[01208043]物理/生物耦合法预处理白酒丢糟及促进酶解糖化机理研究

1、课题来源于背景 本项目由甘肃省科技厅2014年立项,是甘肃省自然科学基金项目。项目名称为物理/生物耦合法预处理白酒丢糟及促进酶解糖化机理研究。项目编号为：148RJZA015 2、研究目的和意义 随着化石能源的日益枯竭,生物质燃料乙醇的开发不仅有助于缓解日益严重的能源危机,减少对石油、天然气等不可再生资源的过度依赖,还能减轻地球温室效应。利用木质纤维素类生物质制取燃料乙醇等能源和化工原料已经成为生物能源开发领域的研究热点。 白酒丢糟中纤维素、半纤维素含量达65%以上,是一种来源丰富的木质纤维资源,酶解糖化后的可发酵糖能作为生化产品的优良发酵基质。木质纤维素类生物质中的木质素是难降解的高聚物,以共价键和半纤维素结合,并对纤维素形成包裹,阻碍纤维素与催化剂或酶接触水解。另外,纤维素线性巨分子间和分子内的氢键形成的结晶结构,使其难溶于水,导致纤维素在自然条件下水解速率极低。木质纤维素类生物质中的木质素是难降解的高聚物,以共价键和半纤维素结合,并对纤维素形成包裹,阻碍纤维素与催化剂或酶接触水解。另外,纤维素线性巨分子间和分子内的氢键形成的结晶结构,使其难溶于水,导致纤维素在自然条件下水解速率极低。因此,由于复杂的结构、糖苷键对纤维素酶的不可及性、处理过程中可溶性抑制物的形成、混合糖的发酵效率低等特点,对木质纤维素原料进行高效预处理就成为限制其转化利用的技术瓶颈,本项目开发一种高效率、低能耗、低成本的对木质纤维素原料预处理方法。 3、主要论点和论据 本项目通过物理方法首先破坏木质纤维网络结构,进而通过木质素降解菌减少木质素含量。选取超声波物理方法与白腐菌（黄孢原毛平革菌）有机组合,不仅实现木质素的降解去除和原料微观结构的改变,而且能有效提高纤维素和半纤维素的酶解效率。 本项目首先研究了纤维素酶和木聚糖酶添加量、酶解时间、料液比和酶添加方式对酶解效果的影响;同时研究了超声波功率、超声波时间、超声波温度和料液比等还原糖得率、木糖得率的影响。其次,用黄孢原毛平革菌预处理酒糟,研究了黄孢原毛平革菌固态发酵处理对酶水解效果的影响及其生长曲线的测定,以酶解液中还原糖和木糖得率及预处理残渣中综纤维素保留率和木质素脱除率为评价指标,通过单因素实验确定酒糟黄孢原毛平革菌预处理最佳工艺条件。最后,对酒糟进行超声波及黄孢原毛平革菌联合预处理,以酶解液中还原糖合木糖得率、综纤维素保留率和木质素脱除率为评价指标,研究超声波辅助黄孢原毛平革菌预处理对酒糟酶解糖化的影响,同时都分别对预处理及酶解残渣进行扫描电镜分析（SEM）、X射线衍射分析（XRD）和红外光谱分析（FTIR）,研究不同预处理方法对酒糟样品的组分和结构的影响。 主要结果如下： 1)酒糟超声波预处理的最优条件下预处理残渣中综纤维素的保留率和木质素的脱除率分别为84.63%和26.59%,酶解液中还原糖和木糖得率分别为70.73%和35.77%。二次回归模型表明,在该条件下综纤维素保留率、木质素脱除率、还原糖和木糖得率的模型均显著,可用于优化酒糟超声波预处理工艺。 2)黄孢原毛平革菌生长曲线研究发现,在黄孢原毛平革菌固态发酵预处理过程中,随着黄孢原毛平革菌预处理时间的延长,还原糖和木糖得率均呈先上升后下降的趋势,且在发酵时间为8d时,酶解液中还原糖和木糖得率达到最大值分别60.55%和22.12%,与未处理组相比增长率分别为49.22%和25.0%。此时预处理残渣中综纤维素的保留率和木质素的脱除率分别为73.13%和15.58%。 3)不同预处理方法对酒糟酶解效果的研究表明：单超声波预处理木质素脱除率为21.07%,单P.chrysosporium预处理木质素脱除率为10.81%,而超声波辅助P.chrysosporium预处理后木质素脱除率最高可达40.03%,与单种预处理方法相比联合预处理对木质素的脱除率分别增加了47.36%和72.99%。 4)结构分析表明：对不同预处理及酶解前后酒糟残渣进行结构分析,通过SEM、X衍射和FTIR发现,不同同预预处理作用导致酒糟结构被破坏,纤维素结晶度增加,酒糟中部分木质素被降解。