多糖原料高效预处理转化和功能产品联产过程及机理.pdf

摘要 工业固体渣甘蔗渣和油茶壳等富含丰富的纤维素和半纤维多糖，是转化能源和制 备功能产品的理想原料。但因木质素障碍，大部分多糖原料未能得到工业规模的高值 化利用。本文以甘蔗渣和油茶壳为研究对象，比较了不同预处理方法对原料结构组成 和转化的影响，一方面通过物料的生物转化深入研究预处理方式对甘蔗渣纤维素和半 纤维素酶解、发酵转化乙醇过程影响，实现高底物浓度发酵；另一方面通过预处理促 进甘蔗渣和油茶壳半纤维素转化功能性低聚木糖 （DP 2-5 ），阐述半纤维催化降解机 理，并首次利用油茶壳预处理残渣直接进行活性炭联产，以期实现油茶壳高值化利用。 主要结论如下： 蒸汽爆破预处理可显著提高半纤维素溶出率，破坏木质素致密结构，提高底物可 及性，增加酶水解效率。蒸汽爆破预处理甘蔗渣酶水解72 h ，葡萄糖得率随酶用量增 加而提高，当酶用量为 30 FPU/g-纤维素时，葡萄糖得率为 74.99% （原料甘蔗渣， 17.13%）。无患子果皮中含有的表面活性剂可降低体系表面张力，稳定酶活性，减少 酶使用量。当酶用量为10 FPU/g-纤维素、无患子果皮浓度为1.2 g/L 时，葡萄糖得率 提高到80.99%，是未添加无患子果皮体系葡萄糖得率的2.22 倍。 比较了不同预处理方式对甘蔗渣转化乙醇的影响。稀酸浸渍的蒸汽爆破和稀酸浸 渍的低压蒸汽爆破预处理甘蔗渣半纤维素降解率分别为 100%和 88.25%，乙醇得率 分别提高至理论得率的93.19%和92.20%，同时生成较多乙酸。Soda 绿液- 乙醇和Soda 绿液-过氧化氢预处理甘蔗渣木质素脱除率分别为81.59%和33.01% ，Soda 绿液- 乙醇 预处理甘蔗渣乙醇得率为72.58%，预处理产生的活性木质素使得体系还原电势降低， 产生较多甘油；Soda 绿液-过氧化氢预处理甘蔗渣因高酵母死亡率 （60% ）导致乳酸 含量最高，乙醇得率仅与原料相当（~20% ）。 通过混菌（共）发酵和增加底物浓度可提高发酵液中的乙醇浓度。Soda 绿液- 乙 醇预处理在脱除木质素同时对纤维素和半纤维素具有很高的保留率。以该预处理甘蔗 渣为底物，采用不同质量配比的普通酵母（CSC ）和戊糖酵母（TSC）进行混菌（共） 发酵实验。结果表明，相比单独CSC 发酵，CSC 与TSC 协同作用可提高总糖利用率， 实现高底物浓度发酵，提高了乙醇浓度。当以Soda 绿液用量1.5 mL/g-绝干底物预处 理甘蔗渣为底物、CSC 与TSC 菌种质量配比为 1:2 （w/w ）时，5% （w/v ）底物浓度 I 多糖原料高效预处理转化和功能产品联产过程及机理 得到乙醇浓度为23.22 g/L ，明显优于仅有CSC 菌种的发酵过程（70.15% ），继续增加 底物浓度至 10%，乙醇浓度提高至42.53 g/L ；当CSC 与TSC 的质量配比为1:3、底 物浓度15%，获得最高乙醇浓度为68.24 g/L，乙醇浓度得到大幅度提高，可有效降低 乙醇蒸馏成本。 研究比较了甘蔗渣木质素含量对不同发酵体系中乙醇转化的影响。以过氧化氢- 乙酸预处理甘蔗渣为底物，在去离子水（DW ）和柠檬酸钠缓冲溶液 （SCS ）体系中 分别进行共发酵实验，SCS 体系能降低预处理甘蔗渣在发酵过程中残余糖含量。DW 体系可使低残余木质素含量（2.88% ）甘蔗渣有效转化为乙醇（得率92.10% ）。SCS 体 系和吐温80 都能促进较高残余木质素含量 （16.44%）甘蔗渣的发酵反应。DW 体系 可降低甘油浓度，SCS 体系可降低乙酸浓度。过氧化氢- 乙酸预处理可提高甘蔗渣碱 提木聚糖酶水解得率。当木聚糖酶用量为4 mg/mL 时，80 ℃预处理甘蔗渣碱提木聚 糖酶水解2 h ，低聚木糖得率为41.38% ，其中X2 和X3 得率分别为17.68%和4.45% 。 氯化锌既可作为油茶壳预处理催化剂，又可用作制备油茶壳活性炭的活化剂。无 机盐ZnCl2 水溶液的Lewis 酸和Brønsted 特性以及水自电离产生的水合氢离子作用可 有效催化油茶壳半纤维素降解成低聚木糖。条件优化结果表明，当ZnCl2 浓度为0.5% （w/w ），在170 ℃预处理30 min，低聚木糖最高得率为61.38%，其中X2 和X3 得率 分别为16.