【摘 要】
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木质素生物转化对于提升生物质炼制技术经济性、促进可持续性发展具有重大潜力。然而,由于木质素结构的复杂性,导致木质素难以被生物降解。此外,木质纤维素分离后所得木质素往往存在性质、结构不均一的问题,限制了木质素高值转化。如何优化木质素原料及微生物发酵过程,提升木质素生物转化效率,是生物质炼制领域的前沿问题。论文以恶臭假单胞菌Pseudomonas putida KT2440为代表性菌株,探究了梯度酸析
【基金项目】
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国家自然科学基金（21706136）; 内蒙古自然科学基金（2019MS02026）
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木质素生物转化对于提升生物质炼制技术经济性、促进可持续性发展具有重大潜力。然而,由于木质素结构的复杂性,导致木质素难以被生物降解。此外,木质纤维素分离后所得木质素往往存在性质、结构不均一的问题,限制了木质素高值转化。如何优化木质素原料及微生物发酵过程,提升木质素生物转化效率,是生物质炼制领域的前沿问题。论文以恶臭假单胞菌Pseudomonas putida KT2440为代表性菌株,探究了梯度酸析沉淀分级方法对木质素生物转化的影响。分别对发酵前后木质素级分进行凝胶渗透色谱（GPC）、二维核磁共振（HSQC NMR）及红外光谱（FTIR）表征,结合发酵过程中生物量、聚羟基脂肪酸酯（PHA）产量、木质素转化率等参数,探究适宜生物转化的木质素底物特性。在木质素分级的基础上,通过加入漆酶及介体,促进木质素降解,进而提升生物转化水平。主要研究结果如下:1、木质素分级可以获得分子量均匀的木质素级分,促进木质素生物转化。经过酸碱组合预处理得到未分级木质素F0,分子量为17440 g/mol。通过梯度酸析沉淀分级,得到F1、F2、F3三种木质素级分,分子量分别为21202 g/mol、4189 g/mol、1631 g/mol。与未分级木质素相比,分级后的木质素发酵效果明显改善。低分子量木质素级分发酵性能明显优于其他高分子量级分,活菌数最高为1.45×10~8 CFU/m L,PHA产量最高达0.350 g/L,木质素转化率最高为13.24%。结合分子量和结构表征结果,低分子量木质素能有效被微生物利用,利于生物转化。2、添加漆酶可以有效促进木质素解聚,通过断裂木质素分子中β-O-4等联接键,使木质素分子量下降,进而提高木质素转化率和PHA产量。四种木质素发酵48 h后,活菌数比未加漆酶发酵分别提高84.21%、56.04%、61.96%和7.44%。以F3为底物发酵,PHA产量最高,达0.400 g/L,较未加漆酶发酵提高了1.14倍。3、添加漆酶-1-羟基苯并三唑（HBT）有效促进了木质素的酶解,高效解聚大分子木质素,提高木质素发酵性能。四种木质素发酵48 h后,活菌数较未经漆酶和介体处理时分别提高了62.79%、57.56%、24.30%和12.81%。以F3为底物PHA产量最高,达到0.413 g/L,比漆酶单独作用下提高了3.25%。四种木质素的转化率较未经漆酶和介体处理时分别提高了8.94%、21.84%、16.98%和7.38%。4、统计学分析结果显示木质素结构会在一定程度上影响木质素发酵性能,相关性分析系数和线性回归分析R~2结果显示,分子量对发酵性能的影响最显著,通过预处理等手段减小木质素分子量,有利于促进木质素生物转化。综上所述,分级可以改善木质素性质,获得低分子量木质素,促进微生物利用。漆酶和介体的添加进一步促进木质素解聚,使底物中可被微生物利用的小分子木质素增多,从而提高木质素转化率,提升目标产物产量。
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