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绿色植物作为生物质能的载体可用于开发和生产生物制品或生物能源。巨菌草(Pennisetum sinese,P.sinese)作为一种良好的木质纤维素材料,近年来受到越来越多的关注。它是一种高大的多年生植物,具有较高的抗逆性、粗蛋白质和糖含量,可以在多个地区种植。目前,巨菌草主要用于生产饲料、培养食用菌或生产沼气等方面,各组分利用率低,生成废料较多。本研究基于半纤维素酶解对巨菌草组分进行分离。在以下几方面进行了探究:
(1)巨菌草木质素的降解
氢氧化钠预处理后,分离溶解液中的木质素,采用复合阴极电芬顿协同白腐菌对其进行降解。结果表明:在96h内,电流越大,锰过氧化物酶(MnP)、木质素过氧化物酶(LiP)和漆酶(Lac)酶活性越高。其中MnP活性最为显著,在0.3A时迅速增加至402U/L。在协同体系中,木质素的降解率达到84.5%,单独使用电芬顿时,木质素的降解率仅为9.1%。说明电芬顿和白腐菌协同处理对木质素的降解具有良好的效果。用异核单量子相干核磁共振(HSQC-NMR)对协同体系处理木质素的官能团的变化进行表征,对协同体系降解木质素的机理进行了研究。结果表明,协同体系处理后木质素的官能团显著减少,特别是芳香族区和脂肪族区的官能团。
(2)复合半纤维素酶水解巨菌草
用木聚糖酶,半纤维素酶和阿拉伯呋喃糖苷酶水解巨菌草提取巨菌草纤维,通过实验得出三种酶作用的最佳添加量分别为:450U/g、240U/g和315U/g。当单独用木聚糖酶处理,半纤维素的降解率为52.76%。三种酶共同作用时,半纤维素的降解率提高了9.19%。显然,支链酶可促进半纤维素的水解,但未有显著改善。此外,改变三种酶的添加顺序发现,半纤维素的降解效率没有明显变化,但先添加木聚糖酶再添加其他两种酶时,半纤维素的去除效率高于其他序列处理效果,最后,通过红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)和13C固体魔角核磁共振(13C CP/MAS)表征了不同处理后的巨菌草的结构和形态变化。
(3)巨菌草微晶纤维素的提取和表征
将复合酶处理后的巨菌草样品进行漂白和盐酸水解,结果表明:从巨菌草中制备微晶纤维素(MCC)的最适漂白时间为80min,漂白温度为80℃,次氯酸钠浓度为6%(w/v),此时,获得的样品白度为80.21%。当盐酸水解时间为90min,盐酸浓度为1.5mol/L,在85℃的条件下,提取的微晶纤维素纯度为90.18%,酸碱度在5.5~5.7,聚合度为245。对巨菌草微晶纤维素进行表征,经过扫描电子显微镜、红外光谱,X射线衍射和热分析得出,巨菌草MCC呈棒状纤维,处理后木质素和半纤维素被大量去除,巨菌草MCC的结晶度达到70.22%,热稳定性良好。
(1)巨菌草木质素的降解
氢氧化钠预处理后,分离溶解液中的木质素,采用复合阴极电芬顿协同白腐菌对其进行降解。结果表明:在96h内,电流越大,锰过氧化物酶(MnP)、木质素过氧化物酶(LiP)和漆酶(Lac)酶活性越高。其中MnP活性最为显著,在0.3A时迅速增加至402U/L。在协同体系中,木质素的降解率达到84.5%,单独使用电芬顿时,木质素的降解率仅为9.1%。说明电芬顿和白腐菌协同处理对木质素的降解具有良好的效果。用异核单量子相干核磁共振(HSQC-NMR)对协同体系处理木质素的官能团的变化进行表征,对协同体系降解木质素的机理进行了研究。结果表明,协同体系处理后木质素的官能团显著减少,特别是芳香族区和脂肪族区的官能团。
(2)复合半纤维素酶水解巨菌草
用木聚糖酶,半纤维素酶和阿拉伯呋喃糖苷酶水解巨菌草提取巨菌草纤维,通过实验得出三种酶作用的最佳添加量分别为:450U/g、240U/g和315U/g。当单独用木聚糖酶处理,半纤维素的降解率为52.76%。三种酶共同作用时,半纤维素的降解率提高了9.19%。显然,支链酶可促进半纤维素的水解,但未有显著改善。此外,改变三种酶的添加顺序发现,半纤维素的降解效率没有明显变化,但先添加木聚糖酶再添加其他两种酶时,半纤维素的去除效率高于其他序列处理效果,最后,通过红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)和13C固体魔角核磁共振(13C CP/MAS)表征了不同处理后的巨菌草的结构和形态变化。
(3)巨菌草微晶纤维素的提取和表征
将复合酶处理后的巨菌草样品进行漂白和盐酸水解,结果表明:从巨菌草中制备微晶纤维素(MCC)的最适漂白时间为80min,漂白温度为80℃,次氯酸钠浓度为6%(w/v),此时,获得的样品白度为80.21%。当盐酸水解时间为90min,盐酸浓度为1.5mol/L,在85℃的条件下,提取的微晶纤维素纯度为90.18%,酸碱度在5.5~5.7,聚合度为245。对巨菌草微晶纤维素进行表征,经过扫描电子显微镜、红外光谱,X射线衍射和热分析得出,巨菌草MCC呈棒状纤维,处理后木质素和半纤维素被大量去除,巨菌草MCC的结晶度达到70.22%,热稳定性良好。