全麻纖維的綜合利用及木質(zhì)素對(duì)纖維素酶吸附的研究.pdf

1、麻纖維是我國(guó)一類重要的傳統(tǒng)纖維原料，種類繁多，資源豐富。其中苧麻具有“中國(guó)草”之稱，由其皮部韌皮纖維加工成的紡織品具有潔白、挺括、冰爽、舒適、抑菌、保健、衛(wèi)生等優(yōu)點(diǎn)，深受國(guó)內(nèi)外消費(fèi)者喜愛。但苧麻韌皮纖維在使用前，必須首先將其中的膠質(zhì)脫除，使單根纖維之間分離，同時(shí)賦予纖維一定的成紡性能。其中酶法脫膠由于具有脫膠專一性強(qiáng)、作用條件溫和、所得麻纖維品質(zhì)好，柔軟、蓬松卷曲、手感好、強(qiáng)度高、光澤度好等諸多優(yōu)點(diǎn)，以及環(huán)境污染輕的優(yōu)勢(shì)，成為麻纖維脫膠

2、的發(fā)展方向。但目前在高效脫膠菌株、主要脫膠酶組分和脫膠機(jī)理等方面的研究還有待于深入，以促進(jìn)酶法脫膠的發(fā)展。除了韌皮纖維外，占生物學(xué)產(chǎn)量60％左右的麻稈部分，目前除少部分用于壓制纖維板或制漿造紙外，大部分未被有效利用，造成資源的極大浪費(fèi)，因此急需強(qiáng)化該方面的研究，以達(dá)到麻類原料全組分利用的目的。由于麻稈中富含纖維素，因此可望用于轉(zhuǎn)化生產(chǎn)燃料乙醇，但目前尚未有利用苧麻稈生產(chǎn)生物乙醇的報(bào)道。在生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)燃料乙醇過程中，由于原料中的木質(zhì)素在纖

3、維素酶解過程中，會(huì)與酶產(chǎn)生非反應(yīng)性的結(jié)合，導(dǎo)致對(duì)酶的無效吸附，從而影響纖維素的酶解效率。了解木質(zhì)素與酶的吸附規(guī)律和機(jī)制對(duì)提高纖維素的酶解具有重要意義。由于不同原料來源的木質(zhì)素的組成和性質(zhì)等的不同，將會(huì)對(duì)吸附造成不同的影響，而該方面研究還未見報(bào)道。基于以上背景，本論文對(duì)苧麻等原料皮部韌皮纖維的高效脫膠酶系、酶法脫膠機(jī)制、麻稈部纖維預(yù)處理和糖化發(fā)酵產(chǎn)燃料乙醇的可行性、木質(zhì)素對(duì)纖維素酶的吸附及機(jī)制等進(jìn)行了研究。本論文的主要研究結(jié)果如下:

4、>　　1.苧麻高效脫膠菌株的篩選、酶學(xué)性質(zhì)和果膠酶的生產(chǎn)
　　通過比較不同菌株粗酶液的脫膠能力，發(fā)現(xiàn)Bacillussp.Y1的粗酶液具有快速和高效的脫膠能力，脫膠過程在1h內(nèi)基本完成，并且?guī)缀醪缓欣w維素酶。酶學(xué)性質(zhì)研究表明，Bacillussp.Y1粗酶液中的PGL的最適pH為9.6-10.0，最適溫度為60℃，在pH7-10.5和30-50℃具有很好的穩(wěn)定性，有較寬的pH和溫度范圍，和很好的過氧化氫耐受性，具有較好的應(yīng)用于酶

5、法脫膠的潛力。該粗酶液在脫膠過程中與過氧化氫具有協(xié)同作用，可明顯提高苧麻纖維的脫膠率和纖維白度，為酶法脫膠和過氧化氫漂白工藝相結(jié)合提供了理論基礎(chǔ)。
　　通過單因子實(shí)驗(yàn)、混料設(shè)計(jì)、部分因子實(shí)驗(yàn)和中心組合設(shè)計(jì)，對(duì)Bacillussp.Y1產(chǎn)酶培養(yǎng)基組分和培養(yǎng)條件進(jìn)行了優(yōu)化，以提高其產(chǎn)酶水平。優(yōu)化后得到最佳產(chǎn)酶條件為:碳源10.5％,(NH4)2SO40.37％(w/v)，MgSO40.3％(w/v)，Tween-800.1％(w/v)

