過與木質(zhì)素高效共提取,在生物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化中發(fā)揮正因子作用。
【關(guān)鍵詞】：植物細(xì)胞壁 纖維素 半纖維素 木質(zhì)素 酸堿預(yù)處理 副產(chǎn)物 生物質(zhì)酶解 糖醇轉(zhuǎn)化
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：S216.2
【目錄】：

• 摘要9-11
• Abstract11-13
• 縮略詞表13-14
• 1 文獻(xiàn)綜述14-44
• 1.1 生物質(zhì)能14-18
• 1.1.1 生物質(zhì)能概述14-15
• 1.1.2 生物質(zhì)能發(fā)展現(xiàn)狀15-18
• 1.2 植物細(xì)胞壁組成與結(jié)構(gòu)18-23
• 1.2.1 植物細(xì)胞壁組成18-21
• 1.2.2 植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)21-23
• 1.3 纖維乙醇的生物煉制23-36
• 1.3.1 預(yù)處理23-28
• 1.3.2 水解糖化28-31
• 1.3.3 乙醇發(fā)酵工藝31-36
• 1.4 預(yù)處理副產(chǎn)物對酶解糖化與乙醇發(fā)酵的影響36-42
• 1.4.1 預(yù)處理副產(chǎn)物研究進(jìn)展36-38
• 1.4.2 預(yù)處理副產(chǎn)物對酶解糖化的影響38-40
• 1.4.3 預(yù)處理副產(chǎn)物對乙醇發(fā)酵的影響40-42
• 1.5 能源植物芒草42-43
• 1.6 本研究的目的與意義43-44
• 2 芒草化學(xué)預(yù)處理副產(chǎn)物的測定及預(yù)處理上清補(bǔ)糖發(fā)酵44-66
• 2.1 實(shí)驗(yàn)材料44-45
• 2.1.1 芒草材料44
• 2.1.2 發(fā)酵菌種44
• 2.1.3 實(shí)驗(yàn)試劑44
• 2.1.4 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備44-45
• 2.2 實(shí)驗(yàn)方法45-51
• 2.2.1 材料收集45
• 2.2.2 細(xì)胞壁多糖成分提取和測定45-46
• 2.2.3 總木質(zhì)素測定46-47
• 2.2.4 HPLC測定木質(zhì)素單體47-48
• 2.2.5 酸預(yù)處理方法48
• 2.2.6 堿預(yù)處理方法48
• 2.2.7 比色法測定C5、C648-49
• 2.2.8 HPLC測定預(yù)處理副產(chǎn)物49
• 2.2.9 預(yù)處理副產(chǎn)物標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作49-50
• 2.2.10 預(yù)處理上清液補(bǔ)糖發(fā)酵50-51
• 2.2.11 乙醇測定51
• 2.3 結(jié)果與分析51-63
• 2.3.1 材料選擇與細(xì)胞壁組分分析51
• 2.3.2 預(yù)處理副產(chǎn)物的HPLC檢測51-52
• 2.3.3 堿處理上清液副產(chǎn)物含量52-57
• 2.3.4 酸處理上清液副產(chǎn)物含量57-59
• 2.3.5 酸堿預(yù)處理上清液中副產(chǎn)物濃度比較59
• 2.3.6 芳香類預(yù)處理副產(chǎn)物濃度變化59-61
• 2.3.7 預(yù)處理上清液補(bǔ)糖發(fā)酵61-62
• 2.3.8 預(yù)處理副產(chǎn)物與糖醇轉(zhuǎn)化效率相關(guān)性分析62-63
• 2.4 討論63-65
• 2.4.1 預(yù)處理副產(chǎn)物的多樣性及其檢測63-64
• 2.4.2 細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)對預(yù)處理產(chǎn)物釋放的影響64
• 2.4.3 預(yù)處理方法對預(yù)處理副產(chǎn)物釋放的影響64
• 2.4.4 細(xì)胞壁組分、預(yù)處理副產(chǎn)物與糖醇轉(zhuǎn)化的關(guān)系64-65
• 2.5 小結(jié)65
• 2.6 論文數(shù)據(jù)說明65-66
• 3 芒草預(yù)處理副產(chǎn)物與糖醇轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究66-79
• 3.1 實(shí)驗(yàn)材料66
• 3.1.1 芒草材料66
• 3.1.2 發(fā)酵菌種66
• 3.1.3 實(shí)驗(yàn)試劑66
• 3.1.4 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備66
• 3.2 實(shí)驗(yàn)方法66-69
• 3.2.1 材料收集66
