氯化胆碱类低共熔溶剂用于木质纤维素预处理的研究进展

丰富、可再生的木质纤维素生物质在代替化石资源制备化学品和功能材料方面具有巨大的潜力,但是,木质纤维素生物质的天然抗降解性严重制约着其有效利用,需要通过预处理打破木质纤维素的天然抗降解屏障,才能更好利用木质纤维素生物质。以低共熔溶剂(DESs)为溶剂的预处理技术是新兴的生物质预处理技术,在木质纤维素预处理方面展现出良好的应用前景。笔者综述了近年来氯化胆碱(ChCl)基DESs用于生物质预处理的研究概况,讨论了ChCl基DESs的物化性质与预处理性能之间的关联性,系统总结了以羧酸、醇、氨基或者酰胺基为氢键供体的DESs在木质纤维素预处理方面的应用,重点分析了预处理温度及时间、氢键供体的结构及其与ChCl的物质的量比、固液比等因素对预处理性能的影响。此外,还讨论了ChCl基DESs与其他辅助技术结合在生物质预处理中的应用、ChCl基DESs的回收、预处理后木质纤维素各组分的再生等。最后,展望了DESs预处理技术面临的挑战及可能的发展方向。

香菇菌糠中木质纤维素的挤压降解及结构表征

为开发香菇(Lentinus edodes)菌糠的新型加工处理方式,促进其高效转化利用,以香菇菌糠为研究对象,采用范式抽提法、傅里叶变换红外光谱法、X-射线衍射法和光学显微成像对经挤压处理香菇菌糠的木质纤维素含量、木质纤维素官能团、纤维素相对结晶度和纤维形态变化进行分析。结果表明,香菇菌糠经过挤压处理后木质纤维素各组分均有不同程度减少,40%水分挤压和50%水分挤压后木质纤维素含量分别降低了13.863%、11.264%,纤维素含量分别降低了19.003%、16.630%,综纤维素含量分别降低了17.357%、11.343%,木质素含量分别降低了6.574%、11.099%,纤维素相比半纤维素、木质素呈现出更快的降解速度;与50%水分挤压相比,40%水分挤压对半纤维素、综纤维素的降解作用更显著,降解率分别提高了12.131%、6.783%。傅里叶变换红外光谱显示,木质纤维素的红外光谱特征官能团主要吸收峰的位置未发生改变,但吸收峰特征及强度发生变化,表明挤压处理对香菇菌糠中木质纤维素各组分有降解作用,其中半纤维素在低水分条件下更易发生降解,与木质纤维素各组分的挤压降解规律一致。挤压前后的香菇菌糠均具有典型的纤维素X射线衍射特征,挤压后纤维素结晶区被破坏,40%水分挤压和50%水分挤压后纤维素相对结晶度分别降低了21.10%、18.00%。纤维长度、宽度及长宽比呈现出降低趋势,经显微镜观察,挤压后香菇菌糠纤维壁及内腔进一步遭到破坏,膨松状态片状结构明显增多增大。因此,挤压处理可有效降解香菇菌糠木质纤维素,破坏其生物质结构,使得红外光谱吸收峰、纤维素结晶度及纤维形态发生改变,其中,40%水分挤压的降解作用更佳。

不同生长期香菇培养料中木质纤维素的变化特征

为探究不同生长期香菇培养料中木质纤维素的变化特征,促进其高效降解利用,以香菇培养料为研究对象,采用范式抽提法、X-射线衍射法、傅里叶变换红外光谱法和光学显微成像法对各生长期香菇培养料的木质纤维素含量、纤维素结晶度、木质纤维素相关的官能团和纤维形态变化进行分析。结果表明,随着香菇生长进程的推进,木质纤维素各组分含量显著下降,纤维素生殖生长阶段降解较多,半纤维素、木质素、综纤维素降解具有明显的阶段性,进入转色后降解速度加快。二茬菇时纤维素、半纤维素、木质素和综纤维素含量分别比原料降低了34.73%、61.58%、57.15%、42.33%。各生长期的香菇培养料均具有典型的纤维素X射线衍射特征,纤维素结晶区被破坏,典型衍射峰的结晶度持续减少。傅里叶变换红外光谱显示,木质纤维素的红外光谱特征官能团主要吸收峰的位置未发生改变,但振动强度减弱,与木质纤维素各组分的降解利用规律一致;特征峰比值I1723/I1510、I1383/I1510、I1157/I1510呈现不断减少趋势,而I897/I1510在转色和一茬菇呈增大趋势,表明香菇对木质纤维素各组分的降解程度不同,该生长期木质素相比纤维素有着更快的降解速率。纤维长度及宽度总体上呈现降低的趋势,二茬菇与其他生长期存在显著性差异。经显微镜观察,二茬菇纤维壁及内腔遭到破坏,明显区别于原料。因此,香菇对培养料木质纤维素具有较强的持续的降解作用,可显著降低木质纤维素含量,破坏纤维素结晶区,使得红外光谱吸收峰及纤维形态发生改变。

