NaOH预处理对植物纤维素酶解特性的影响

1、NaOH预处理对植物纤维素酶解特性的影响第12卷第1期2004年3月纤维素科学与技术JournalofCelluloseScienceandTechnology文章编号:10048405(2004)01000106?研究报告?NaOH预处理对植物纤维素酶解特性的影响鲁杰一,石淑兰,邢效功,杨汝男(1.天津科技大学,天津300222:2.大连轻工业学院,辽宁大连l16034)摘要:对NaOH预处理对植物纤维素酶解特性的影响进行了研究,利用红外光谱(IR)对处理前后物料组成变化进行了对比分析.研究结果表明,NaOH预处理对纤维素物料化学组成比例有很大影响:NaOH预处理后,物料中纤维素明显得到润胀

2、,纤维素结晶指数降低,纤维素结晶区受到破坏,再经纤维素酶处理后,结晶指数有所增强:NaOH预处理是一种有效的植物纤维素原料预处理方法,经NaOH预处理后的物料更易于酶解.关键词:植物纤维素:预处理;水解中图分类号:0636.1+l文献标识码:A中,纤维素的研究和使用是最为广泛的I¨.纤维素是地球上最丰富的碳水化合物.石油,煤等化工能源的有限性使人们致力于各种新能源的开发,转化利用巨大的植物纤维素可再生资源,以提供人们所需的能源和其它化工产品,是世界上许多国家正在积极探索的课题.从植物纤维素水解制取酒精,木糖,糠醛,乙酰丙酸等化工原料以及单细胞蛋白,可生维素的转化利用研究将在为人类解决

3、能源,粮食和环境污染等问题中起着巨大的作用,在可持续发展战略中占有重要地位.我国的可利用的植物纤维素资源潜力非常可观,因此加强植物纤维素类物质的转化利用研究,在我国具有深远的意义.为了有效地转化纤维素原料,人们探讨了多种预处理方法,大致可分为物理法,化学法,的脱木质素作用,原料除去了木质素后,酶水解糖化率将显着提引.采用NaOH处理纸浆模塑餐具的研究还未见报道,本文对纸浆模塑餐具处理后物料的性质变化和酶解进行了研究,为回收利用纸浆模塑餐具中大量纤维素资源做一些基础性工作.收稿日期:20031224作者简介:鲁杰(1973),女,大连轻工业学院讲师,天津科技大学在职博士研究生,主要研究方向:纤维

4、固体废弃物的资源化利用及造纸污染的控制.2纤维素科学与技术第l2卷1材料与方法原料采用纸浆模塑餐盒,购白天津渌洁环保纸浆模塑技术.粉碎:用磨粉机将原料磨成粉末状,装入塑料袋内平衡水分备用.NaOH预处理:将18%NaOH与纸浆模塑餐具粉末经10:1混合(液体l0mL,固体1g),在100C微沸30min,水洗至中性,备用.在250mL摇瓶中加入纤维素原料和pH4.8的乙酸一乙酸钠缓冲液,在121蒸汽灭菌20min后,以100m/g(对底物)的酶用量加入纤维素酶,在50C,转速120r/min的恒温振荡器中酶解,定时取样测定还原糖含量.纤维素,半纤维素和木质素的测定见文献【4】.还原糖含量的测定

5、采用DNS(3,5一二硝基水杨酸)法.仪器:美国200×BFTIRSPECTROMETER.方法:将待测样品风干后磨碎,过200目圆筛,然后将筛后的样品充分干燥,称取1mg与预先干燥的KBr粉末混合,在红外灯下,用玛瑙研钵充分研磨后,在压片机上压片,放入红外光谱仪,绘出红外谱图.研究纤维素结晶度采用红外光谱法,测定纤维素结晶指数用纳耳森(Nelson)和沃康诺(OConnor)法IoJ.纳耳森一沃康诺指数(N?O'KI)=Al372/A290o通过测定样品的红外光谱,计算两个波数的峰强度比值而求得纤维素结晶指数.2结果与讨论经NaOH预处理后物料的成分分析如表1所示.第1期鲁

6、杰等:NaOH预处理对植物纤维素酶解特性的影响3表1NaOH预处理前后物料的成分由表1可见,经处理物料的成分与未处理的原料相比,纤维素在总体中所占比例有所提高,而半纤维素和木质素则有所降低,这是因为NaOH有较强的脱木素和半纤维素作用.在NaOH预处理过程中物料的化学组成比例发生了一系列变化,那么在处理过程中,化学结构是否发生变化,我们采用红外光谱法分析了样品中纤维素经预处理前后以及后续经谱图;图2为经NaOH预处理物料红外光谱图;图3为经NaOH处理后再经纤维素酶处理的物料的红外光谱图.兰蛊暑兽一U暑'量暑Wavenumbers/cm一图l未经NaOH预处理物料的红外光谱图图2经Na

