稻草秸秆降解中生物表面活性剂的增效作用及发酵新工艺

论文摘要

能源危机的出现使利用木质纤维素类物质生产燃料酒精成为目前国内外研究的热点。鉴于木质纤维素结构的高度复杂性以及纤维素酶的难回收性,将木质纤维素水解成还原糖成为生产燃料酒精的限速步骤。本文即围绕这一限速水解步骤展开研究,旨在最大限度地提高还原糖产量。针对上海地区特殊的农作物种植结构,本文选择稻草秸秆为目标降解物,利用微生物水解稻草秸秆生成还原糖,为后续的燃料酒精生产提供前提条件。通过纤维素刚果红平板初筛以及测定酶活值复筛,从菜地、腐烂的树根及朽木周围的土壤中筛选出了一株高效稻草降解真菌ZM-4。以ZM-4为出发菌株,通过紫外-硫酸二乙酯复合交替诱变得到高效突变株—里氏木霉ZM4-F3。利用里氏木霉ZM4-F3降解稻草秸秆,发现其所产纤维素酶酶活、产还原糖量、稻草降解率以及纤维素降解率均比出发菌株ZM-4有显著提高。经6代连续培养,ZM4-F3仍能保持较高及较稳定的纤维素酶活性,适用于工业生产。利用氢氧化钠对稻草秸秆进行预处理,探讨了预处理的最优条件,并利用扫描电镜观察了稻草秸秆预处理前后的形貌。通过三因素四水平的正交实验,优化出里氏木霉ZM4-F3水解稻草秸秆的最佳条件,并利用气相色谱对稻草秸秆水解后的还原糖组成成分进行了详细分析。鉴于表面活性剂可对纤维素水解起增效作用,本文经蓝色凝胶平板初筛及测定表面张力值复筛,从长期被汽油污染的土壤中筛选出了一株生物表面活性剂产生菌BSZ-07。经生理生化鉴定、扫描电镜分析以及16SrDNA序列分析,初步确定其为铜绿假单胞菌。通过四因素三水平的正交实验,优化出BSZ-07的最优产剂条件。研究发现,BSZ-07能在较长时间内使发酵液保持较好的乳化稳定性,因此是一株较优良的生物表面活性剂产生菌。经傅立叶红外光谱分析、核磁共振分析及元素分析,初步确定BSZ-07所产生物表面活性剂为鼠李糖脂。向稻草降解体系中添加鼠李糖脂生物表面活性剂以提高其酶解产糖量,并实现了鼠李糖脂的在线生产添加方式。由于在线生产添加方式省去了鼠李糖脂的提纯这一复杂工艺,因而可有效降低鼠李糖脂的生产成本。鼠李糖脂的在线添加通过里氏木霉ZM4-F3与铜绿假单胞菌BSZ-07的两阶段共水解新工艺实现。探讨了两阶段共水解新工艺的最优工艺条件,结果表明,两阶段共水解样品不仅能提高产糖量及稻草降解率,还能有效缩短达最大产糖量及最大稻草降解率的时间。最后,初步探讨了鼠李糖脂生物表面活性剂对稻草秸秆降解起增效作用的机制。研究结果表明,添加鼠李糖脂后β-葡萄糖苷酶活性的增加、Cel7A酶稳定性的提高、底物表面电荷密度的增大以及鼠李糖脂在木质素表面的吸附可能是其对稻草秸秆降解过程产生增效作用的主要机制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 生物燃料酒精研究现状
• 1.1.1 生物质能研究概况
• 1.1.2 燃料酒精研究概况
• 1.1.3 木质纤维素原料生产燃料酒精的主要步骤
• 1.2 秸秆类纤维素生物降解的研究进展
• 1.2.1 秸秆类纤维素的利用方式
• 1.2.2 稻草秸秆的结构
• 1.2.3 稻草秸秆的预处理方式
• 1.2.4 高效纤维素降解菌的选育
• 1.2.5 纤维素酶的研究进展
• 1.3 生物表面活性剂的研究进展
• 1.3.1 表面活性剂的分类
• 1.3.2 生物表面活性剂的种类及特点
• 1.3.3 生物表面活性剂产生菌的选育
• 1.3.4 影响生物表面活性剂生产的因素
• 1.3.5 生物表面活性剂的提取方法
• 1.3.6 生物表面活性剂的应用及发展前景
• 1.3.7 表面活性剂对纤维素生物降解过程的影响
• 1.3.8 表面活性剂对木质纤维素生物降解产生影响的机理研究
• 1.4 课题研究目的、意义及主要内容
• 1.4.1 研究目的及研究意义
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 实验材料、方法与设计
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 实验仪器
• 2.1.2 实验试剂
• 2.1.3 实验用培养基
• 2.1.4 稻草原料及菌种来源
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 稻草降解菌的筛选方法
• 2.2.2 稻草降解菌的诱变方法
• 2.2.3 生物表面活性剂产生菌的筛选方法
• 2.2.4 菌种鉴定方法
• 2.2.5 生物表面活性剂的提取及结构分析方法
• 2.3 实验分析项目及分析方法
• 2.3.1 微生物形态观察法
• 2.3.2 细胞生长情况测定
• 2.3.3 纤维素酶酶活测定方法