不同生长阶段香菇栽培料木质纤维素降解利用研究

为深入了解香菇生长发育过程中栽培料木质纤维素的变化,对不同生长阶段香菇栽培料中木质纤维素含量及其相关降解酶活性进行了测定,利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X-射线衍射法(XRD)和显微镜观察研究了木质纤维素微观结构分子基团、纤维素相对结晶度(CrI)和纤维表面形态的变化。结果表明,在香菇生长发育过程中,栽培料中的纤维素、半纤维素和木质素含量显著下降,木质纤维素含量(w,后同)由85.27%降低至52.23%,其与相应的降解酶系活性负相关,木质纤维素降解与纤维破坏程度呈现一定的相关性。FTIR结果显示,不同生长阶段香菇栽培料中木质纤维素特征官能团峰值发生变化,木质素降解速率高于半纤维素、低于纤维素。随着香菇的生长发育,栽培料中CrI显著降低,纤维素晶体结构受到了一定程度的破坏。结果表明,香菇首先利用栽培料中非木质纤维素组分供菌丝生长,同时分泌胞外降解酶破坏纤维结构,将大分子组分降解为小分子组分,从而满足其生长所需,高木质纤维素降解酶活性对应高木质纤维素降解率。该研究结果可为促进香菇栽培料中木质纤维素的降解利用提供依据。

木质纤维素的微生物法降解及其饲料化研究进展

农作物秸秆是农业生产过程中的副产物,是地球上第一大可再生资源,我国是农作物秸秆资源量较为丰富的国家。木质纤维素是秸秆细胞壁的主要成分,是一种可循环利用的物质资源,在饲料领域具有很大的利用价值。木质纤维素的结构紧密且复杂,利用难度大,采用生物法降解木质纤维素是一种绿色、安全、高效的方式。文章概述了木质纤维素的组成成分及结构,重点叙述了自然界中降解木质纤维素的微生物种类,及微生物降解木质纤维素各组分的降解机理,以期为研究生物降解木质纤维素提供参考依据,进而促进秸秆饲料化的发展进程。

灵芝菌株发菌期对玉米秸秆中木质纤维素的利用

以4株灵芝菌株为试材,采用PDA-愈创木酚培养基、PDA-苯胺蓝培养基、产纤维素酶筛选性培养基、产木聚糖酶筛选性培养基对这些菌株进行产木质纤维素酶能力的初筛,研究了菌株发菌期不同培养料配方中的菌丝生长速率、木质纤维素降解酶活性及其对玉米秸秆木质纤维素的降解,以期为研究灵芝发菌期灵芝利用木质纤维素的规律提供参考依据。结果表明:利用4种培养基筛选出木质纤维素酶活性较高的LZ-10,并用于后续试验。玉米秸秆降解试验中,随着配方1~7中玉米秸秆占比的增加,菌丝生长速度呈现先增加后减小的趋势,其中配方1达到最大值(5.72±0.12)mm·d^(-1)。在灵芝发菌期内,不同配方间木质纤维素酶活性与木质纤维素降解率之间存在差异。在配方5、6中,木质素的降解率最大达到43.08%±0.05%,漆酶和锰过氧化物酶活性最大。木聚糖酶活性最大的配方5、6中,半纤维素的降解率最大达到36.20%±0.23%,而纤维素的降解率变化不明显。综上所述,灵芝发菌期内玉米秸秆添加量为80%~90%时菌丝生长较为缓慢,但对木质纤维素的利用较为全面。

