绿色糖单孢菌复合胞外酶纸浆漂白效果及机理研究

论文摘要

本论文围绕绿色糖单孢菌复合胞外酶生物漂白纸浆这个核心,主要从菌种的活化培养,母液及粗酶液的制备及浓缩,最佳诱导产酶培养基的筛选,所产胞外酶活性和蛋白含量的时程分析等方面就绿色糖单孢菌的最佳发酵条件及产胞外酶的变化规律进行了探索;从菌落和菌丝的形态学观察,胞外酶的耐碱性和热稳定性分析,胞外酶活性及其中木聚糖酶分子量的测定等方面就复合胞外酶的酶学特性进行了表征;从生物漂白的酶用量、pH值、温度、时间和浆浓等因素分析,摸索出了复合胞外酶漂白纸浆的最佳工艺条件;从漂后纸浆的白度提高、后续可漂性改善、物理性能变化及终漂废水污染等几个方面,评定了复合胞外酶漂白纸浆效果;从复合胞外酶与几种常用商品酶及人工复配酶漂后纸浆性能的比较分析,讨论了将其应用于纸浆生物漂白所具备的优势和潜力;利用扫描电镜、气相色谱、X射线衍射、红外光谱及核磁共振等仪器分析手段,阐明了复合胞外酶漂白对纸浆中半纤维素、木素、LCC及纤维素的作用方式和机理。进行了绿色糖单孢菌发酵条件和产酶规律探索,结果表明,松木粉+棉纱培养基为最佳诱导绿色糖单孢菌产木聚糖酶培养基;所产胞外酶中几乎不含纤维素酶,而产木聚糖酶的规律和总蛋白量的时程基本一致;产酶培养156h为绿色糖单孢菌胞外酶的最佳取样点。进行了绿色糖单孢菌胞外酶酶学特性表征,结果表明,绿色糖单孢菌胞外酶中同时含有木聚糖酶、木素过氧化物酶和纤维素酶;与真菌及某些细菌胞外酶相比,胞外酶具有较好的耐碱性和热稳定性,酶学特性符合纸浆漂白工艺中碱性高温环境的要求;其中木聚糖酶的分子量在31KD左右进行了绿色糖单孢菌复合胞外酶漂白纸浆效果评定,结果表明,其最佳纸浆漂白工艺条件为:酶用量30U/g（以木聚糖酶计）,反应pH值7,反应温度80℃,漂白时间120min,纸浆浓度10%,环境H2O2含量0.1mmol/L;复合胞外酶漂白不仅可以直接提升纸浆白度,更重要是能够断裂部分木素或与木素相连的化学键,以改善纸浆的可漂性,使纸浆在后续化学漂段中更易脱除残余木素,从而使漂白过程更易进行;在后续化学漂白过程中具有提升纸浆终漂白度和减少后续化学漂剂用量的双重作用;在达到相近终漂白度情况下,可以大幅减少后续漂段的化学药品用量,其漂白废水中化学及生物耗氧负荷远低于传统漂白方法,从而大大减轻化学漂剂对环境所造成的污染。进行了生物酶漂白纸浆效果对照分析,结果表明,绿色糖单孢菌复合胞外酶漂白纸浆,不仅漂白效果优于单纯商品酶,与人工复配酶相当,而且由于其自身具备的耐热嗜碱性能,较普通商品酶可大幅降低纸浆漂白工段能耗。进行了绿色糖单孢菌复合胞外酶作用于半纤维素机理研究,结果表明,复合胞外酶漂白使纸浆中的木聚糖和LCC被大量降解,纤维表面的剥落,出现局部裂隙和大面积的沟槽结构,纤维结构变得疏松,内部木素结构充分暴露出来,有利于增强后续漂白中漂剂的渗透,改善化学漂白的脱木素效果;主要作用于纸浆中的木聚糖和聚阿拉伯糖,对纤维素也有少量破坏,对聚甘露糖不存在降解作用。进行了绿色糖单孢菌复合胞外酶脱木素机理研究,结果表明,复合胞外酶漂白不仅对纸浆中的木聚糖结构有降解作用,同时还可断裂部分残余木素和LCC,减少了纸浆中的发色基团和助色基团,同时可促进木素的溶出。进行了绿色糖单孢菌复合胞外酶作用于LCC及纤维素机理研究,结果表明,复合胞外酶漂白与纸浆LCC的某些结构存在反应;对纸浆纤维素产生一定的破坏作用,且主要集中在纤维素的无定型区,对结晶区的影响较小。本论文的研究属于交叉学科类研究课题,有重要的环境意义和潜在的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纸浆漂白技术的发展概况
• 1.3 含氯漂白的局限性
• 1.4 无氯漂白技术的发展
• 1.5 生物漂白技术的发展
• 1.5.1 微生物直接作用的纸浆生物漂白
• 1.5.2 半纤维素酶参与的纸浆生物漂白
• 1.5.3 木素降解酶参与的纸浆生物漂白
• 1.6 本研究工作的主要目的和内容
• 2 绿色糖单孢菌发酵条件和产酶规律探索
• 2.1 前言
• 2.2 实验材料和仪器
• 2.2.1 实验菌种
• 2.2.2 主要试剂
• 2.2.3 实验仪器
• 2.2.4 培养基
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 菌种的活化培养
