生物炼制过程中木质素高值转化研究进展

木质素高值转化对于提升生物炼制经济性,促进社会经济绿色发展具有重要意义。然而,木质素结构复杂且不均一,其高值化利用仍存在技术壁垒,使得木质素应用尚未形成规模。文中首先综述了当前生物炼制过程中木质素高值转化面临的主要挑战。然后通过比较不同预处理技术对木质素分离、性质及其利用的主要影响,详细阐述了基于生物炼制理念发展的新型组合预处理技术。其次,针对木质素本征结构特性导致其利用效率低等问题,进一步详述了溶剂分级、膜分级、梯度沉淀分级等分级利用策略对克服木质素不均一性,改善其可加工性能的重要影响。再次,针对木质素利用策略,系统比较了木质素热化学转化和生物转化,结合生物质预处理及木质素分级,阐述了以生物炼制理念进行木质素高值转化的新策略。最后,总结了木质素利用过程中存在的挑战性问题,展望了木质素高效分离、分级及转化过程发展的新策略和新趋势。     

生物质生物预处理研究进展与展望

木质纤维素生物质分布广、产量大、可再生,用于制备生物基能源、生物基材料和生物基化学品。木质纤维素生物质组成复杂,包含纤维素、半纤维素和木质素等,木质素与半纤维素通过共价键、氢键交联形成独特的“包裹结构”,纤维素含有复杂的分子内与分子间氢键,上述因素制约着其资源化利用。生物预处理以其独特优越性成为生物质研究的重要方面。系统阐述了生物预处理过程中木质素降解和基团修饰对纤维素酶解的影响,纤维素含量及结晶区变化,半纤维素五碳糖利用,微观物理结构的改变。进一步提出了以生物预处理为核心的组合预处理、基于不同功能的多酶协同催化体系、木质纤维素组分分级利用和新型高效细菌预处理工艺是生物预处理未来发展的重要趋势。     

工业木质素磺酸钠中磺酸盐组成与结构的初步分析

本论文以工业级木质素磺酸钠为实验对象,采用热重分析、原子吸收、多功能膜、超高效聚合物色谱等方法测定木质素磺酸盐的热性能、磺酸盐组成含量、膜分离后产物的分子量分布。分析结果表明,木质素磺酸盐中主要含有钠和钾离子,每1 g质素磺酸钠中含有钠、钾以及用SO3H-表示的磺酸根三种离子的物质的量分别为2.138 mmol、0.197 mmol、2.348 mmol,即每1 g木质素磺酸钠中主要含有磺酸钠222.35 mg、磺酸钾23.64 mg,占木质素磺酸钠的24.7%。采用多功能膜分离技术分离木质素解聚产物获得了很好的分离效果,其中分子量3500到15000及15000以上的两个截留产物,主要为木质素解聚后的产物;3500到600~800以及600~800以下的截留产物,初步推断主要是半纤维素的水解糖类。     

木质素准液体替代柴油交通运输燃料

自1930 年人类才开始对木质素进行研究,1980 年美国人提出建议将木质素直接与柴油混合替代柴油,但都没有在技术上解决木质素颗粒作为柴油替代燃料时木质素在柴油中的稳定分散和输送问题.也即由于一直没有寻找到合适的分散剂或乳化剂,微细粒状木质素作为含氧易燃高能燃料过去一直不能用作为现代发动机的动力燃料.本项目利用木质素高分散性和流动性的特点,通过新的分散介质和乳化技术,使木质素微细颗粒可以与柴油均匀混合作为一种介于液体和固体之间的准液体燃料,部分地替代柴油.仅按照10% 替代比例,每年可以为我国节约柴油近千万吨;且与燃料乙醇、生物柴油相比较,木质素作为准液体燃料,不消耗粮食、不占用耕地、不需要国家财政补贴.与过去传统的试图将木质素液化后利用木质素作为交通运输燃料的技术方法完全不同,在世界科技界几十年来木质素液化生成交通运输燃料技术一直没有获得成功的背景下,本技术是直接利用固体颗粒状木质素经过新的分散乳化技术均匀分散于柴油中获得一种准液体燃料作为交通运输燃料.委托江苏大学江苏省生物柴油动力机械应用工程中心所进行的测试表明,含9.2%( 质量分数) 木质素准液体柴油燃料降低了柴油机排气温度约40℃,排烟状态无明显区别,混合油中的木质素25.2g 可替代14.3g 柴油,按等效热值计算,25.2g 木质素热值相当于16g 柴油的热值,说明木质素在测试使用条件下在柴油机汽缸内充分燃烧并替代柴油燃烧做功.另外,木质素具有玻璃转化温度,不同于其他生物质粉体或煤粉等没有玻璃转化温度的固体材料,在120 ～ 190℃以上温度时其是柔软的,所以对发动机的磨损作用与液体燃料应无大的区别.     

