预处理对竹子酶解制备可发酵性糖的影响及底物吸附纤维素酶的研究

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竹材资源在我国生物质资源中占有很大的比重,含有丰富的纤维素和半纤维素,是制取可发酵性糖的重要潜在原料。对竹材进行酶水解糖化制取可发酵性糖,后续可用于生产燃料乙醇等,这是提高竹材利用率的有效方法。两段预处理方式是通过改变木质纤维素表面物理和化学性质来提高酶水解糖化效率的两种预处理组合方式。本文主要采用热水-绿液两段预处理方式对粉单竹预处理,降低粉单竹酶水解屏障,并在酶解过程中添加助剂,减少酶水解底物中木质素对纤维素酶的吸附作用,提高酶水解制备可发酵性糖的得率。通过NMR、GPC等分析预处理前后木质素结构、官能团和分子量的变化,构建木质素单组分膜传感器以及木质素-纤维素双组分膜传感器采用QCM-D研究膜传感器对纤维素酶的吸附动力学模型。结果表明:1、热水(HW)-绿液(GL)两段预处理方式能够破坏竹子的致密结构,在最佳预处理条件(HW1+GL4)下,木质素脱除率为63.00%,纤维素的保留率为58.93%。通过XRD、XPS等分析表明,预处理后竹子的结晶度提高,表面木质素含量降低。2、热水-绿液预处理竹材固体的酶水解效率高于单独的热水和绿液预处理竹材固体,酶水解总糖得率为85.51%,但是半纤维素的水解效率较低。通过添加牛血清白蛋白(BSA)和Tween80能够促进半纤维素的酶水解效率,且BSA对半纤维素酶水解的促进效率优于Tween80,并且通过BSA+Tween80的共同作用,酶水解效率提升22.45%。最终采用HW1+GL4的预处理工艺和BSA+Tween80的复合助剂组合,酶水解总糖得率为99.67%,实现碳水化合物的高效率酶水解转化。3、结合元素分析、GPC和核磁共振碳谱(13C NMR)及二维核磁相关谱(~1H-13C HSQC NMR),发现热水-绿液两段预处理木质素碳氧元素和分子量降低,G型和S型结构单元的含量也降低。31P NMR分析表明热水-绿液两段预处理木质素的总羟基含量降低。采用耗散型微晶天平研究MWL膜对酶的吸附过程中的频率和质量变化,结果表明,增加纤维素酶的浓度会导致单组分木质素传感器对纤维素酶的吸附量增多,且吸附平衡的时间缩短。温度的升高会增加酶水解底物对纤维素酶的吸附量。木质素-纤维素双组分传感器对纤维素酶的吸附平衡时间短于单组份木质素,且对纤维素酶的吸附量相应的也减少,热水-绿液两段预处理木质素对纤维素酶的非生产性吸附量最少,这与木质素的总羟基含量成正相关。此外,建立不同条件下,单组份木质素膜和双组分木质素-纤维素膜吸附纤维素酶的动力学模型。
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