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《南京林业大学》 2017年
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利用石英晶体微天平研究木质素对木质纤维原料酶水解的影响

姜冲  
【摘要】:在木质纤维原料酶水解过程中,底物中木质素对纤维素酶产生无效吸附作用,从而降低了酶水解效率;添加适量的磺化木质素(Sulfonated lignin,SL)可有效提高酶水解效率,但具体作用机制尚不明确。本课题采用杨木和绿液预处理杨木制备新型的超薄木质纤维膜,并借助石英晶体微天平(quartz crystal microbalance,QCM)研究底物中木质素在酶水解过程中的影响。同时利用QCM探究添加SL提高底物酶水解效率的作用机制。采用石英晶体微天平、原子力显微镜和光谱等分析方法探究了SL与纤维素酶之间的相互作用。主要研究内容与结果如下:1、超薄木质纤维膜的制备与表征。木质纤维原料经粉碎、球磨、真空干燥后直接溶解于8 wt%LiCl/DMSO体系,制备浓度为0.5-1%的木质纤维溶液。采用旋涂法将木质纤维溶液涂覆在QCM传感器表面,从而得到纳米厚度的超薄木质纤维膜。AFM(atomic force microscope,原子力显微镜)和XPS(X-ray photoelectron spectroscopy,X射线光电子能谱仪)的表征证实木质纤维原料均匀地覆盖在QCM传感器表面。本研究制备的超薄木质纤维膜采用全组分体系,无需组分分离及衍生化,且在分子层面上保留了细胞壁结构。2、利用QCM探究底物中木质素在酶水解过程中的影响。将杨木和绿液(green liquor)预处理杨木(GL杨木)粉碎、球磨后溶解于LiCl/DMSO溶剂体系,旋涂,从而得到组分不同的杨木膜和GL杨木膜。利用QCM在40?C下实时监测杨木膜和GL杨木膜的酶水解过程。同时结合吸附、水解动力学模型,分析底物中木质素对酶水解的影响。酶水解过程可分为酶吸附、快速水解和慢速水解三个阶段。在酶吸附阶段,木质素与纤维素产生对纤维素酶的竞争性吸附,降低纤维素与纤维素酶的结合速率。在酶水解过程中,由于杨木膜中木质素含量相对较高,木质素对纤维素酶的无效吸附作用较强,因此,降低了酶水解效率。在酶水解后期,由于木质素的抑制作用,纤维素水解速率十分缓慢,甚至被完全抑制。3、利用QCM探究添加SL提高酶水解效率的作用机理。实验证实,添加SL可有效提高预处理纤维原料的酶水解效率,但具体的作用机制尚不明确。本研究利用QCM实时监测添加SL后木质素的酶吸附行为和纤维素的酶水解行为。SL的添加量为纤维素酶的10和20倍(w/w)时,底物中木质素对纤维素酶的无效吸附作用显著减小。而SL的添加对纤维素的酶水解程度无明显促进作用,但是降低了酶水解速率。因此,推测添加SL提高底物酶水解效率主要是因为减少了底物中木质素对纤维素酶的无效吸附作用。4、SL与纤维素酶之间的相互作用。本研究利用QCM、AFM、电导率和光谱等方法探究了SL与纤维素酶之间的相互作用。SL与纤维素酶可快速结合形成复合体,主要结合方式为静电作用,SL-纤维素酶复合体结构与SL含量有关,主要分为链状和球状两种结构。
【学位授予单位】:南京林业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TS71

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