低共熔溶剂预处理对笋壳木质素结构及物化性质的影响

以慈竹(Neosinocalamus affinis)笋壳为原料,采用氯化胆碱和乳酸低共熔溶剂预处理提取氯化胆碱-乳酸(choline chloride-lactic acid, CC-LA)木质素,并对木质素结构、热稳定性及抗氧化活性进行表征和分析。结果表明：CC-LA木质素的得率在37.67%～62.32%之间,远高于磨木木质素的得率(13.4%)。CC-LA木质素相对分子质量低,多分散性指数小于2,结构均一性好。在氯化胆碱与乳酸的物质的量之比为1∶3,处理温度为130℃条件下得到CC-LA₃130木质素,该木质素较其他CC-LA木质素和磨木木质素醇羟基含量最低,酚羟基含量最高,热稳定性最好,清除DPPH自由基活性最强,自由基清除指数为3.77,高于商业抗氧化剂2,6-二叔丁基对甲酚(2.11),本研究说明了氯化胆碱/乳酸在最佳条件下(1∶3,130℃)提取的木质素具有应用于抗氧化剂领域的潜力。     

木质素复合水凝胶性能及应用的研究进展北大核心CSCD

木质素是自然界中储量仅次于纤维素的木质纤维素资源,也是唯一的天然芳香族聚合物,其衍生的高值化产品可以应用于多个领域。木质素的高效高值高质生产是木质纤维素生物炼制的关键所在,但木质素大分子结构复杂多变、反应的活性差、官能团冗杂,制备出性能稳定的高分子材料有一定的难度。随着木质素改性的研究越来越深入,木质素复合水凝胶的应用也受到了极大的关注。本文从木质素的基本结构组成与反应特性出发,简要概括了木质素复合水凝胶的制备方法;具体介绍了木质素复合水凝胶的应用现状,包括生物传感器、控制释放材料、环境响应材料、吸附材料、电极材料以及其他材料的应用;综述了木质素复合水凝胶的最新研究与应用进展,并对木质素制备复合水凝胶的发展前景进行了评述。     

枯草芽胞杆菌降解木质纤维素能力及产酶研究

从农林废物堆肥中分离得到1株细菌经鉴定为枯草芽胞杆菌,将该细菌用于木质素类化合物利用.固态培养条件下考察其对木质纤维素的降解能力及产酶特性,另外对发酵前后的稻草结构进行了红外光谱分析.结果表明,枯草芽胞杆菌具有木质素降解能力,兼具低分子量木质素酚型、非酚型类物质的降解能力.其对木质素降解是木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶、纤维素酶和半纤维素酶共同作用的结果.在实验条件下,培养30 d使木质素降解率达9.47%,同时对纤维素、半纤维素也有较高程度的降解;降解率分别为38.8%、41.84%.红外光谱分析结果表明,稻草木质素结构被破坏,枯草芽胞杆菌对木质素各官能团的降解作用有所不同.     