6、，初始pH8.2，每50mL的發(fā)酵培養(yǎng)基的接種量為1.3mL（種子培養(yǎng)液的OD600約為5.77），秋千式搖床轉(zhuǎn)速為100rpm，34℃下發(fā)酵60h。相比優(yōu)化前，PGL酶活和PG酶活分別提高了1倍和2.44倍，產(chǎn)酶高峰縮短了12h，由72h提前至60h。
　　2.脫膠機(jī)制研究
　　通過Bacillussp.Y1粗酶液酶系分析和粗酶、純酶添加實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明Bacillussp.Y1酶液中具有的高蛋白酶活力是該酶液有效脫膠的一個(gè)

7、主要因素，并發(fā)現(xiàn)蛋白酶和果膠酶在脫膠中存在協(xié)同作用。為酶法脫膠中的有效脫膠酶組分和脫膠酶系改造提供了新的見解。
　　通過對(duì)不同生長(zhǎng)期的苧麻的化學(xué)成分和脫膠性能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)頭麻和二麻在化學(xué)成分和脫膠效果上幾乎沒有差別，而三麻脫膠性能最差。對(duì)頭麻和三麻不同脫膠時(shí)間下的樣品進(jìn)行比較研究，發(fā)現(xiàn)三麻中果膠和半纖維素的脫除率明顯低于頭麻，SEM觀察也發(fā)現(xiàn)三麻表面附著的膠質(zhì)明顯多于頭麻，且較難脫除。分析推測(cè)可能是半纖維素阻礙了三麻膠質(zhì)的脫除。

8、
　　3.預(yù)處理苧麻稈和紅麻稈糖化發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇研究
　　比較了幾種不同化學(xué)預(yù)處理方法對(duì)苧麻稈和紅麻稈纖維素酶解性能的改善效果以及預(yù)處理后稈部纖維糖化發(fā)酵產(chǎn)燃料乙醇的性能。研究發(fā)現(xiàn)堿法預(yù)處理較適用于此類原料。4％NaOH和0.02％蒽醌-2-磺酸鈉鹽(AQSS)，在170℃下處理1h的苧麻稈和紅麻稈，木質(zhì)素脫除率最高，經(jīng)過分批補(bǔ)料半同步糖化發(fā)酵工藝，在補(bǔ)料至底物濃度為20％時(shí)，乙醇濃度可達(dá)63g/L，轉(zhuǎn)化率分別為77％和7

9、9％。紅麻稈經(jīng)5.2％NaHSO3和0.2％H2SO4，在170℃下處理1h，補(bǔ)料至20％的底物濃度時(shí)，乙醇濃度可達(dá)到65g/L，纖維素轉(zhuǎn)化率為72％。
　　4.不同原料來源木質(zhì)素的組成和性質(zhì)及其對(duì)纖維素酶吸附的影響和機(jī)制研究
　　來源于不同種類原料的木質(zhì)素對(duì)纖維素酶表現(xiàn)出不同的吸附性能，吸附強(qiáng)弱排序?yàn)樗赡灸举|(zhì)素＞玉米秸木質(zhì)素＞楊木木質(zhì)素＞紅麻稈木質(zhì)素。通過對(duì)不同木質(zhì)素組成和性質(zhì)的研究，推測(cè)木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)特征差異可能是造成吸附

10、差異的潛在機(jī)制，如功能團(tuán)和木質(zhì)素組成等。具有低S/G比例的木質(zhì)素對(duì)纖維素酶表現(xiàn)出更高的吸附能力。玉米秸木質(zhì)素中高的酚羥基含量和低的羧酸基團(tuán)含量是其對(duì)纖維素酶吸附能力大于紅麻稈木質(zhì)素和楊木木質(zhì)素的原因之一。相比玉米秸木質(zhì)素，松木木質(zhì)素具有低含量的脂肪羥基，增加了木質(zhì)素的疏水性，可能是松木木質(zhì)素對(duì)纖維素酶吸附能力大于玉米秸木質(zhì)素的原因之一。通過酶活測(cè)定、純酶吸附等實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素對(duì)纖維素酶不同酶組分的吸附力強(qiáng)弱順序?yàn)镃BH、木聚糖酶＞EG＞