• 2.3.2 种子液和粗提液的制备
• 2.3.3 粗提液的浓缩
• 2.3.4 木聚糖酶和纤维素酶活性的测定（DNS 法）
• 2.3.5 蛋白含量的测定
• 2.3.6 最佳诱导产酶培养基的筛选
• 2.3.7 胞外酶活性的时程分析
• 2.3.8 胞外酶蛋白含量的时程分析
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 最佳诱导产酶培养基的确定
• 2.4.2 胞外酶活性的时程分析
• 2.4.3 胞外酶蛋白含量的时程分析
• 2.5 本章小结
• 3 绿色糖单孢菌胞外酶酶学特性表征
• 3.1 前言
• 3.2 实验材料和仪器
• 3.2.1 实验菌种
• 3.2.2 主要试剂
• 3.2.3 实验仪器
• 3.2.4 培养基
• 3.3 实验方法
• 3.3.1 最佳发酵条件下培养产胞外酶
• 3.3.2 木聚糖酶和纤维素酶活性的测定（DNS 法）
• 3.3.3 蛋白含量的测定
• 3.3.4 木素过氧化物酶活性的测定（藜芦醇法）
• 3.3.5 菌落和菌丝的形态学观察
• 3.3.6 胞外酶的耐碱性分析
• 3.3.7 胞外酶的热稳定性分析
• 3.3.8 胞外酶中木聚糖酶分子量的测定
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 菌落和菌丝的形态学观察
• 3.4.2 胞外酶的耐碱性分析
• 3.4.3 胞外酶的热稳定性分析
• 3.4.4 最佳发酵条件下的产酶培养及胞外酶活性的测定
• 3.4.5 胞外酶中木聚糖酶分子量的测定
• 3.5 本章小结
• 4 绿色糖单孢菌复合胞外酶漂白纸浆效果评定
• 4.1 前言
• 4.2 实验材料和仪器
• 4.2.1 菌种
• 4.2.2 胞外酶
• 4.2.3 纸浆
• 4.2.4 主要试剂
• 4.2.5 相关溶液的配制
• 4.2.6 实验仪器
• 4.3 实验方法
• 4.3.1 复合胞外酶漂白
• 4.3.2 后续化学漂白
• 4.3.3 浆料分析检测
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 复合胞外酶最佳漂白工艺条件的摸索
• 4.4.2 复合胞外酶漂后纸浆的性能
• 4.4.3 复合胞外酶漂白对纸浆可漂性的改善
• 4.4.4 复合胞外酶漂白废水的污染负荷分析
• 4.5 本章小结
• 5 商品木聚糖酶漂白纸浆效果探讨
• 5.1 前言
• 5.2 实验材料和仪器
• 5.2.1 木聚糖酶
• 5.2.2 纸浆
• 5.2.3 主要试剂
• 5.2.4 实验仪器
• 5.3 实验方法
• 5.3.1 木聚糖酶漂白
• 5.3.2 后续化学漂白
• 5.3.3 浆料分析检测
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 木聚糖酶最佳漂白工艺条件的摸索
• 5.4.2 木聚糖酶漂后纸浆的性能
• 5.4.3 木聚糖酶漂白对纸浆可漂性的改善
• 5.4.4 木聚糖酶漂白废水的污染负荷分析
• 5.5 本章小结
• 6 商品木素过氧化物酶漂白纸浆效果探讨
• 6.1 前言
• 6.2 实验材料和仪器
• 6.2.1 木素过氧化物酶
• 6.2.2 纸浆
• 6.2.3 主要试剂
• 6.2.4 实验仪器
• 6.3 实验方法
• 6.3.1 木素过氧化物酶漂白
• 6.3.2 后续化学漂白
• 6.3.3 浆料分析检测
• 6.4 结果与讨论
• 6.4.1 木素过氧化物酶最佳漂白工艺条件的摸索
• 6.4.2 木素过氧化物酶漂后纸浆的性能
• 6.4.3 木素过氧化物酶漂白对纸浆可漂性的改善
• 6.4.4 木素过氧化物酶漂白废水的污染负荷分析
• 6.5 本章小结
• 7 商品漆酶/介体系统漂白纸浆效果探讨
• 7.1 前言
• 7.2 实验材料和仪器
• 7.2.1 漆酶/介体系统
• 7.2.2 纸浆
• 7.2.3 主要试剂
• 7.2.4 实验仪器
• 7.3 实验方法
• 7.3.1 漆酶/介体系统漂白
• 7.3.2 后续化学漂白
• 7.3.3 浆料分析检测
• 7.4 结果与讨论