• 2.3.4 气相色谱分析稻草秸秆水解液中还原糖组成
• 2.3.5 Cel7A 酶的稳定性分析
• 2.3.6 其它各指标分析方法
• 2.4 实验设计
• 2.4.1 稻草秸秆的预处理条件优化实验
• 2.4.2 稻草降解菌降解稻草秸秆实验
• 2.4.3 正交实验优化稻草秸秆的水解条件
• 2.4.4 生物表面活性剂产生菌产生物表面活性剂实验
• 2.4.5 正交实验优化生物表面活性剂产剂性能
• 2.4.6 两阶段共水解新工艺实验设计
• 第3章 稻草降解菌的筛选及诱变选育
• 3.1 稻草降解菌的筛选
• 3.1.1 初筛结果
• 3.1.2 复筛结果
• 3.2 ZM-4 的鉴定
• 3.3 ZM-4 降解稻草秸秆最优水解条件的研究
• 3.3.1 最优碳源的确定
• 3.3.2 最优氮源的确定
• 3.3.3 最优温度的确定
• 3.3.4 最优初始pH 值的确定
• 3.4 ZM-4 的生长及产还原糖情况
• 3.4.1 ZM-4 的生长曲线
• 3.4.2 培养时间对ZM-4 产糖情况的影响
• 3.5 稻草降解菌的诱变选育
• 3.5.1 紫外线最佳照射时间的选择
• 3.5.2 硫酸二乙酯（DES）最佳处理时间的选择
• 3.5.3 高效稻草降解菌突变株的初筛
• 3.5.4 高效稻草降解菌突变株的复筛
• 3.6 ZM4-F3 产纤维素酶酶系组成分析
• 3.7 ZM4-F3 与ZM-4 降解稻草对照实验
• 3.7.1 ZM4-F3 与ZM-4 产还原糖量对比
• 3.7.2 ZM4-F3 与ZM-4 的纤维素降解率对比
• 3.7.3 ZM4-F3 与ZM-4 的稻草降解率对比
• 3.8 ZM4-F3 产酶稳定性分析
• 3.9 本章小结
• 第4章 诱变株里氏木霉ZM4-F3 降解稻草的研究
• 4.1 稻草秸秆碱法预处理条件的优化
• 4.1.1 氢氧化钠浓度的选择
• 4.1.2 预处理温度的选择
• 4.1.3 预处理时间的选择
• 4.2 预处理前后稻草秸秆的成分及形貌变化
• 4.2.1 预处理前后稻草秸秆化学成分的比较
• 4.2.2 预处理前后稻草秸秆的形貌分析
• 4.3 正交实验优化ZM4-F3 水解稻草秸秆的条件
• 4.4 气相色谱测定稻草秸秆水解产物中还原糖组分
• 4.4.1 葡萄糖及木糖标准曲线的绘制
• 4.4.2 稻草秸秆水解产物中还原糖组分分析
• 4.5 最优条件下稻草秸秆水解后的滤纸酶活及降解率
• 4.5.1 最优条件下稻草秸秆水解后的滤纸酶活
• 4.5.2 最优条件下稻草秸秆水解后的降解率
• 4.6 稻草秸秆降解前后的形貌分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 生物表面活性剂产生菌的筛选及其产剂性能研究
• 5.1 生物表面活性剂产生菌的筛选
• 5.1.1 初筛
• 5.1.2 复筛
• 5.2 BSZ-07 的鉴定
• 5.2.1 生理生化鉴定
• 5.2.2 扫描电镜（SEM）鉴定
• 5.2.3 16SrDNA 鉴定
• 5.2.4 鉴定结果
• 5.3 铜绿假单胞菌BSZ-07 最优产剂条件的研究
• 5.4 BSZ-07 的生长及产剂性能
• 5.4.1 BSZ-07 的生长曲线
• 5.4.2 BSZ-07 发酵液的表面张力
• 5.4.3 BSZ-07 发酵液的乳化稳定性
• 5.5 生物表面活性剂的提取及结构分析
• 5.5.1 生物表面活性剂的提取
• 5.5.2 生物表面活性剂的FTIR 分析
• 5.5.3 生物表面活性剂的NMR 分析
• 5.5.4 生物表面活性剂的元素分析
• 5.6 鼠李糖脂的生产
• 5.7 本章小结
• 第6章 鼠李糖脂的在线生产添加对稻草秸秆降解的增效作用及机制探讨
• 6.1 鼠李糖脂在线生产添加的最优条件
• 6.1.1 最优温度的选择
• 6.1.2 最优pH 值的选择
• 6.1.3 最优接种量比例的选择
• 6.2 两阶段共水解新工艺的产糖量及稻草降解率分析
• 6.2.1 两阶段共水解新工艺的还原糖产量
• 6.2.2 两阶段共水解新工艺的稻草降解率
• 6.3 不同种类的表面活性剂对稻草秸秆降解增效的影响比较
• 6.4 鼠李糖脂对稻草秸秆降解增效的机制探讨
• 6.4.1 鼠李糖脂对纤维素酶酶系的影响
• 6.4.2 鼠李糖脂对 Cel7A 酶稳定性的影响
• 6.4.3 鼠李糖脂对纤维素及菌体表面电荷密度的影响
• 6.4.4 鼠李糖脂对不同木质素含量的木质纤维素水解的影响
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 申请专利情况
• 致谢
• 个人简历