利用石英晶体微天平研究木质素对木质纤维原料酶水解的影响

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1、分类号TS71+1学位代码308学校代码10298密级GK学号3140236硕士学位论文论文题目：利用石英晶体微天平研究木质素对木质纤维原料酶水解的影响作者：姜冲专业：制浆造纸工程研究方向：生物质资源化学与利用指导教师：金永灿教授二〇一七年六月致谢转眼间我已在风景秀丽的南京林业大学度过了三年的硕士生涯，从青涩走向成熟，在理性中成长。在论文完成之时，我谨向所有关心、爱护和帮助我的人表示诚挚的谢意和美好的祝福。本论文是在导师金永灿教授的悉心指导下完成的。金老师认真严谨求实的学术态度和作风、在科研上的专注和投入让我深感敬佩。金老师在学术上积累的广博知识、全方位灵活的思维方式和在学术领域时刻保

2、持领先学习的意识，都是非常值得我学习的。在整个论文完成过程中，金老师给予了大量的关心和指导，倾注了大量的心血，在理论知识、操作技能、实验条件等方面都提供了强有力的支持。导师认真负责的态度，严谨求实的作风，善于创新的精神及灵活新颖的思维方式，都将使作者在今后的工作和生活中大为受益。在此，作者谨向金老师致以最诚挚的谢意和最衷心的祝福。感谢宋君龙、杨益琴、王志国、任浩、闵斗勇、吴文娟等各位老师在我的课题研究思路中提出的宝贵的指导性意见。他们对于我成长的无微不至的关怀，我将终生难忘。同时，感谢一直关心和支持我的朋友们！真诚感谢谷峰、孟鑫、王琰师兄，王旺霞、耿文惠、吕佳青、谈旭师姐，朱杨苏同学，

3、曹婷月、张玉、顾俐慧师妹，姜波师弟以及本研究室全体同学在科研过程中给我的许多鼓励和帮助。还有，感谢陈树润、刘洪豪、陈帅帅、段海涛、柴江松同学给我一个良好的生活环境，互勉互励，共同进步！感谢我的家人，感谢马迎莉，感谢你们一直以来对我的理解和支持。正是由于老师，同学，朋友，以及时刻关心支持我的父母对我的鼓励和鞭策，使我能够顺利完成自己的学习任务和学位论文。在这里请接受我诚挚的谢意！作者：姜冲2017年6月摘要在木质纤维原料酶水解过程中，底物中木质素对纤维素酶产生无效吸附作用，从而降低了酶水解效率；添加适量的磺化木质素（Sulfonatedlignin,SL）可有效提高酶水解效率，但具体作用

4、机制尚不明确。本课题采用杨木和绿液预处理杨木制备新型的超薄木质纤维膜，并借助石英晶体微天平（quartzcrystalmicrobalance,QCM）研究底物中木质素在酶水解过程中的影响。同时利用QCM探究添加SL提高底物酶水解效率的作用机制。采用石英晶体微天平、原子力显微镜和光谱等分析方法探究了SL与纤维素酶之间的相互作用。主要研究内容与结果如下：1、超薄木质纤维膜的制备与表征。木质纤维原料经粉碎、球磨、真空干燥后直接溶解于8wt%LiCl/DMSO体系，制备浓度为0.5-1%的木质纤维溶液。采用旋涂法将木质纤维溶液涂覆在QCM传感器表面，从而得到纳米厚度的超薄木质纤维膜。AFM（

5、atomicforcemicroscope，原子力显微镜）和XPS（X-rayphotoelectronspectroscopy，X射线光电子能谱仪）的表征证实木质纤维原料均匀地覆盖在QCM传感器表面。本研究制备的超薄木质纤维膜采用全组分体系，无需组分分离及衍生化，且在分子层面上保留了细胞壁结构。2、利用QCM探究底物中木质素在酶水解过程中的影响。将杨木和绿液（greenliquor）预处理杨木（GL杨木）粉碎、球磨后溶解于LiCl/DMSO溶剂体系，旋涂，从而得到组分不同的杨木膜和GL杨木膜。利用QCM在40C下实时监测杨木膜和GL杨木膜的酶水解过程。同时结合吸附、水解动力学模型，

6、分析底物中木质素对酶水解的影响。酶水解过程可分为酶吸附、快速水解和慢速水解三个阶段。在酶吸附阶段，木质素与纤维素产生对纤维素酶的竞争性吸附，降低纤维素与纤维素酶的结合速率。在酶水解过程中，由于杨木膜中木质素含量相对较高，木质素对纤维素酶的无效吸附作用较强，因此，降低了酶水解效率。在酶水解后期，由于木质素的抑制作用，纤维素水解速率十分缓慢，甚至被完全抑制。3、利用QCM探究添加SL提高酶水解效率的作用机理。实验证实，添加SL可有效提高预处理纤维原料的酶水解效率，但具体的作用机制尚不明确。本研究利用QCM实时监测添加SL后木质素的酶吸附行为和纤维素的酶水解行为。SL的添加量为纤维素酶的10

7、和20倍（w/w）时，底物中木质素对纤维素酶的无效吸附作用显著减小。而SL的添加对纤维素的酶水解程度无明显促进作用，但是降低了酶水解速率。因此，推测添加SL提高底物酶水解效率主要是因为减少了底物中木质素对纤维素酶的无效吸附作用。4、SL与纤维素酶之间的相互作用。本研究利用QCM、AFM、电导率和光谱等方法探究了SL与纤维素酶之间的相互作用。SL与纤维素酶可快速结合形成复合体，主要结合方式为静电作用，SL-纤维素酶复合体结构与SL含量有关，主要分