粉碎粒径对番茄和辣椒秸秆堆肥木质纤维素降解特征的影响

为探索茄果类蔬菜秸秆在菜田就近进行好氧堆肥粉碎条件,研究了2种粉碎粒径(碾压粉碎2~5 cm、切割粉碎1~2 cm)对3种蔬菜秸秆(番茄、辣椒及二者混合秸秆)堆肥的木质纤维素降解特征的影响。结果表明,番茄、辣椒和混合秸秆在堆肥过程中木质纤维素组分降解率由高到底依次为半纤维素>纤维素>木质素,大粒径处理能够降低堆肥初始木质纤维素的含量,同时加快纤维素和半纤维素在堆肥后期的降解;小粒径处理则能够提高堆肥积温,促进木质素的降解。冗余分析表明,纤维素和半纤维素降解是促进全碳降解的关键因素。大粒径处理的3种秸秆初始全氮、全磷、全钾和腐植酸含量显著高于小粒径处理,且在堆肥结束时大粒径处理的氮、磷、钾总养分含量(8.03%)和腐植酸含量(12.15%)仍显著高于小粒径处理(6.88%、9.44%)。在生产中,蔬菜产地可选择秸秆还田机碾压粉碎至2~5 cm粒径或容重0.3 g/cm^(3)下的粉碎粒径对茄果类蔬菜秸秆进行堆肥,有助于木质纤维素的降解和堆肥质量的提高。

木质纤维素生物转化的技术研究和应用前景

随着工业化进程的发展,不可再生能源的消耗以及环境的污染问题是面临的严峻挑战。因此,可再生生物质资源的开发得到了广泛关注。木质纤维素是一种丰富的可再生生物质资源,可用于生物化学品和生物燃料的生产。然而,其复杂的结构阻碍了木质纤维素生物转化的最终效率。有效的预处理技术以及合适的转化宿主为木质纤维素的生物转化提供了帮助。此外,选择合适的木质纤维素转化工艺更有利于目标产物的合成,其中包括单独水解和发酵、同步糖化和发酵以及统合生物加工过程。在这些工艺中,通过统合生物加工过程构建的微生物共培养系统被认为是高效生产生物化学品和生物燃料的潜在策略。进一步,将共培养体系与合成生物学和代谢工程相结合,为未来构建高效稳定的木质纤维素生物转化体系提供了理论指导。

基于生物基衍生有机溶剂的木质纤维素预处理研究进展

木质纤维素类生物质是地球上最丰富的可再生资源,但纤维素、半纤维素、木质素三组分之间复杂的键合结构限制了其有效的转化利用。有机溶剂预处理是消除这种顽抗性的有效方法,其能有效拆解三组分、提高纤维素酶水解性能,并回收高纯木质素组分。随着对溶剂绿色和可持续性的要求,预处理有机溶剂正逐渐向生物基衍生溶剂方向发展,近期已有多种新型的生物基衍生溶剂预处理的报道。本文系统综述了基于Hansen溶度参数理论和CHEM21绿色溶剂指南的有机溶剂预处理体系设计,分别归类为均相体系、两相体系和多元相转化体系,归纳了生物基衍生预处理有机溶剂应用的研究进展,在此基础上探论了生物基衍生溶剂预处理面临的挑战和应用前景,以期为木质纤维素类生物质的有机溶剂预处理体系的设计和选择提供参考。

木质纤维素基碳量子点合成与调控研究进展

近年各种木质纤维素类生物质被作为绿色碳源制备碳量子点,并广泛应用于防伪、成像、催化等领域。使用木质纤维素类生物质制备碳量子点可以实现其低成本、大规模、快速制备。然而木质纤维素类生物质结构复杂,木质纤维素基碳量子的合成过程受原料种类、制备过程影响,且其荧光特性与其碳的内核结构与表面形态紧密关联。这些因素使木质纤维素基碳量子点的制备与调控过程难以精准进行,因此探究木质纤维素基碳量子点的形成过程机理和调控提质机制十分重要。鉴于此,本文对木质纤维素基量子点的形成方法、过程影响等进行了综述,分析评价了各种制备与改性方法的优缺点,深入讨论了木质纤维素基碳量子点的合成机理与调控方法,并对其存在的问题以及挑战提出了展望。

木质纤维素类生物质热解转化研究进展

综述了木质纤维素类生物质热解技术的研究进展,总结了不同生物质原料的热解机理,分析了产物的组成和性质,研究了产物的调控、改性和应用。指出未来的研究方向应该集中在以下几方面:技术改进,致力于改进生物质热解技术,提高能源转化效率和产物选择性;产品多样化,除了生物质热解产生的主要能源产品,如生物炭、生物油和生物气,还应着眼于开发高价值的化学品和材料,包括生物基化学品、特殊化学品和高性能材料;集成系统,应尝试将生物质热解与其他能源转化技术相结合,形成多能源联供系统,与生物质发酵、光催化、电解和储能等技术集成,以提高整体能源系统的效率和可持续性。