• 7.4.1 漆酶/介体系统最佳漂白工艺条件的摸索
• 7.4.2 漆酶/介体系统漂后纸浆的性能
• 7.4.3 漆酶/介体系统漂白对纸浆可漂性的改善
• 7.4.4 漆酶/介体系统漂白废水的污染负荷分析
• 7.5 本章小结
• 8 商品人工复配酶漂白纸浆效果探讨
• 8.1 前言
• 8.2 实验材料和仪器
• 8.2.1 人工复配酶
• 8.2.2 纸浆
• 8.2.3 主要试剂
• 8.2.4 实验仪器
• 8.3 实验方法
• 8.3.1 人工复配酶漂白
• 8.3.2 后续化学漂白
• 8.3.3 浆料分析检测
• 8.4 结果与讨论
• 8.4.1 人工复配酶漂后纸浆性能
• 8.4.2 人工复配酶漂白对纸浆可漂性的改善
• 8.4.3 人工复配酶漂白废水污染负荷分析
• 8.5 本章小结
• 9 生物酶漂白纸浆效果对照分析
• 9.1 前言
• 9.2 结果与讨论
• 9.2.1 单段酶漂白后的纸浆性能
• 9.2.2 生物酶漂对无元素氯漂白（ECF）的影响
• 9.2.3 生物酶漂对全无氯漂白（TCF）的影响
• 9.2.4 生物酶漂废水污染负荷分析
• 9.3 本章小结
• 10 绿色糖单孢菌复合胞外酶作用于半纤维素机理
• 10.1 前言
• 10.2 实验材料和仪器
• 10.2.1 纸浆
• 10.2.2 主要试剂
• 10.2.3 相关溶液的配制
• 10.2.4 实验仪器
• 10.3 实验方法
• 10.3.1 扫描电镜（SEM）观察纤维的表面形态
• 10.3.2 气相色谱（GC）分析酶解浆的糖类组成
• 10.3.3 DNS 法测定酶解液的总还原糖含量
• 10.4 结果与讨论
• 10.4.1 复合胞外酶漂白后纸浆纤维的表面形态
• 10.4.2 复合胞外酶漂白后纸浆的糖类组成
• 10.4.3 复合胞外酶漂白酶解液的总还原糖含量
• 10.5 本章小结
• 11 绿色糖单孢菌复合胞外酶脱木素机理
• 11.1 前言
• 11.2 实验材料和仪器
• 11.2.1 纸浆
• 11.2.2 主要试剂
• 11.2.3 实验仪器
• 11.3 实验方法
• 11.3.1 提取纸浆磨木木素（MWL）
• 11.3.2 酶解液的紫外光谱扫描
• 11.3.3 酶漂前后纸浆的红外光谱扫描
• 11.3.4 酶漂前后纸浆木素的红外光谱扫描
• 11.3.5 酶漂前后纸浆木素固体核磁共振波谱扫描
• 11.4 结果与讨论
• 11.4.1 复合胞外酶漂白酶解液的紫外光谱扫描
• 11.4.2 复合胞外酶漂后纸浆的红外光谱扫描
• 11.4.3 复合胞外酶漂后纸浆木素的红外光谱扫描
• 11.4.4 复合胞外酶漂后纸浆木素的固体核磁共振波谱扫描
• 11.5 本章小结
• 12 绿色糖单孢菌复合胞外酶作用于LCC 及纤维素机理
• 12.1 前言
• 12.2 实验材料和仪器
• 12.2.1 纸浆
• 12.2.2 主要试剂
• 12.2.3 实验仪器
• 12.3 实验方法
• 12.3.1 提取 LCC
• 12.3.2 酶漂前后纸浆 LCC 的红外光谱扫描
• 12.3.3 酶漂前后纸浆 LCC 的固体核磁共振波谱扫描
• 12.3.4 酶漂前后纸浆的X 射线衍射扫描（XRD）
• 12.4 结果与讨论
• 12.4.1 复合胞外酶漂后纸浆LCC 红外光谱扫描
• 12.4.2 复合胞外酶漂后纸浆LCC 的固体核磁共振波谱扫描
• 12.4.3 复合胞外酶漂后纸浆的X 射线衍射扫描
• 12.5 本章小结
• 13 结论与建议
• 13.1 本论文的主要结论
• 13.1.1 绿色糖单孢菌发酵条件和产酶规律探索
• 13.1.2 绿色糖单孢菌胞外酶酶学特性表征
• 13.1.3 绿色糖单孢菌复合胞外酶漂白纸浆效果评定
• 13.1.4 生物酶漂白纸浆效果对照分析
• 13.1.5 绿色糖单孢菌复合胞外酶作用于半纤维素机理
• 13.1.6 绿色糖单孢菌复合胞外酶脱木素机理
• 13.1.7 绿色糖单孢菌复合胞外酶作用于LCC 及纤维素机理
• 13.2 本论文的创新之处
• 13.3 有待进一步解决的问题
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介
• 博士在读期间发表论文
• 致谢