环境微生物介导的木质素代谢及其资源化利用研究进展

木质素是一种丰富的芳烃生物大分子聚合物,其分解代谢与地球元素循环和生物资源利用密切相关。但由于木质素结构的复杂性和无规则性导致其难以降解,使得木质素降解的研究成为全球碳循环和生物质资源利用研究的难点。近年来,来自不同环境的微生物陆续被发现具有木质素降解能力,并解析出参与木质素分解代谢的多种氧化还原酶。然而对木质素详细的代谢过程仍不十分清楚,因此,探究木质素降解酶系、作用机理和代谢网络是研究微生物代谢木质素机理的关键。本文综述环境中参与木质素降解的微生物,重点解析其木质素解聚酶系组成、分泌机制和木质素的代谢途径,并在此基础上阐明近年来木质素生物转化的最新研究进展,以期为今后环境微生物代谢木质素机理及其资源化利用的研究提供参考。     

红麻过氧化物酶基因分离、过表达载体构建及转化拟南芥分析

红麻是一种以收获韧皮纤维为主的经济作物,因其具有纤维产量高,抗逆境生长能力强等特点,在我国大部分地区都有种植。近年来,随着其韧皮纤维在纺织工业中的应用,红麻越来越受到育种家的高度重视。其韧皮纤维中木质素含量高低是限制其纤维品质好坏的重要因素之一,过氧化物酶基因在不同品质的木材中差异表达较为显著。为研究该基因在红麻(Hibiscus cannabinus L.)木质素合成过程中的作用,通过红麻转录组数据库筛选到过氧化物酶(Peroxidase)基因的核心片段,利用Tail-PCR技术获得了Peroxidase基因c DNA全长,命名为Hc POD。生物信息学分析表明:Hc POD基因编码序列长952 bp,编码316个氨基酸,相对分子量为33.9 k D,等电点为4.85。为进一步研究该基因的功能,本研究利用p CAMBIA1301载体作为骨架载体构建了红麻过氧化物酶基因过表达载体,利用花絮侵染法转化拟南芥。通过对转基因和非转基因植株体内木质素含量检测后发现,在拟南芥体内过表达红麻POD基因能显著提高拟南芥的木质素含量水平。研究结果为进一步分析该基因功能和了解红麻木质素合成的分子机制具有意义。     

木质素能源转化的研究进展

木质素具有较高的碳含量和热值,其最直接的利用方式是转化为各种能源产品,包括燃料和电能。因此,以来源丰富的木质素为原料转化制备生物质能源具有重要的意义。本文概述了近年来木质素转化为生物质能源的研究进展,包括木质素来源及提取、木质素热化学转化为生物燃料以及木质素发电技术,着重介绍了木质素的热解反应、气化反应、液化反应以及催化加氢脱氧反应,并总结了直接木质素燃料电池发电的最新研究成果。最后对木质素能源转化的研究前景进行了展望,提出实现工业化生产需根据目标产物需求开发新型催化剂、优化转化过程、建立低能耗且高效率的产物分离方法并加强木质素产电中电极材料、电池设计等研究,为木质素高值化、资源化和能源化利用提供参考。     

漆酶／介体体系降解黄麻纤维木质素的研究

为了研究漆酶／介体处理过程中,黄麻纤维木质素结构的变化,采用二氧六环水溶液抽提制取了黄麻纤维木质素,再用漆酶／介体对其处理,通过GPC、元素分析、酚羟基含量测定、红外光谱以及核磁共振氢谱分析了漆酶／介体处理后,黄麻纤维木质素结构的变化。结果表明：经漆酶／介体处理后,黄麻纤维木质素重均分子量和数均分子量减小,酚羟基、醇羟基以及甲氧基含量降低,羰基含量增加。     