蔬菜废弃物堆肥中耐高温菌QK降解木质纤维素的特征

为探究添加微生物对好氧堆肥中木质纤维素降解特征,本研究以番茄、甜瓜蔬菜废弃物为原料,设置不添加菌剂对照组CK和添加自主筛选的耐55℃高温芽孢杆菌QK进行高温好氧堆肥试验,采集0、7、15和31 d样品分析木质纤维素含量、酶活性以及微生物多样性,探究蔬菜废弃物堆肥中耐高温菌QK降解木质纤维素的特征。结果表明,添加QK对纤维素、半纤维素、木质素的降解率分别为65.14%、58.28%、48.51%,较CK提高了8.27%、7.26%、15.21%。添加QK提升了羧甲基纤维素酶、半纤维素木聚糖酶、木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶活性,较CK显著提升22.64%、25.46%、50%、186.25%、61.70%。添加QK改变了细菌和真菌群落结构及多样性,其Shannon指数均得到显著提高,增加促进木质纤维素降解的拟诺卡氏菌属(Nocardiopsis)、短杆菌属(Brachybacterium)等相对丰度,同时降低病原菌棒杆菌属(Corynebacterium)、气球菌属(Aerococcus)相对丰度。耐高温芽孢杆菌QK的表现特征掲示它可以作为堆肥的良好促腐菌剂,并为解析木质纤维素降解转化机制提供了理论依据。

木质纤维素预处理技术研究现状与展望

木质纤维素是自然界中最丰富的可再生资源,可用于生产燃料乙醇、生物柴油等能源产品,也是制备化学品和造纸的主要原料。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成,复杂的化学结构限制了其高效利用,故必须对其进行预处理,去除木质素、半纤维素等不可溶物质,从而使其更易被酶水解成可发酵的糖,进而提高木质纤维素的降解转化率。预处理技术可以改变木质纤维原料的内部结构和表面性质,为后续的酶解糖化创造良好条件。从物理、化学、生物、联合处理等4个方面全面综述了不同木质纤维素预处理技术的研究现状,总结了其预处理效果和优缺点,并展望了其未来的研究方向,旨在为木质纤维素生物质降解利用研究提供参考。

微生物种群间分工协作在木质纤维素转化中的研究进展

联合生物加工被认为是木质纤维素转化的最理想形式,虽然通过代谢工程改造可以基于单一菌株实现联合生物加工,但过高的代谢压力导致菌株转化效率并不理想。为了系统认识微生物种间分工和实现联合生物加工的理性设计,本文聚焦于天然木质纤维素降解菌群中的种间分工,从底物协同水解、营养因子交叉喂养和“糖骗子”限制的角度综述了目前物种间的分工协作模式,介绍了物种分工在木质纤维素转化中的应用,以及天然木质纤维素菌群中种间分工研究的挑战和未来发展方向,为联合生物加工菌群的构建提供设计原则,推动木质纤维素的高效转化。

基于转录组挖掘香菇木质纤维素降解相关基因

对用木屑培养料(木屑组)和PDA培养基(PDA组)培养的香菇(Lentinula edodes)菌丝进行转录组测序分析,对两组样本进行主成分分析和相关性分析,对差异表达基因进行筛选和聚类分析;以PDA组为对照,对木屑组中显著差异表达的基因进行筛选以及GO功能富集、KEGG代谢通路分析;采用定量PCR方法验证9个差异表达基因表达情况。结果表明:培养基质造成的基因表达差异大于菌株,8个样本可分为两组(PDA组和木屑组);与PDA组相比,木屑组有677个基因的表达存在显著差异,其中445个基因(与木质纤维素降解相关的180个)上调,232个基因(与木质纤维素降解相关的38个)下调,表明木屑培养基能够显著诱导木质纤维素降解相关基因表达。GO功能富集分析结果表明,上调表达基因在氧化还原酶活性、水解酶活性、代谢过程、水解酶活性(水解O-糖基化合物)、水解酶活性(作用于糖基键)等代谢过程中显著富集。KEGG代谢通路分析结果表明,上调表达基因在溶酶体、转运蛋白、氨基糖和核苷酸糖代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、淀粉和蔗糖代谢、肽酶和抑制剂通路中显著富集;下调表达基因在MAPK信号通路-酵母、不饱和脂肪酸生物合成、二噁英降解通路中显著富集。研究结果为揭示香菇培养基质利用的分子机制和选育高效利用基质菌株提供参考。

