热水预处理杨木半纤维素的局部化学溶解机理

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导师姓名
许凤
学科专业
林产化学加工工程
文献出处
北京林业大学   2015年
关键词
热水预处理论文  半纤维素论文  木质素论文  纤维素论文  植物细胞壁论文  局部化学论文
论文摘要

半纤维素作为植物细胞壁形成过程中的调节剂,是由戊糖和己糖以不同比例组成的异质聚糖。由于半纤维素与木质素和纤维素分别通过化学键和氢键紧密结合,从而形成了复杂的细胞壁结构,因此,半纤维素被认为是构成木质纤维素细胞壁抗降解屏障的主要因素之一。为了解译植物细胞壁中半纤维素超微结构特性与生物质抗降解屏障的关系,研究半纤维素在植物细胞壁形成过程中的沉积或降解过程中的溶解越来越受到世界各国的重视。本论文选取生长快、产量高的杨木为原料,采用免疫金标记结合透射电子显微镜阐明了不同类型半纤维素在细胞壁形成和降解过程中的局部化学特性。同时结合共聚焦拉曼显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜揭示了热水预处理过程中杨木纤维细胞壁木质素和纤维素的局部化学变化、细胞壁表面形貌变化及其对半纤维素局部化学变化的影响。基于上述研究,提出了热水预处理杨木纤维半纤维素在超微水平的溶出机理。主要结论如下:1.在杨木纤维S1层形成初期,聚木糖开始沉积,主要沉积在形成的S1层角隅处。随着杨木纤维S2层的形成,聚木糖在S1和S2层中的沉积量逐渐增多。在成熟的杨木纤维中,低取代度的聚木糖和高取代度的聚木糖显示了不同的沉积模式。低取代的聚木糖在外层的沉积比在内层的要多,而高取代度的聚木糖在纤维各亚层中的沉积量相对均一。在杨木纤维形成过程中,聚甘露糖主要沉积在纤维的次生壁中。2.热水预处理引起S2层和CML中半纤维素的脱除,且随热水预处理时间的延长而逐渐增加。核磁共振结果证实了脱除的半纤维素主要是聚木糖,且脱除的部分聚木糖在2或3位仍存在乙酰基。免疫金标记技术结合透射电子显微镜结果进一步表明了热水预处理导致高取代度的聚木糖从杨木次生壁各亚层中溶出量比低取代度的聚木糖溶出的要多,然而聚甘露糖从细胞壁中没有明显的溶出。3.与相对平滑的未处理杨木纤维表面相比,热水预处理杨木纤维横切面和弦切面上存在着沉积的木质素液滴,其数量和尺寸随热水预处理时间而变化。热水预处理10分钟时,细胞壁表面存在较多的沉积木质素液滴,随热水预处理时间的延长,沉积在细胞壁横切面S2层上的木质素液滴逐渐减少,沉积在弦切面上的木质素液滴逐渐合并成尺寸较大的液滴。此外,热水预处理导致包裹在纤维素微纤丝上的物质被脱除。随热水预处理时间的延长,脱除的包裹物质越多,同时暴露了彼此间相互平行排列的纤维素微纤丝。当热水预处理时间延长至30分钟后,部分纤维素微纤丝之间出现了大小不一致的空隙且其数量随预处理时间的延长而增多。4.热水预处理导致S2层中溶出的木质素要比从CML中溶出的要多。例如,热水预处理30分钟时,S2层中70.4%的木质素被脱除,而CML中仅40.1%被脱除。核磁共振结果表明:与G单元相比,热水预处理将较多的S单元从细胞壁中脱除。与此同时,随木质素和半纤维素从S2层和CML中的脱除,更多被包裹的纤维素暴露在细胞壁的表面。5.与未脱木质素的纤维细胞壁相比,脱木质素后的杨木纤维细胞壁中的聚木糖在热水预处理过程中的溶解量显著提高,即S1和S2层中聚木糖溶出量分别提高了1.5-4.7倍和3.5-63.8倍。与热水预处理后的纤维细胞壁相比,进一步酶水解的纤维细胞壁中半纤维素的溶出量也有一定程度地增加,即S1和S2层中聚木糖溶出量分别提高了1.1-4.4倍和0.9-1.5倍。6.根据上述结果,率先提出了热水预处理过程中杨木纤维中半纤维素在超微结构水平的溶出机理,即在热水预处理的初期,细胞壁中易于受到水和氢离子攻击的聚木糖先脱除。随着热水预处理时间的延长,由于细胞壁中木质素的熔融、流动、降解和溶出,使得细胞壁中与之连接的聚木糖相应地溶出。对于与纤维素通过氢键紧密结合的聚木糖则不能在热水预处理过程中被脱除,这部分聚木糖可在后续酶水解过程中随着与之连接的纤维素的水解而被溶出。