• 3.2.2 單一副產(chǎn)物加入到預(yù)處理上清液中發(fā)酵實(shí)驗(yàn)66-68
• 3.2.3 單一副產(chǎn)物加入到培養(yǎng)基中發(fā)酵68
• 3.2.4 多種副產(chǎn)物加入培養(yǎng)基中發(fā)酵68
• 3.2.5 鹽濃度對糖醇轉(zhuǎn)化的影響68-69
• 3.3 結(jié)果與分析69-76
• 3.3.1 單一副產(chǎn)物加入預(yù)處理上清液對糖醇轉(zhuǎn)化的影響69-70
• 3.3.2 副產(chǎn)物加入培養(yǎng)基對糖醇轉(zhuǎn)化的影響70-75
• 3.3.3 鹽濃度對糖醇轉(zhuǎn)化的影響75-76
• 3.4 討論76-77
• 3.4.1 副產(chǎn)物的選擇76
• 3.4.2 副產(chǎn)物濃度的確定76
• 3.4.3 副產(chǎn)物對乙醇發(fā)酵過程中的影響76-77
• 3.4.4 鹽濃度對發(fā)酵實(shí)驗(yàn)的影響77
• 3.5 小結(jié)77-79
• 4 半纖維素對酶解產(chǎn)糖與發(fā)酵產(chǎn)乙醇的影響79-104
• 4.1 實(shí)驗(yàn)材料79
• 4.1.1 芒草材料79
• 4.1.2 發(fā)酵菌種79
• 4.1.3 實(shí)驗(yàn)試劑79
• 4.1.4 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備79
• 4.2 實(shí)驗(yàn)方法79-87
• 4.2.1 材料收集79-80
• 4.2.2 細(xì)胞壁多糖成分提取和測定80-81
• 4.2.3 GC-MS測定堿溶性半纖維素單糖組成81
• 4.2.4 GC-MS測定堿不溶半纖維素單糖組成81-82
• 4.2.5 總木質(zhì)素測定82
• 4.2.6 HPLC測定木質(zhì)素單體82
• 4.2.7 纖維素結(jié)晶度測定82
• 4.2.8 一步法酸預(yù)處理及酶解82
• 4.2.9 一步法堿預(yù)處理及酶解82-83
• 4.2.10 兩步法酸堿預(yù)處理及酶解83-84
• 4.2.11 預(yù)處理殘?jiān)?xì)胞壁成分測定84
• 4.2.12 高固液比酸堿預(yù)處理與半同步糖化發(fā)酵實(shí)驗(yàn)84-86
• 4.2.13 發(fā)酵殘?jiān)?xì)胞壁成分測定86
• 4.2.14 一步法和兩步法預(yù)處理上清液補(bǔ)糖發(fā)酵86
• 4.2.15 比色法測定C5、C6和乙醇86-87
• 4.3 結(jié)果與分析87-100
• 4.3.1 材料選擇與細(xì)胞壁組分分析87
• 4.3.2 一步法酸預(yù)處理對產(chǎn)糖的影響87-88
• 4.3.3 一步法堿預(yù)處理對產(chǎn)糖的影響88-89
• 4.3.4 兩步法預(yù)處理對產(chǎn)糖的影響89-90
• 4.3.5 一步法與兩步法預(yù)處理產(chǎn)C6比較90-91
• 4.3.6 預(yù)處理殘?jiān)煞譁y定91-93
• 4.3.7 半纖維素和木質(zhì)素作用機(jī)制的研究93-94
• 4.3.8 高固液比預(yù)處理后半同步糖化發(fā)酵產(chǎn)乙醇94-95
• 4.3.9 高固液比預(yù)處理與半同步糖化發(fā)酵過程中C6含量變化95-96
• 4.3.10 發(fā)酵殘?jiān)煞譁y定96-98
• 4.3.11 預(yù)處理上清液補(bǔ)糖發(fā)酵98-100
• 4.4 討論100-102
• 4.4.1 芒草細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)及其抗降解機(jī)制100
• 4.4.2 半纖維素在生物質(zhì)降解中的作用100
• 4.4.3 酸堿預(yù)處理對生物質(zhì)降解的作用機(jī)理100-101
• 4.4.4 高固液比預(yù)處理與半同步糖化發(fā)酵的整合101
• 4.4.5 預(yù)處理參數(shù)對半纖維素和木質(zhì)素提取效果的影響101-102
• 4.4.6 半纖維素和木質(zhì)素的在酶解糖化中的作用102
• 4.5 小結(jié)102-103
• 4.6 論文數(shù)據(jù)說明103-104
• 5 全文結(jié)論與展望104-108
• 5.1 全文主要結(jié)論104-105
• 5.2 展望105-108
• 5.2.1 能源植物種質(zhì)評價(jià)體系的構(gòu)建105
• 5.2.2 能源植物改良與選育105-106
• 5.2.3 利用戊糖進(jìn)行纖維乙醇的生產(chǎn)106-107
• 5.2.4 木質(zhì)纖維素原材料綜合利用與工藝流程優(yōu)化107-108
• 參考文獻(xiàn)108-136
• 附錄136-141
• 致謝141-142

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：546415