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《齐鲁工业大学》 2017年
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巨菌草的生物结构及木素微区分布的研究

沈锋  
【摘要】:生物质纤维资源作为一种丰富的可再生资源,可用来生产纸浆纤维、生物燃料、生物质基化学品等。然而纤维细胞壁复杂的化学结构阻碍了纤维资源的高效利用,需要采用预处理技术破坏纤维细胞壁化学结构,进一步提高纤维资源的转化利用。巨菌草是从国外引进的高产优质菌草,植株高大,抗逆性强,产量高,粗蛋白和糖分含量高。本论文以巨菌草为研究对象,采用显微光谱技术,观察分析了巨菌草的生物结构、细胞壁超微结构及木素等组分微区分布特点,并进一步分析研究了离子液体预处理对巨菌草细胞壁微观结构变化及木素微区迁移变化的影响,从而为巨菌草的高效转化和合理利用提供理论指导。光学显微镜(LM)和纤维质量分析(FQA)观察结果表明:巨菌草具有禾本科植物典型的生物结构,薄壁组织细胞体积较大且占据了整个节间组织的大部分面积,维管束分散在基本组织中,且周围包裹着排列致密的厚壁纤维细胞,维管束中的细胞类型多样,杂细胞较多,每种细胞都有特定的大小、形状、位置和细胞壁性质。借助透射电子显微镜(TEM)和拉曼显微镜(CRM)及光谱技术探究了纤维细胞壁的超微结构及木素微区的特性分布。纤维细胞壁中木素的浓度分布不均一,维管束细胞壁中的木素含量高于薄壁细胞壁,木素在复合胞间层(CML)和细胞角隅(CC)中的浓度最高。傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、核磁共振磷谱(~(31)P NMR)、二维核磁共振(2D-HSQC NMR)等分析结果显示,巨菌草的木素是典型的GSH型结构,紫丁香基(S)单元含量多于愈创木基(G)单元,且含有较多的对香豆酸(PCA)和阿魏酸(FA);木素各酚羟基功能基团中脂肪族羟基含量最高,为3.96 mmol/g,非缩合型羟基占总酚羟基比例较大,为1.56 mmol/g;β-O-4'芳基醚键结构比例最高,为44.7%,其次为β-β'树脂醇结构(10.2%)和β-5'苯基香豆满结构(3.1%)。探究了[胆碱][赖氨酸]离子液体预处理对巨菌草微观结构、木素迁移以及酶解性能的影响。LM观察表明经过离子液体预处理后,巨菌草维管束中的纤维细胞壁和细胞腔发生了明显润胀,维管束周围的薄壁细胞壁发生了一定程度的润胀、变形,细胞腔出现了部分塌陷。经过预处理后,纤维细胞表面变得粗糙,增大了后续水解过程中纤维素酶的可及性。CRM分析表明经过预处理后,木素的浓度明显降低,细胞壁CC、CML区域的木素比次生壁S2层中的更易于被去除,羟基肉桂酸(HCA)的微区分布与溶出度相对应于木素的分布和溶出度。[Ch][Lys]离子液体中加入不同用量水,不仅不影响巨菌草中木素的提取,反而能明显降低离子液体的粘度,有利于实验的操作,进而降低预处理的成本和多糖的损失,葡萄糖含量由加水前的40.6%提高到56.0%,酸不溶木素含量由加水前的16.4%减少至10~15%。离子液体用量为25%时,预处理脱除部分木素和木聚糖,提高了纤维素酶对多糖的可及性,从而获得了较高的酶水解效率,其中纤维素的转化率达到82.04%,木聚糖的转化率提高到64.17%。探究了离子液体预处理时间对巨菌草生物结构及木素微区分布的影响。25%离子液体预处理过程中,巨菌草纤维细胞壁的面积随预处理时间的延长不断增大,细胞壁润胀比较明显,薄壁细胞壁的的润胀程度低于纤维细胞壁的润胀。木素的脱除随着预处理时间的延长而提高,CC、CML区域中木素比S2中的木素更易于被去除。羟基肉桂酸的脱除规律与木素的脱除规律相似,阿魏酸与木素之间的醚键连接被破坏,同时阿魏酸、对香豆酸与阿拉伯糖木聚糖之间的酯键也有一定程度的破坏。
【学位授予单位】:齐鲁工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:Q944

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