生物化工工藝畢業(yè)論文

1、安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢 業(yè) 論 文( 2012屆 )課題名稱： 木質(zhì)素的研究進(jìn)展 專 業(yè)： 生物化工工藝 2012年3 月安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文目錄摘要2abstract3第一章 木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)和分類41.1 木質(zhì)素的元素組成及結(jié)構(gòu)41.1.1 木質(zhì)素的元素組成41.1.2 木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)41.2 木質(zhì)素的化學(xué)特性41.3 工業(yè)木質(zhì)素4第二章木質(zhì)素的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域52. 1 木質(zhì)素在化肥領(lǐng)域的應(yīng)用52. 2 木質(zhì)素在高分子材料中的應(yīng)用62. 2. 1 在橡膠工業(yè)中的應(yīng)用62. 2. 2 在塑料工業(yè)中的應(yīng)用72. 2. 3 在聚氨酯工業(yè)中的應(yīng)用72. 2. 4 在黏合劑方面的應(yīng)用82. 3 木質(zhì)素吸附

2、劑92. 4 小結(jié)11第三章 木質(zhì)素在生物科技方面的發(fā)展113.1 木質(zhì)素降解菌株和降解酶的研究113.2 木質(zhì)素合成的基因調(diào)控研究133.3 其他酶和小分子物質(zhì)的研究143.4 小結(jié)15第四章 展望與總結(jié)16參考文獻(xiàn)：17致謝21木質(zhì)素的研究進(jìn)展摘要 :介紹了木質(zhì)素的來源、 元素組成、 化學(xué)結(jié)構(gòu)及分類 ,綜述了木質(zhì)素在農(nóng)業(yè)、 高分子化學(xué)及吸附劑領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀 ,對木質(zhì)素應(yīng)用研究的未來趨勢行了分析和論。人類利用木質(zhì)素已有幾千年的歷史 ,真正開始研究木質(zhì)素則是在 1930年以后 ,而且至今木質(zhì)素還沒有得到很好的利用因此 ,有效利用木質(zhì)素 ,減少環(huán)境污染已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。目前 ,對木

3、質(zhì)素的利用已積累了一些技術(shù)和方法 ,但利用率不足 10% ,大部仍以廢物形式排出 ,污染環(huán)境 ,浪費(fèi)資源。隨著人們對生態(tài)環(huán)境問題的日益重視 ,木質(zhì)素的利用將成為人類“ 可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略 ”的一個重要組成部分 ,并形成環(huán)保節(jié)能、 自然資源的綜合利用及閉路循環(huán)技術(shù)等涉及多個方面的一項(xiàng)系統(tǒng)工程。對生物法處理木質(zhì)素進(jìn)行了簡要概述，包括微生物降解、生物法酸析提取木質(zhì)素以及生物法純化木質(zhì)素的效果及其研究進(jìn)展。生物法處理木質(zhì)素對資源的合理利用、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)具有重要的意義。關(guān)鍵詞 :木質(zhì)素 ;生物有機(jī)肥;吸附劑 ;高分子 ;超分子; 木質(zhì)素微生物降解生物法純化presence situation of

4、 research on ligninabstract:the recent research progressof lignin application in industry is summarized, including the source of lignin, elemental compo2sition, chemical structure, classification, application of industrial lignin in bio2fertilizer, adsorptionmaterial and polymer .in addition,the fut

5、ure trends of lignin application involved are analyzed and discussed. in this paper , we summarized the present knowledge on wood rot fungi , ligninolytic enzymes , the gene engineering of ligninsynthezation , and the effects of low - molecular compound.key words: lignin; bio2fertilizer; adsorption;

6、 macromolecule; super molecule; lignin; white rot fungi ; ligninolytic enzymes; gene engineering第一章 木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)和分類1.1 木質(zhì)素的元素組成及結(jié)構(gòu)1.1.1 木質(zhì)素的元素組成木質(zhì)素的元素組成為碳、 氫、 氧及氮 ,因來源、 處理工藝的不同 ,木質(zhì)素的元素組成往往會存在一些差別1。木質(zhì)素是一種復(fù)雜的、 非結(jié)晶性、 三維網(wǎng)狀酚類高分子聚合物。1.1.2 木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)通常認(rèn)為 木質(zhì)素的基本結(jié)構(gòu)單元是以苯丙烷為主體的 3種基本結(jié)構(gòu):愈創(chuàng)木基丙烷、 紫丁香基丙烷和對羥苯基丙烷。它們由苯丙烷基單元 (c6

