光—酶联合用于木纤维脱木质素新方法及工艺研究

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利用木质纤维转化生产燃料乙醇是解决能源问题的有效途径之一。目前,木质纤维转化生产燃料乙醇的技术难点之一是如何有效去除木质素,以提高纤维素转化效率。根据木质素的结构和反应性特点,本论文研究探讨将叶绿体光反应系统的高度氧化活性和光能高效利用机制用于木质素氧化降解的可行性和工艺条件,寻找新的木质素降解方法,并初步探讨其作用机制。首先,从植物光合作用组织中分离光反应酶系统,观察其对木质素的降解作用,并对其作用条件进行优化。然后,在其优化作用条件下,考察某些金属离子、小分子物质、光照等因素对光反应酶系统降解木质素效率的影响,分析探讨其作用机制;最后,对光反应酶与漆酶、H2O2、TiO2等化学物质联合降解木质素的效率进行分析比较。结果表明:(1)植物光反应酶系统可有效降解木纤维中的木质素,其降解作用的适宜条件为pH6.0、45℃,光促降解3h,每1mg酶蛋白作用于1.50g构树木纤维,木质素降解率为24.02%,残渣纤维素溶出量92.65mg/g;光反应酶对木质素的降解需要光照,同样条件下,暗处木质素降解率为9.57%,残渣纤维素溶出量23.67mg/g,7月正午日光照射下,木质素的降解率可达27.80%,残渣纤维素溶出量104.4mg/g,分别是无光照时的2.9倍和4.4倍。与漆酶比较,木质素降解率和残渣纤维素溶出量分别高出60.2%和64.9%;但光反应酶对木质素的降解作用似乎没有选择性,在其适宜作用条件下,原料还原糖损失量达23.39mg/g原料,且随木质素降解率提高而增加,正午日光光照下,原料还原糖损失量达28.96mg/g原料。(2)Mg2+、Fe2+、愈创木酚、苯酚和吐温80对构树木纤维中木质素的光促酶降解均有一定的促进作用,终浓度为0.1mmol·L-1的Mg2+、Fe2+、愈创木酚、苯酚和0.1%的吐温80对光反应酶降解木质素效率分别提高12.86%、9.83%、11.69%、21.69%和23.98%,残渣纤维素溶出量分别提高18.8%、5.85%、23.15%、7.18%和26.82%,原料还原糖损失量分别提高13.3%、3.76%、10.0%、5.99%和27.15%。(3)漆酶对光反应酶的降解具有明显的促进作用,漆酶-光反应酶联合处理时木质素降解率为51.56%,显著高出两种酶单独作用的降解效率,也明显高出光反应酶-漆酶联合处理时的降解率40.03%,光反应酶-双氧水-Cu2+联合处理时木质素降解率为47.46%,高出二者单独作用时的降解效率。联合处理对残渣纤维素的溶出也明显的促进作用。结论:光反应酶系统能有效利用光能降解木纤维中的木质素,促进后续处理中纤维素的释放,光反应酶催化的木质素降解作用可能是由光激发电子产生的活性自由基中间体引发的木质素氧化过程,光反应系统的构成离子或电子传递体组分及类似物可提高光促酶降解木质素效率。漆酶-光反应酶联合对光反应酶的降解具有明显的促进作用,联合用于木纤维脱木质素预处理是一种环境友好、经济有效的生物学方法。
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