杨木两步酶水解制备低聚木糖和单糖的初步研究文献综述

 2022-05-11 08:05

前言

研究背景

杨木具有生长快、营养周期短、耐旱、抗虫等特性[1]，被认为是生物燃料和高附加值产品的有前途的生物质原料，是我国重要的人工林树种之一。但是杨木本身存在着木质松软、密度低、易弯曲变形等缺点，使得其主要用于包装、农村住宅建材、火柴、一次性筷子等性能要求不高，产品附加值低的行业。

低聚木糖又称木寡糖，以木二糖和木三糖为主，有较强的热稳定性和耐酸性，能够促进肠道内双歧杆菌的增殖，有益于肠胃健康，还有润肠通便，提高免疫力、抗肿瘤、降低血压、血糖、血清胆固醇，防龋齿、清口臭、促进钙吸收等生物学作用，可以用于保健食品中。半纤维素的主要成分是木聚糖，是一种复杂的多聚五碳糖，是自然界中丰富的可再生木聚糖，是世界上第二丰富的多糖，大多木质纤维原料中均含有高含量的木聚糖，是木质纤维原料中的重要组成部分。

立题依据

杨木作为地球上最丰富廉价的可再生资源——木质纤维资源，其中含有丰富的纤维素和半纤维素，可通过不同的生物转化方法制备低聚木糖、甘露糖、木糖等具有高附加值的产品，从而传统的杨木利用过程中的利用价值低，环境污染等不足。可以通过木聚糖的酸水解、热水抽提、微波降解法、酶解法来研究制备低聚木糖。其中，酸水解通常采用硫酸、盐酸及三氯醋酸等直接作用于木聚糖制备低聚木糖粗品，使其发生降解。 但是由于酸易腐蚀设备,因此该方法对设备的要求很高,反应过程难以控制，从而增加了生产成本,并且酸水解的低聚木糖产率较低,容易有大量的副产物产生。 热水抽提法以水为原料，制得颜色较深的低聚木糖、 后续的精制纯化工艺较为繁琐，生产成本高且产率低;微波法能有效促进酸水解，制得的产物不稳定,反应不完全;酶解法通过木聚糖酶将木聚糖降解为低聚木糖，木聚糖酶是一种以内切方式作用于木聚糖的beta;-1,4-糖苷键从而降解木聚糖的水解酶，此法对设备要求不高，反应条件比较温和，实验过程易于控制，有利于后续低聚木糖的分离纯化，适合工业上大规模制备低聚木糖。

本研究使用过氧化氢-乙酸预处理杨木，以选择性的脱除杨木预处理原料中的木质素并尽可能保留木聚糖，利用木聚糖酶酶解预处理杨木制备低聚木糖，纤维素酶再次水解制备单糖，提高杨木的利用价值。

文献综述

木质纤维资源的预处理工艺

木质纤维素类生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。纤维素是以葡萄糖基为组成单元，通过1，4-糖苷键连接形成的线性高分子化合物，在纤维素分子内和分子间氢键的作用下形成结晶区或者类似结晶的微纤丝。半纤维素的分子链较短，具有一定的分支度。木质素是具有各项异性的三维网络空间结构的无定形芳香化合物，具有一定的抗生物降解性。木质素中的阿魏酸、对香豆酸及二聚阿魏酸等酚酸类物质以酯键方式与半纤维素支链形成致密网状交联结构，从空间上制约着微生物对植物细胞壁中纤维素和半纤维素的有效降解。为了有效提高木质纤维资源的有效利用，首先需要通过不同的预处理方法，破坏木质素与半纤维素组成的网状结构，增加酶解基质的平均空洞大小尺寸，降低纤维素结晶度。目前，木质纤维资源的生物质预处理的方法主要分为物理法，化学法，生物法和物理化学预处理法。

物理法

物理法通常是通过机械手段（球磨、切片、碾碎等）对生物质进行粉碎，以减小生物质的尺寸，降低纤维素的结晶度和聚合度[2]。

机械粉碎

机械粉碎预处理包括干法粉碎、湿法粉碎、振动球磨以及压缩碾磨，通过这些不同的机械粉碎方法把生物质变成10~30 mm的切片或者 0.2~2.0 mm甚至更细的颗粒。通过机械粉碎，可减小木质纤维素原料的颗粒直径，从而增加可及表面积，降低聚合度，在许多研究中通过比表面积的增大和聚合度的降低，起到了提高酶解效率和缩短反应时间的效果。韩学凤等[3]对秸秆资源的综合利用进行了研究，确定了采用机械法预处理秸秆的影响因素即磨盘间隙和秸秆段长度，同时也确定最佳的处理条件，当秸秆段为5 cm、第一次的盘膜间隙为5 mm、第二次则为4 mm时制得的纤维部分具有木质素的含量低，有利于后续的处理的特点。因机械粉碎预处理的弊端是无法有效去除木质素，梁实梅等[4]采用过氧化氢，二氧化氯来对经过机械处理过的秸秆机械浆进行脱除木质素的处理，研究表明浓度为1.5%，温度为40 ℃，经过3 h的反应时间后木质素的脱除效率就会明显提高。若机械粉碎预处理的程度增加，可使得后续的酶解反应中酶的负荷降低，从这一方面可降低酶使用的成本，因此机械预处理多和其他预处理方法联合使用。

辐射预处理

辐射预处理是通过gamma;射线、电子射线和微波来促进木质纤维素的酶解。辐射的作用一方面是使纤维素解聚，使其聚合度下降，分子量集中分布；另一方面则是疏松纤维素的结构，破坏其晶体结构。从而达到增大纤维素活性，提高可及性的目的。张裕卿等[5]利用超声波预处理木质纤维素后酶解糖化，通过 SEM、FTIR研究了处理前后纤维素的形态结构和结晶性能，结果表明超声波作用能够有效地破坏纤维素分子中的氢键，降低结晶程度，可有效的提高木质素的脱除率和酶解糖化率。陈诗隆等[6]发现经过微博辐射处理之后的杨木，结构疏松，使其更加便于酶解再利用，并且降低后续制浆造纸的成本。陈凤莲等[7]以小麦麸皮为原料制备低聚木糖的过程中，研究微波法、酸解法和超声波法这三种不同的预处理方法对最终低聚木糖产率的影响，结果表明，经过超声波处理木聚糖粗提取物后的低聚木糖产率最高，即低聚木糖的浓度可达到82.44%。

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