7、-c3)經(jīng)碳碳鍵和碳氧鍵相互連接耦合而成 ,是具三維空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜無定型高聚物。1.2 木質(zhì)素的化學(xué)特性木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)單元上連有各種功能基團(tuán)2，如分子中含有酚羥基、 醇羥基、 甲氧基、 醛基、 酮基、 羧基等活性基團(tuán) ,可以發(fā)生氧化、 還原、 磺甲基化、 烷氧化、烷基化等改性反應(yīng) ,為工業(yè)利用提供3，可能木質(zhì)素分子的可再生、 可降解和對環(huán)境無毒等特點(diǎn) ,決定了其在現(xiàn)代工業(yè)中的用途。木質(zhì)素在化學(xué)性質(zhì)上具有不穩(wěn)定性 ,通過對木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的化學(xué)修飾 ,可改善化學(xué)反應(yīng)活性 ,或經(jīng)聚集態(tài)改性 ,改變或消除生物材料中的氫鍵 ,改變其聚集態(tài)結(jié)構(gòu) ,再通過重新形成新的氫鍵和化學(xué)鍵 ,得到不同結(jié)構(gòu)的化學(xué)產(chǎn)物 ,實(shí)現(xiàn)

8、在分子水平甚至超分子水平上優(yōu)化木質(zhì)素材料性能4。不同的木質(zhì)素一般所具有的官能團(tuán)種類和數(shù)量不同 ,因此其化學(xué)活性和類型也不同。1.3 工業(yè)木質(zhì)素主要分為以下幾大類5:1) 水解木素:其溶解性和反應(yīng)活性很低 ,大部分已發(fā)生縮合 ,用途受到限制;2) 堿木素:來自硫酸鹽法、 燒堿法、 燒堿蒽醌法等制漿過程 ,可溶于堿性介質(zhì) ,具有較低的硫含量和較高的反應(yīng)活性 ,用途較廣; 3) 木素磺酸鹽:主要來自傳統(tǒng)的亞硫酸鹽法制漿和其他改性的亞硫酸鹽制漿過程 ,其硫含量高 ,應(yīng)用途徑廣泛; 4) 其他制漿工藝的木素:如 al2cell木素 (溶劑法制漿 )、 乙酸溶劑木素(來源于乙酸蒸煮 )、 醚蒸煮木素和蒸汽

9、爆破木素(如 iotech木素和 angiolin木素 )。第二章 木質(zhì)素的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域2. 1 木質(zhì)素在化肥領(lǐng)域的應(yīng)用木質(zhì)素作為土壤改良劑和肥料的研究已有較大的進(jìn)展。木質(zhì)素分子是腐殖酸的來源之一 在土壤中降解之初 ,隨著甲氧基含量的減少 ,酚羥基的含量逐漸增加 ,并與氨基酸或肽縮合 ,生成腐殖酸。實(shí)驗(yàn)表明 ,木質(zhì)素降解中間產(chǎn)物的醌結(jié)構(gòu)在堿性介質(zhì)中發(fā)生反應(yīng) ,以開環(huán)方得到二元羧酸 ,它們是木質(zhì)素降解產(chǎn)物構(gòu)成腐殖酸的模型物質(zhì)6。在硫酸鹽法蒸煮中 ,木質(zhì)素發(fā)堿化斷裂和硫化斷裂反應(yīng) ,還發(fā)生一定程度的縮合反應(yīng) ,反應(yīng)中生成的酚羥基和羧基有一定螯合能力 ,這就為用木質(zhì)素制備螯合微肥提供了可能性。木質(zhì)素

