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木质素两亲聚合物在强化木质纤维素酶解中的应用及机理研究

王梦霞  
【摘要】:木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成,具有可再生和产量大的特点。经预处理后底物中的纤维素和半纤维素可以酶解成葡萄糖和木糖等糖份,然后通过发酵或化学方法得到乙醇和丁醇等燃料及其他化学品。而底物中的木质素由于对酶具有强烈的亲和力造成了纤维素酶的无效吸附,降低了酶解效率,提高了成本。本文将两亲聚合物用于强化木质纤维素底物的酶解效率,研究了两亲聚合物的种类、分子量、官能团和结构等因素对强化效果的影响规律,并且从屏蔽木质素无效吸附的角度揭示了其机理;最后采用木质素聚氧乙烯非离子两亲聚合物大幅度提高木质纤维素的酶解效率。 首先,采用超滤分级得到4个不同分子量范围的木质素磺酸钠(SXP)级份并将其用于强化酶解,结果发现较大分子量的SXP2级份(10000~50000Da)对酶解的促进效果最强。采用石英晶体微天平(QCM-D)测定纤维素酶在木质素上的吸附,发现4个SXP级份均能减小纤维素酶在木质素上的吸附,并且随着SXP级份分子量的增大,其屏蔽的纤维素酶在木质素上的吸附量也增大,提出了SXP促进木质纤维素酶解的机理。 其次,研究了三种不同官能团组成的线性阴离子两亲聚合物(对氨基苯磺酸甲醛缩合物、萘磺酸甲醛缩合物、磺化丙酮甲醛缩合物)对木质纤维素酶解效率的影响,结合其对纤维素酶在木质素上的吸附量的影响发现,它们屏蔽纤维素酶在木质素上无效吸附的能力强于SXP,但是却不能提高木质纤维素的酶解效率,因为上述线性两亲聚合物抑制了纤维素酶在纤维素上的吸附,降低了酶活。 根据上述结果,采用三维网络的木质素与线性聚乙二醇接枝合成的木质素聚乙二醇非离子两亲聚合物(AL-PEG1000)强化木质纤维素的酶解。AL-PEG1000对木质纤维素底物酶解的强化作用优于SXP和PEG1000,因为它不仅提高了纤维素酶的酶活,而且减小了纤维素酶在木质素上的无效吸附。 木质素约占木质纤维素生物质总量的20~35%,在生物炼制中成为副产物,具有价格低廉和来源丰富的特点,以木质素为原料合成两亲聚合物用于强化木质纤维素的酶解对提高木质纤维素生物质资源的利用率、促进纤维素乙醇产业的发展和推动社会可持续发展有重要意义。


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