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《中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)》 2019年
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甜高粱秸秆酶解效率的研究

许富强  
【摘要】:随着化石能源的日渐枯竭和全球能源危机的加剧,可再生能源的开发和利用越来越备受各国政府和科技工作者的关注。生物质能作为一类最重要的能量来源,在替代传统的化石燃料,减轻环境污染,缓解能源危机等方面发挥着不可替代的作用。新型的“高能作物”甜高粱,在保障国家能源和粮食危机及环境保护方面具有重要作用,尤其是甜高粱秸秆作为一类重要的生物质材料,近年来被各国科学家所重视,其经济效益和生态效益也日渐凸显。目前生物质材料利用途径中最具前景的方法是生物降解,该方法主要是利用纤维素酶分解木质纤维素生产可发酵糖,进而生产燃料乙醇、丁醇等生物燃料及其他高附加值的化工产品。由于在生物质材料中存在“生物质抗降解屏障”,致使生物质的酶解转化难度大、成本高、效率低。目前,有两种提高生物质材料酶水解产率的思路:一、筛选并研制高降解能力的纤维素酶;二、预处理生物质材料提高酶对底物的可及度,最大程度地提高酶水解产率。本论文主要通过对5组自制纤维素酶对甜高粱秸秆水解效果的研究,优选对甜高粱秸秆具有高降解能力的纤维素酶。为提高酶对甜高粱秸秆的水解产率,对烟曲霉MS160.53所产的纤维素酶进行组分分析,建立了纤维素酶BGL比例函数复配模型,指导对有BGL缺乏的纤维素酶进行复配。同时采用重离子束辐照预处理甜高粱秸秆用以破坏其生物质抗降解屏障,提高酶对底物的可及度和水解程度,并借助XRD、FTIR和AFM对重离子预处理甜高粱秸秆酶水解产率提高的机理进行了探究。主要研究结果如下:1.高效降解甜高粱秸秆产糖的纤维素酶优选研究优选出了能高效降解甜高粱秸秆的纤维素酶,对甜高粱秸秆的水解产率达到12.16%,其生产菌株可用于甜高粱秸秆生产生物燃料所需纤维素酶的优选菌株,将极大地促进甜高粱秸秆生物质资源在生物质能方面的应用。2.纤维素酶复配提高甜高粱秸秆分解能力的研究建立了纤维素酶中BGL比例函数复配模型y=1183.9x+3.4255,其R~2=0.9878,复配后,对甜高粱秸秆的酶水解产率为19.26%,比未复配酶提高了15.2%(P0.05)。纤维素酶中BGL比例复配为高效分解利用甜高粱秸秆木质纤维素提拱了新的视角。3.重离子束辐照预处理提高甜高粱秸秆酶解产率的研究600 Gy重离子辐照预处理的甜高粱秸秆酶解36 h时水解产率为34.43%,较对照提高了46.7%。对其机理研究表明:甜高粱秸秆表面超微结构改变是重离子辐照预处理水解产率提高的主要因素。此外,重离子辐照预处理还造成甜高粱秸秆纤维素非晶体区不同程度的破坏及晶体纤维素I_α中氢键逐步断裂形成较稳定的I_β。这表明重离子辐照可作为一种有效提高木质纤维素酶解产率的新型预处理技术,填补了其在辐照预处理生物质材料领域的空白。
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