10、是一種可完全生物降解的天然高分子材料 ,但立體網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)的存在大大延緩了其降解過程。因此 ,如果通過一定的反應(yīng)將氮元素接在木質(zhì)素的苯環(huán)上 ,再施加到土壤中 ,氮元素不會立即釋放 ,而是隨著木質(zhì)素分子的降解而緩慢釋放出來 ,成為一種新型的緩釋氮肥7。莫海濤等8將木質(zhì)素進(jìn)行固氮菌的體發(fā)酵 ,制備生物肥料。結(jié)果表明 ,麥草木質(zhì)素中添加適量的玉米秸稈粉末作疏松劑 ,作為一種固態(tài)發(fā)酵良好的載體 ,可以改善空氣屏障率 ,有利于熱和氧的傳遞。木質(zhì)素載體還可固態(tài)發(fā)酵穩(wěn)定 ph值 ,適當(dāng)增加其含量有利于促進(jìn)微生物的生長。江啟沛9等關(guān)于木質(zhì)素吸附總氮和氨態(tài)氮含量的研究結(jié)果表明 ,過氧化氫氧化氨解草漿木質(zhì)素的最佳

11、工藝是 :反應(yīng)溫度 120 ,反應(yīng)時間 90 min,氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)20% ,最佳 ph值 810,過氧化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù) 20%,木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù) 10%。得到的氨化產(chǎn)物總氮 11. 62%、氨態(tài)氮 4. 12%、 有機(jī)結(jié)合氮 7. 50%;氨化產(chǎn)物的 ph值調(diào)節(jié)到 4,總氮含量會提高到 16. 02%;紅外光譜分析過氧化氫氧化氨解草漿木質(zhì)素 ,光譜圖上出現(xiàn)了明顯的 cn和 nh伸縮振動峰 ,而且芳環(huán)峰由于氮元素的引入而遭到破壞并變?nèi)?。肖傳緒10等用木質(zhì)素作為包膜材料包裹尿素進(jìn)行了緩釋效果研究。結(jié)果表明 ,將顆粒尿素用木質(zhì)素包裹并且用 nbpt(正丁基硫代磷酸三胺 )進(jìn)行處理 ,可以減緩尿素的釋放 ,

12、進(jìn)而提高肥料的利用率。這種肥料 ,從化學(xué)成分上來說是有機(jī) 2 無機(jī)復(fù)合肥 ,從功能上來說是緩釋肥料。nbptlpu可以成為一種有應(yīng)用潛力的緩 /控釋肥料新品種 ,開辟了木質(zhì)素利用的新途徑。楊益琴11等研究了麥草木質(zhì)素磺酸鈉制備緩釋氮肥。結(jié)果表明 ,麥草亞硫酸鹽 2 甲醛 2 蒽醌法制漿的木質(zhì)素磺酸鹽改性尿素的最佳條件為:1) 溫度 70 、 ph = 4、 時間 4 h、 w (尿素 ) w (木質(zhì)素 ) =1. 6 1. 0,改性后木質(zhì)素磺酸鹽產(chǎn)品總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù) 6. 13% ,氨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0. 48%;2) 改性后與木質(zhì)素結(jié)合的氮 , 90%以上為有機(jī)結(jié)合氮 ,具有緩釋性能;3) 尿素改

13、性木質(zhì)素 ,影響有機(jī)結(jié)合態(tài)氮含量的因素主要為反應(yīng)溫度和反應(yīng)的初始 ph值。2. 2 木質(zhì)素在高分子材料中的應(yīng)用2. 2. 1 在橡膠工業(yè)中的應(yīng)用木質(zhì)素分子間存在著較強(qiáng)的氫鍵 ,在天然橡膠中加入木質(zhì)素 ,其分子中的酚基和羧基與用作防老劑的胺類和醛類反應(yīng) ,交織成網(wǎng)絡(luò) ,且較堅(jiān)韌 ,從而表現(xiàn)出良好的補(bǔ)強(qiáng)能力。在許多橡膠中通過改性 ,木質(zhì)素可以與炭黑的補(bǔ)強(qiáng)水平相媲美12。王筱捷等13研究溶劑型木質(zhì)素改性三元乙丙橡膠發(fā)現(xiàn) ,木質(zhì)素 2 納米 sio2復(fù)合材料中 ,木質(zhì)素可以作為納米si o2的表面改劑 ,通過對 sio2表面進(jìn)行包覆 ,阻礙納米 sio2的團(tuán)聚。高沸醇木質(zhì)素接枝馬來酸酐 2納米 sio

