木质纤维素厌氧发酵过程中半纤维素的分解转化机理项目摘要

天然木质纤维素中纤维素被半纤维素和木质素重重包围、结构致密，导致其厌氧发酵效率的低下。通过分解木质素或半纤维素，破坏其致密的结构，是提高木质纤维素厌氧发酵产气效率的重要途径。然后，在厌氧条件下木质素很难被分解，纯微生物对天然半纤维素的分解效果并不理想。因此，本研究选择半纤维素为攻击目标，定向筛选具有半纤维素优先分解的厌氧发酵复合菌系，优先强化分解半纤维素，破坏木质纤维素结构，来提高其整体的分解转化效率，从而缩短厌氧发酵时间，降低沼气工程成本。同时以这个“厌氧发酵复合菌系”为平台，利用Clone文库构建、定量PCR、稳定同位素技术（SIP）和DGGE等分子生态学技术，系统地研究半纤维素在水解、产酸和产甲烷3阶段的关键微生物，探索复合菌系优先分解半纤维素的机制。最终，从代谢产物、半纤维素酶活和关键微生物的角度，揭示木质纤维素厌氧发酵过程中半纤维素的分解、转化机理。

天然木质纤维素中，纤维素、半纤维素和木质素相互残绕、结构致密，导致其厌氧发酵效率较低，其限速步骤就是木质纤维素的分解。前人研究一般多是针对木质素进行预处理，破坏致密的结构，提高木质纤维素的整体厌氧产气效率。然而，木质素很难被微生物快速分解，因此微生物预处理效果不佳。本研究利用不同底物（秸秆、污水）的厌氧发酵菌群作为菌源，以半纤维素为底物，通过无氧富集培养基和限制性培养技术，定向驯化能够优先高效分解半纤维素、高效分泌半纤维素酶和高效产气的稳定厌氧发酵复合菌系。经过30代的继代培养后，半纤维素分解率达到了95%，半纤维素酶活提高了2.73倍，沼气发酵速率也明显提高。同时利用高通量测序研究了驯化过程中菌群的微生物变化规律，以及驯化后复合系的微生物组成，Firmicutes、Bacteroidetes、Synergistetes、Chloroflexi、Spirochaetae、Acidobacteria和Proteobacteria这7类菌群相对丰度之和占总菌群丰度的90%以上。其中占比最大的是厚壁菌门和变形菌门。之后研究了复合菌系对不同半纤维素含量底物的分解及产气特性，结果表明，半纤维素含量高的底物，其底物的分解效率和产气率均高于半纤维素含量底的底物，这也证明了半纤维素优先分解的厌氧沼气发酵复合菌系筛选成功。为了进一步探究厌氧发酵复合菌系对半纤维素的产酸过程及其主要的功能微生物，采用13C-木糖为模式底物，以及添加产甲烷抑制剂2-溴乙酸磺酸钠BES，通过理化指标分析、DNA-SIP、与高通量测序技术，考察厌氧复合菌系以木糖为底物时的产酸特性，同时研究了微生物群落的演替和主要功能微生物。结果表明，在半纤维素优先分解的厌氧发酵复合菌系中，厚壁菌门的Bacillus和Clostridium是主要的功能微生物，在其数量可能决定了其优先分解的数度。Clostridium在不添加BES的处理中占到了总细菌数量的38.22%；Bacillus在添加BES的处理中占到了总细菌数量的40.23%。迄今为止，针对半纤维素在厌氧发酵整个过程分解转化机理的研究，报道较少。这有助于我们进一步优化菌群，提高木质纤维素原料的分解转化效率，完善木质纤维素厌氧发酵系统理论，推进沼气产业化发展。 2100433B

工业上常用大孔吸附树脂作为吸附材料分离是植物多酚，然而大孔吸附树脂的食品安全问题一直受到关注，开发高效安全的新型吸附分离材料具有重要意义。木质纤维素对茶多酚具有吸附特性，但木质纤维素对茶多酚的吸附容量小，其工业化应用受到限制。本研究通过对木质纤维素机理进行研究，探讨提升木质纤维素材料对茶多酚吸附能力的途径。 木质纤维素充分吸附茶多酚至饱和，经190℃处理固定。处理后的材料对没食子基酯型儿茶素（(-)-Catechin gallate，(-)-Epicatechin gallate，(-)-Gallocatechin gallate，(-)-Epigallocatechin gallate）的吸附能力要小于对照，而对非酯型儿茶素如( )-Catechin，(-)-Catechin， Epigallocatechin (-)-Catechin的吸附能力没有明显变化。通过Boehm滴定吸附材料表面活性基团，发现木质纤维素吸附了TP过后，其表面酚羟基的含量从0.33mmol/g下降到0.01mmol/g，而其他基团如内酯基和羰基明显上升，羧基含量变化不大。表明酚羟基在木质纤维素对茶多酚的吸附过程中起着重要作用，印证了项目最初的推断，即木质纤维素中起吸附作用的是其组分之一——木质素上的酚羟基。 将木质纤维素、明胶及壳聚糖共混材料经过加热固定，形成稳定的共混材料。在3g/L茶提取物溶液中，对儿茶素总量的吸附，共混材料对儿茶素的吸附总量达到638.08mg/g，与对照的408.13 mg/g有显著提高，而对咖啡因的吸附能力明显减小。表明通过明胶、壳聚糖与木质纤维素共混获得的材料在吸附分离茶多酚方面具有较好的效果，对木质纤维素制备茶多酚吸附材料的绿色改性提供了较好的方向。 2100433B

合成吸附材料用于食品添加剂分离的安全性一直受到关注，开发高效安全的新型吸附分离材料具有重要的现实意义。本项目以茶多酚为代表，研究木质纤维素对植物多酚的吸附机理，探讨微观结构对茶多酚吸附的吸附分离过程的影响，并在微观尺度上对木质纤维素的进行调控，进而提高其吸附容量，并采用固定床吸附对分离过程的热力学、动力学、分离过程进行研究，探讨茶多酚在木质纤维素介质中的传质过程。研究结果将对开发新型的吸附分离材料和食品功能组分分离技术开辟新的途径。