木质素生物炼制研究进展

木质素为天然的芳香族聚合物,是自然界第二大丰富的可再生碳源,占木质纤维素干重的15%~30%。因木质素富含芳香族结构,故其具有极高的应用价值。生物法转化利用木质素具有专一性强和环境友好等特点,使得木质素生物炼制成为研究热点。本文根据国内外研究进展,从木质素降解酶的研究现状、芳香族化合物胞内代谢途径及木质素生物基化学品研究进展等几个方面做了综述。     

木质纤维素资源化主要途径及半纤维素优先资源化利用策略

木质纤维生物质是地球上最丰富的可再生资源,可转化为能源、化学品和材料,开发木质纤维生物质有利于废弃物的高值化利用和缓解目前面临的环境污染等问题。木质纤维素主要包括纤维素、半纤维素和木质素,将其主要组分进行高效分离,是实现多元化、高值化生物精炼的基础。基于此,笔者简要总结了目前主要的木质纤维素资源化途径,如基于纤维素资源化、基于半纤维素资源化、基于木质素资源化、基于碳水化合物资源化以及全组分资源化的研究策略。依据半纤维素在植物细胞壁中承担的角色,结合前期的研究基础,提出半纤维素优先原位催化转化的木质纤维素生物炼制新策略,实现半纤维素的高选择性溶出和高效转化,保留结构完整的纤维素和木质素分级转化为小分子化学品和材料,最终实现资源生物量全利用,多元化产品联产的目的。     

温和酸催化解聚木质素磺酸盐产物的分离与分析北大核心CSCD

木质素解聚产物是异常复杂的混合物体系,本文以温和酸催化条件下的木质素磺酸盐解聚产物为研究对象,建立分离和分析测试木质素磺酸盐解聚产物和解聚效率的有效方法。采用超高效凝胶渗透色谱对解聚产物实现了高效分离,结果表明木质素磺酸盐高分子获得了高效解聚,解聚获得的产物分子量组成主要分布在三个低聚物区间;采用GC-MS鉴定了主要的木质素基单酚和双酚类官能团化合物9种,约占解聚液的30 wt%,表明解聚产物中含有大量的单体化合物;采用SEM和EDS分析测试木质素解聚后残渣,其结果也进一步证实了在温和酸催化条件下,木质素磺酸盐在解聚过程中还原位脱除了磺酸盐。木质素磺酸盐由于具有特有的Cα-SO3M基团,在酸催化条件下β-O-4键易于断裂,促进了木质素磺酸盐快速解聚,获得了解聚效率达95 wt%以上的解聚产物。     

温和酸催化解聚木质素磺酸盐产物的分离与分析

木质素解聚产物是异常复杂的混合物体系,本文以温和酸催化条件下的木质素磺酸盐解聚产物为研究对象,建立分离和分析测试木质素磺酸盐解聚产物和解聚效率的有效方法。采用超高效凝胶渗透色谱对解聚产物实现了高效分离,结果表明木质素磺酸盐高分子获得了高效解聚,解聚获得的产物分子量组成主要分布在三个低聚物区间;采用GC-MS鉴定了主要的木质素基单酚和双酚类官能团化合物9种,约占解聚液的30 wt%,表明解聚产物中含有大量的单体化合物;采用SEM和EDS分析测试木质素解聚后残渣,其结果也进一步证实了在温和酸催化条件下,木质素磺酸盐在解聚过程中还原位脱除了磺酸盐。木质素磺酸盐由于具有特有的Cα-SO3M基团,在酸催化条件下β-O-4键易于断裂,促进了木质素磺酸盐快速解聚,获得了解聚效率达95 wt%以上的解聚产物。     

《Molecular Plant》文章中文摘要

摘要：植物细胞壁具有由高分子量的多糖、蛋白质和木质素组成的复杂结构。在细胞壁多糖中,纤维素,一种含有D-1,4氢键的葡聚糖微纤丝,是细胞壁成分中主要的承重部分,也是工业应用的重要前体。纤维素由多聚纤维素合酶（CesA）大型复合物合成,在质膜沿周质微管分布。     