水热/热解转化木质纤维素为超级电容器多孔炭电极材料的研究进展

近年来,木质纤维素高值转化利用受到广泛关注。通过水热和热解将木质纤维素转化为多孔炭,并用于超级电容器,是实现木质纤维素高值化利用的一条重要途径。本文重点介绍了水热炭和生物炭在制备、形成机理、理化性质等方面的研究进展;关注了操作参数对水热炭和生物炭理化性质的影响;重点探讨了水热炭和生物炭功能化制备多孔炭的方式,包括孔结构优化和表面特性优化的方式。

木质纤维素预处理实现组分综合利用

随着可降解材料相关产业的发展,人们对木质纤维素中的纤维素、半纤维素以及木质素等组分材料化及综合利用的关注与日俱增。木质纤维素在经过预处理后,可分离纯化获得的纤维素、半纤维素以及木质素等近单一成分,其本身及衍生物可进一步被应用于化工、材料以及生物医药等领域。笔者总结了不同预处理方法,包括:物理法、化学法、生物法、物理化学法以及联合预处理法等,分析了这几种方法作用于生物质,以克服木质纤维素复杂结构的顽固性对后续综合利用工艺的影响。同时,从分离纯化后的化学修饰及其衍生物的应用等角度进行系统分析,以期为开发不同的木质纤维素利用路径提供指导。

木质纤维素液化制备植物基多元醇研究进展

介绍了木质纤维素的组成及各组分的液化机理,综述了溶剂热液化催化剂的研究现状,催化效果及缺陷。木质纤维素结构复杂,纤维素具有高结晶度,不利于木质纤维素的液化,为提高液化效率,提出了对木质纤维素进行预处理的解决方法,包括物理预处理、生物预处理和化学预处理。

蒸汽爆破对木质纤维素高值化利用的研究进展

木质纤维素生物质是一种量大面广且廉价易得的可再生资源,已逐步实现由生物质向生物燃料、饲料原料和其他附加值产品的开发及应用,这样的高值转化与综合利用成为“走绿色发展道路、构建绿色生产体系”的重要部分。然而,木质纤维素的天然抗降解屏障及其独特的理化性质,纤维素-半纤维素-木质素三大组分的刚性网络一直是高效转化的瓶颈所在,合理有效的预处理技术则是资源化进程的关键步骤。本文落脚于木质纤维素生物质的基本组成和结构特性分析,在总结物理法、化学法、生物法等传统预处理方法优劣势的基础上,着重阐述了蒸汽爆破的发展历程、加工类型、适用范围、工作原理、反应阶段、技术特点、影响因素、主要参数和可能的副产物效应等,以及在生物质的纤维改性、结构变化、溶解特性、低聚糖制备、活性成分提取与反刍饲料化利用层面的研究进展。此外,还指出蒸汽爆破辅以真菌、细菌为主的微生物发酵,以及糖酶外源添加的后处理流程的发展趋势。最后,归纳了蒸汽爆破在未来商业化、工业化和规模化生产推广中可能面临的困难和挑战,分析提出相应的突破点和解决策略。并就蒸汽爆破技术对常见副产物类型饲料原料的降解效果,及其在单胃动物日粮中的合理应用进行展望,以期为该技术对生物质资源的开发、增值、饲料化应用的诸多潜能提供新思路和技术指导。

堆肥生境来源细菌降解木质纤维素制备腐殖质的研究

微生物降解木质纤维素具有清洁、高效、成本低、操作简单等优点。对从堆肥中筛选出的木质纤维素降解细菌(枯草芽孢杆菌LY60、地衣芽孢杆菌A65)进行20 d的单菌株液态腐殖化实验,探究了腐殖化过程中纤维素、木质素、腐殖质(胡敏酸、富里酸)的变化。结果表明,枯草芽孢杆菌LY60、地衣芽孢杆菌A65均能降解木质纤维素制备腐殖质,其中地衣芽孢杆菌A65在降解木质纤维素方面表现更优,纤维素、木质素的降解率分别为23.59%、31.86%,为利用木质纤维素制备腐殖质提供了借鉴。