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重離子輻照預(yù)處理木質(zhì)纖維素提高酶水解產(chǎn)率及其機(jī)理

作者:宋檢 時(shí)間:2022-12-08 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

生物質(zhì)是地球上分布*廣泛的可再生能源之一,在替代傳統(tǒng)的化石燃料、緩解能源危機(jī)、解決環(huán)境污染等方面發(fā)揮著不可替代的作用。其中,木質(zhì)纖維素作為一類(lèi)蘊(yùn)藏量*豐富的生物質(zhì)資源,主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素組成,纖維素和部分半纖維素可經(jīng)纖維素酶分解轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖,生產(chǎn)燃料乙醇及其他高附加值的產(chǎn)品。由于木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)中存在“生物質(zhì)抗降解屏障”,致使酶解轉(zhuǎn)化效率低,成本高,難度大。因此,木質(zhì)纖維素預(yù)處理工藝的開(kāi)發(fā)已成為國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

 

近日,近代物理所生物物理室科研人員利用蘭州重離子加速器國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提供的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),在12C6+輻照預(yù)處理甜高粱秸稈木質(zhì)纖維素提高酶水解產(chǎn)率及其機(jī)理研究方面獲得新進(jìn)展。

 

研究人員發(fā)現(xiàn),12C6+輻照預(yù)處理能顯著提高甜高粱秸稈的酶解產(chǎn)率和還原糖產(chǎn)量,尤其是600Gy的12C6+輻照預(yù)處理組酶解產(chǎn)率*高,其酶解36h時(shí)還原糖產(chǎn)量和水解產(chǎn)率分別為7.23 mg/mL和34.43%,較對(duì)照(還原糖產(chǎn)量4.93 mg/mL,水解產(chǎn)率23.47%)提高了46.7%(圖1);此外,研究人員對(duì)酶解產(chǎn)率提高的機(jī)理進(jìn)行深入探究,XRD圖譜顯示不同劑量的重離子輻照預(yù)處理對(duì)甜高粱秸稈晶體結(jié)構(gòu)造成不同破壞程度。從3429到3231 cm-1的FTIR可知重離子輻照處理使纖維素Iα中氫鍵斷裂逐步形成Iβ(圖2)。可視化的AFM圖像表明:甜高粱秸稈多糖表面超微結(jié)構(gòu)的改變是重離子輻照預(yù)處理提高酶水解產(chǎn)率的主要原因(圖3)。

 

此項(xiàng)研究首次采用重離子束對(duì)甜高粱木質(zhì)纖維素進(jìn)行材料改性,從而破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)中的“生物質(zhì)抗降解屏障”,并采用XRD, FTIR以及AFM進(jìn)行了輻照預(yù)處理秸稈的表征和可視化分析,為重離子輻照機(jī)理的闡釋提供了詳實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。同時(shí),該研究表明重離子輻照技術(shù)可作為一種有效提高木質(zhì)纖維素酶解產(chǎn)率的預(yù)處理手段,填補(bǔ)了一項(xiàng)在輻照預(yù)處理生物質(zhì)材料領(lǐng)域中的空白。

 

該研究由近代物理所王曙陽(yáng)副研究員課題組完成,許富強(qiáng)為本論文共同**作者之一。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在生物質(zhì)能一區(qū)期刊Carbohydrate Polymer.

 

該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目及中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目的資助。

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