7、OH预处理物料的红外光谱图4纤维素科学与技术第12卷8写皇昌Wavenumbers/cm一图3经NaOH处理后再经纤维素酶处理的红外光谱图表2列出了红外谱图中吸收峰的谱峰归属.表2红外光谱图中各吸收峰的谱峰归属羟基OH键的伸缩振动特征吸收峰一CH,CH2的伸缩振动吸附水OH的伸缩振动特征吸收峰纤维素CH2弯曲振动碳水化合物CH弯曲变形振动碳水化合物CH2弯曲变形振动碳水化合物C一0一C伸缩振动碳水化合物C=O伸缩振动糖苷键振动以上三个谱图相比可见,1635cm.处吸收峰发生较大变化,1635cm处的吸收峰属于吸附水的伸展振动,如果以2900cm.处吸收峰为内标,图2中1635cm处吸收峰的吸收

8、强度明显高于图1中此处吸收峰,这说明经NaOH预处理后,物料中纤维素明显得到润胀,并没有改变纤维素大分子结构,而在图3中,1635cm.处的吸收峰明显减弱,说明纤维素酶处理后由于酶分子渗入纤维素大分子内部,使样品中吸附水含量减少,同时也说明,吸附水有利于纤维素酶分子的作用,纤维素酶分子易作用于已被润胀的纤维素部分.2-3结晶指数的分析表3NaOH预处理及纤维素酶解结晶指数注:酶解条件:纤维素酶用量100IU/g(对底物),酶解温度50C,pH4.8,酶解时间96h.3643,O%一詈基第1期鲁杰等:NaOH预处理对植物纤维素酶解特性的影响5纤维素是由结晶区和无定形区组成,结晶部分与纤维素的总量

9、之比的百分数称为结晶度素酶解结晶指数的变化.由表3可知,经NaOH预处理后,结晶指数由原来的0.33降为0.29,说明NaOH预处理后纤维素结晶区在一定程度上有所破坏,这将有利于下一步的酶解.经纤维素酶处理后,结晶指数又有所增强,这说明是纤维素酶首先作用于纤维素的无定形区,使无定形区纤维素大分子得到降解,相对提高了结晶纤维素的含量.物料经NaOH预处理后再进行纤维素酶法水解,水解结果如图4所示._一6D向圈】钿器OlO2O3O4O5O6o酶解时间,l1图4NaOH预处理对纤维素酶法水解的影响+NaOH预处理后物料+未经NaOH预处理物料由图4可见,在实验条件下,预处理的物料用里氏木霉所产纤维素

10、酶进行酶解的结果明显高于未处理物料的酶解结果.在酶解12h时,未经NaOH预处理物料还原糖含量为46.8g/L,NaOH预处理物料还原糖含量为53.6g/L,经NaOH预处理物料还原糖含量略高于未经处理的物料,但随着反应的进行,可以明显看出,经NaOH预处理物料还原糖含量迅速增加,酶解进行60h时,未经NaOH预处理物料还原糖含量为70.8g/L,NaOH预处理物料还原糖含量为184g/L,还原糖含量提高62%,其中原因主要是由于反应初期纤维素酶主要作用在纤维中无定形区,随着反应的进行,由于经NaOH预处理的物料半纤维素和木质素大部分被脱除,所以使得纤维素酶易于渗透入纤维细胞,使得纤维易于酶解

11、.其它预处理条件优化和酶解实验情况将另文发表.3结论(1)NaOH预处理对纤维素物料化学组成比例有很大影响.O2ll6纤维素科学与技术第l2卷(2)NaOH预处理后,物料中纤维素明显得到润胀,纤维素酶处理后,由于酶分子渗入纤维素大分子内部,使样品中吸附水含量减少.(3)NaOH预处理后,纤维素结晶指数降低,纤维素结晶区受到破坏,经NaOH预处理后的物料易于酶解,再经纤维素酶处理后,结晶指数有所增强.(4)NaOH预处理是一种有效的植物纤维素原料预处理方法.参考文献:【1】戈进杰.生物降解高分子材料及应用【M】.北京:化学工业出版社,2002.80.81.applicationsM.NoyesD

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