玉米秸秆木质素酶解机理及同步糖化产乙醇研究
随着不可再生资源的日益短缺，以玉米秸秆等木质纤维素为原料的生物炼制技术得到了快速发展，其原理是将纤维素和半纤维素经酶解糖化变成葡萄糖和木糖，在后续的反应中，将葡萄糖和木糖转化为乙醇、乳糖等平台化合物，以制备终端化学品。但木质素的致密结构阻碍了酶对纤维素和半纤维素的可及性，降低酶解效率，所以木质素的降解是玉米秸秆高效利用的前提，通过降解原料中的木质素，有效的促进纤维素和半纤维素的释放，满足木质纤维素原料资源化利用要求。 酶法降解木质素是一种环境友好的方法，具有条件温和、步骤简单的优点，是理想的木质素降解手段，成为近年来研究的热点。本研究首先从玉米秸秆中分离得到纯度高且结构较为完整的木质素，研究漆酶（Laccase/Lac）、木质素过氧化物酶（LinginPeroxidases/LiP）、锰过氧化物酶（ManganesePeroxidases/MnP）三种酶对玉米秸秆木质素的降解效果，并对其降解产物进行系统分析。在考察能同时利用葡萄糖和木糖发酵产乙醇酿酒酵母WXY12对糖的利用过程的基础上，以酶法预处理玉米秸秆为原料，添加纤维素酶和木聚糖酶进行同步糖化产乙醇研究，最后通过单因素实验和响应面实验优化其发酵条件，提高乙醇产量，期望为酶法预处理玉米秸秆生物炼制乙醇提供理论指导。主要研究结果如下： (1)Lac、LiP、MnP三种木质素降解酶在单独和不同组合下对玉米秸秆木质素进行酶解，单独酶解时，Lac酶解效果最好，降解率为11.73%；当三种酶两两组合酶解时，含Lac的处理组降解效果要优于不含Lac的处理组，表明Lac在对木质素降解时起到一个关键酶作用；当三种酶复合降解木质素时，效果优于单独酶解或者两种酶搭配降解，降解率达到25.79%。通过扫描电镜、傅里叶红外检测等技术手段发现木质素降解酶系对木质素的降解作用主要体现在对木质素表观结构的破坏以及对木质素关键化学键的断裂。利用GC-MS对降解产物成分进行分析，发现木质素降解酶系通过将玉米秸秆木质素高分子苯环聚合物开环进而降解为短链或长链脂肪酸，产物中小分子化合物大幅度增加，从而实现木质素的降解。 (2)对酿酒酵母WXY12进行不同浓度单糖（葡萄糖和木糖）、混合糖的发酵实验，发现菌株对葡萄糖的利用能力大于木糖，并且在混合发酵时，菌株会优先利用葡萄糖，其次利用木糖，但高浓度的糖含量会对菌株发酵造成抑制作用，造成乙醇得率降低。当葡萄糖初始浓度为80g/L时，菌株发酵产乙醇浓度达到最高，为32.56g/L；以木糖为底物时，当木糖浓度为20g/L时，最大产乙醇浓度为8.59g/L；混合糖发酵时，葡萄糖浓度为80g/L，木糖浓度为20g/L时，乙醇浓度最高，为37.56g/L。 (3)以酶法预处理的玉米秸秆水解液中的葡萄糖和木糖为原料，利用酿酒酵母WXY12进行同步糖化发酵产乙醇工艺的研究，利用气相色谱法测定乙醇浓度，通过单因素实验和响应面实验确定其发酵的最佳条件：初始pH为5.5、发酵温度为37℃、发酵时间为33h、纤维素酶添加量为36U/g、木聚糖酶添加量为20U/g，在该条件下，乙醇最大浓度为16.29g/L。
乙醇制备;玉米秸秆;木质素降解;酶解机理;发酵工艺
吉林农业大学
硕士
微生物学
陈光
2023
中文
TQ223.122
2023-12-12（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）