生物酶解小麦秸秆分离木质素的研究

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木质素分子的化学特性和结构与其使用价值密切相关,不同结构的木质素具有不同的用途。例如纸浆工业中产生的碱木质素,一般要经过化学改性后才能用于工业应用,将碱木质素磺化为木素磺酸盐用作表面活性剂。这种碱木质素是在强碱、高温、高压下蒸煮而获得的,其分子量较小,从造纸黑液中分离比较困难,并且其应用范围也受到了很大的限制。一些新技术获得大分子量的木质素在应用方面更具有价值。近几年,随着生物酶技术的快速发展,一些活性较高的生物酶已经应用于工业生产中,如木聚糖酶、果胶酶、纤维素酶等生物酶应用于纤维素乙醇、生物制浆等工艺中。因为生物酶具有定向切割(水解)的功能,因此,可以根据酶对小麦秸秆各组分的连接位点进行定向切割,从而获得生物学形态完整的木质素产物。本文主要采用多种碱性酶对小麦秸秆进行酶水解提取酶解木质素(EHL,Enzymatic Hydrolysis of Lignin),对酶水解过程进行了优化,并对酶水解小麦秸秆分离出的木质素进行了研究,与传统碱煮法分离出来的碱木质素(AL,Alkali Lignin)进行了比较。通过凝胶渗透色谱法(GPC)、二维核磁(2D-HSQC)和傅里叶变换红外吸收光谱法((FT-IR)对两种方法分离出的木质素进行了结构表征和分析,并研究了两种工艺产生的反应液(酶解液和碱黑液),对它们进行了絮凝实验的测定。首先,将获得的两种木质素对1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)进行了清除自由基的实验。其次,系统的研究了这两种木质素对重金属六价铬离子吸附行为及动力学的应用研究。通过以上分析测试和实验,来区分两种木质素的差异。主要的研究结果如下:AL的得率(86.21%)高于EHL的得率(78.62%)。两种工艺产生的反应液(酶解液和碱黑液)絮凝效果完全不同,酶解液絮凝物上浮,碱黑液絮凝物下沉。因为在酶水解过程中可能形成了碳酸盐物质,在絮凝条件下,有CO2气体产生,导致絮凝体上浮;红外光谱和核磁共振结果表明,与AL相比,EHL中的紫丁香基(S)和愈创木基(G)单元没有受到严重损坏,两种木质素的组成单元有所不同,EHL的三种单元G/S/H为36.44/60.61/2.95,AL三种单元的G/S/H为62.42/36.23/1.35;EHL的数均分子量(3348 g/mol)高于AL的数均分子量(3047 g/mol),且其清除自由基能力强于AL;研究了这两种木质素对Cr(Ⅵ)的吸附能力。进行了溶液的p H值、两种木质素的投加量、温度以及时间对Cr(Ⅵ)吸附去除率的影响。结果为AL和EHL对Cr(Ⅵ)的吸附都符合准二级动力学模型以及Langmuir等温吸附模型,通过Langmuir等温吸附模型计算出AL和EHL的最大吸附量分别为271.7 mg/g和135.1 mg/g。结果表明两种木质素对Cr(Ⅵ)的吸附效果不同,说明两种木质素结构中存在差异。
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