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摘要

ABSTRACT

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 杨树概况

1.2.1 杨树的种植

1.2.2 杨树的化学组分及其应用

1.3 植物细胞壁概述

1.3.1 植物细胞壁的超微结构

1.3.2 植物细胞壁中三大组分的生物合成途径

1.3.3 植物细胞壁中三大组分的化学特性

1.4 热水预处理研究现状

1.4.1 热水预处理对半纤维素的影响

1.4.2 热水预处理对纤维素的影响

1.4.3 热水预处理对木质素的影响

1.5 半纤维素在细胞壁中分布的研究方法

1.5.1 传统植物组织化学法

1.5.2 光谱显微镜法

1.5.3 免疫细胞化学法

1.6 选题的目的、意义和主要研究内容

2 半纤维素在杨木纤维细胞壁中的沉积特性

2.1 引言

2.2 实验原料与方法

2.2.1 实验原料

2.2.2 实验方法

2.3 结果与讨论

2.3.1 杨木纤维的分化

2.3.2 杨木纤维中不同种类半纤维素的沉积

2.4 本章小结

3 热水预处理杨木纤维中半纤维素的局部化学变化

3.1 引言

3.2 实验原料与方法

3.2.1 实验原料

3.2.2 实验方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 热水预处理杨木纤维中半纤维素局部化学变化

3.3.2 热水预处理过程中溶出半纤维素分子结构特性

3.4 本章小结

4 热水预处理杨木纤维表面形貌的变化

4.1 引言

4.2 实验原料与方法

4.2.1 实验原料

4.2.2 实验方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 热水预处理杨木纤维横切面表面形貌变化

4.3.2 热水预处理杨木纤维弦切面表面形貌变化

4.4 本章小结

5 热水预处理杨木纤维中木质素和纤维素局部化学的变化

5.1 引言

5.2 实验原料与方法

5.2.1 实验原料

5.2.2 实验方法

5.3 结果与讨论

5.3.1 热水预处理杨木纤维中木质素分布的变化

5.3.2 热水预处理过程中杨木纤维各亚层木质素溶出特性

5.3.3 热水预处理过程中溶出木质素分子结构特性

5.3.4 热水预处理杨木纤维中纤维素分布的变化

5.4 本章小结

6 热水预处理杨木纤维中木质素和纤维素对半纤维素局部化学变化的影响

6.1 引言

6.2 实验原料与方法

6.2.1 实验原料

6.2.2 实验方法

6.3 结果与讨论

6.3.1 脱木质素后热水预处理的杨木纤维中半纤维素分布的变化

6.3.2 热水预处理后酶水解杨木纤维中半纤维素分布的变化

6.3.3 不同处理对杨木纤维各亚层中半纤维素分布的影响

6.4 本章小结

7 结论与建议

7.1 主要结论

7.2 下一步工作建议

7.3 本论文的创新点

参考文献

个人简介

导师简介

获得成果目录

致谢

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