NPR1多肽抗体的制备和应用

根据NCBI GenBank中报道的NPR1一级结构信息,采用Blastn、Blastx、ExPASy和Protean等软件进行序列同源性和抗原性指数分析,获得三段序列特异性较高的多肽,并从中优选一段序列特异性多肽,采用9-氟甲氧羰基固相合成法获得序列特异性最好的多肽,采用HPLC和LC-MS测定合成多肽的浓度和分子量,试验表明目的多肽纯度达88%、目的多肽分子量为1.92234 kD。采用碳化二亚胺法将多肽与KLH进行偶联获得免疫原Pep-KLH,并将其免疫新西兰大白兔以获得抗血清和多克隆抗体,采用ELISA和Western blotting测定其效价和特异性,经ELISA检测表明抗血清和多克隆抗体可与Pep发生特异性免疫反应,经Western blotting试验表明抗血清和多克隆抗体可识别烟草叶片特异性条带,其相对分子量为65 kD,与预测分子量相符,表明利用该方法制备的NPR1多肽抗体具有较高特异性和灵敏度。     

秸秆汽爆炼制木质素制备酚醛泡沫材料

以木质纤维素为原料的生物炼制不仅需要考虑到纤维素和半纤维素,同时也需要考虑到木质素的利用,以提高木质纤维素炼制的整体经济效益。利用汽爆处理的玉米秸秆为原料,通过优化碱提取的温度以及碱浓度,获得木质素得率较高,糖含量较少的提取液,同时该提取液经过浓缩后直接部分替代苯酚与甲醛反应制备酚醛泡沫。结果表明:当提取温度120℃,碱浓度1%,固液比1∶10,提取时间2 h,木质素的提取率达到79.67%。由该提取液替代苯酚制备的酚醛泡沫随着替代率的增加,其泡沫的密度逐渐增加,其压缩强度相对于纯酚醛泡沫也得到了提高。而木质素的加入并没有显著影响其热导率以及阻燃性能,同时由于其利用较为低廉的可再生资源木质素替代不可再生的苯酚原料,成本低,环保性好,具有更好的市场应用前景。采用木质素提液直接制备酚醛泡沫材料,工艺流程简单;增加了副产物木质素的经济价值,提高了整个木质纤维素炼制的经济性。     

应用混料实验设计制备秸秆复合降解菌剂

农业秸秆类废弃物含有大量木质纤维素,该类物质结构稳定,不易降解,为秸秆的合理利用带来诸多困难。本实验尝试利用混料实验设计对筛选出可以共同培养的五种木质纤维素降解菌的配比进行研究,寻求复合发酵降解剂各组分的最佳配比,并分析发酵产品得到适用于不同发酵目的的菌剂。通过对发酵产品中木质素和纤维素降解率及还原糖的含量的分析建立模型,分析预测纤维素降解率最高为35.75%,木质素降解率最高为27%,还原糖含量最高为3.39mg/g。通过优化得出发酵菌剂最优配比为枯草芽胞杆菌12.1%,克鲁斯假丝酵母10%,地衣芽胞杆菌27.2%,变色栓菌10.6%,黄孢原毛平革菌40%。对应三指标的实测值为：35.47%,26.41%和2.37mg/g。     

短DNA片段缩合结构的比较研究

本文利用透射式电镜对四种短DNA片段(500、1100、1500、2700 bP)的缩合结构进行了比较研究得出很有意义的结果。定量研究证实短至500 bP的DNA分子仍可形成复曲面,且分子量相差5倍多的DNA片段缩合形成的复曲面尺度大小一致。复曲面外径为400A左右。从而进一步证实作者与Arscott及Bloomfield关于复曲面尺度独立于DNA分子量,及短DNA片段的缩合是多分子缩合的结论。此外,观测到缩合中间结构的尺度依DNA分子量大小不同而变化,同时分子量愈小的DNA片段产生另一种缩合结构—棒体的几率愈大。