14、2復(fù)合物和酶解木質(zhì)素 2 納米 si o2復(fù)合物補(bǔ)強(qiáng)的乙丙橡膠 ,扯斷伸長率分別達(dá)到 399. 71%和354. 43% ,硬度、 密度均有不同程度的提高 ,且具有較好的耐老化性能。2. 2. 2 在塑料工業(yè)中的應(yīng)用塑料工業(yè)每年都需要使用大量的填充物和增強(qiáng)劑 ,改進(jìn)配合技術(shù)并應(yīng)用木質(zhì)素作為新偶聯(lián)劑后 ,可以減少樹脂在產(chǎn)品中的比例 ,經(jīng)濟(jì)效益可觀。而且 ,塑料中填充木質(zhì)素可以改變塑料的物理性能 ,如沖擊韌性、 耐熱性和成型加工性等 ,從而提高聚合物的綜合性能。通過對木質(zhì)素的改性 ,如增加雙鍵官能團(tuán)等 ,可使木質(zhì)素和樹脂通過自由基聚合而結(jié)合在一起 ,從而改善混合物的性能14。黎先發(fā)等15研究了增容

15、劑低密度聚乙烯與馬來酸酐的接枝共聚物ldpe2g2 mah對木質(zhì)素 /聚乙烯吹塑薄膜形貌與性能的影響發(fā)現(xiàn) ,1) 加入增容劑可改善木質(zhì)素 /低密度聚乙烯的熱塑性 ,得到性能優(yōu)良的復(fù)合薄膜 ; 2)增容劑 ldpe2g2 mah的加入改變了分散相與基體材料的界面張力 ,提高了木質(zhì)素 /低密度聚乙烯共混體系的相容性 ,木質(zhì)素分散相分散更加均勻 ,樣品的微觀形貌、 熱穩(wěn)定性、 流變性能和力學(xué)性能都優(yōu)于未加增容劑的共混體系; 3) 增容劑的添加量有一個最佳值 ,增容劑使用過多不利于分散相的均勻分散 ,并且會增加產(chǎn)品成本。2. 2. 3 在聚氨酯工業(yè)中的應(yīng)用聚氨酯材料工業(yè)發(fā)展速度非?？臁＞郯滨ヒ蚱湫阅塥?dú)

16、特 ,在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用16。由于木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)特性而改性引入新官能團(tuán) ,可以得到更優(yōu)質(zhì)的聚氨酯材料。李燕等17對乙酸木質(zhì)素取代部分聚合二元醇生產(chǎn)聚氨酯泡沫進(jìn)行了研究 ,考察了乙酸木質(zhì)素添加量對聚氨酯泡沫密度、 回彈性、 壓縮性及熱穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明 :1) ft2i r和13p2 nmr譜圖分析發(fā)現(xiàn) ,乙酸木質(zhì)素具有大量的羥基 (酚羥基和醇羥基 ) ,可以與異氰酸酯反應(yīng) ,生成氨基甲酸酯結(jié)構(gòu)。有可能利用乙酸木質(zhì)素替代部分或全部的多元醇制備聚氨酯泡沫。2)隨著乙酸木質(zhì)素添加量的增加 ,聚氨酯泡沫的密度隨之增大。在乙酸木質(zhì)素添加量小于 20% (相對多元醇質(zhì)量 )時 ,含水率高于

17、未添加乙酸木質(zhì)素的聚氨酯泡沫 ;在乙酸木質(zhì)素添加量大于 20%時 ,含水率有所下降。聚氨酯泡沫的回彈性隨乙酸木質(zhì)素添加量的增加而降低。3) 添加乙酸木質(zhì)素后 ,聚氨酯泡沫壓縮強(qiáng)度和密度的比值有所升高。當(dāng)乙酸木質(zhì)素添加量為 20%時 ,壓縮強(qiáng)度和密度的比值最大 ,為 0. 09(kpa m3) /kg,此時壓縮模量達(dá)到最大值164. 4 kpa;當(dāng)乙酸木質(zhì)素添加量大于 20%時 ,壓縮模量下降。4) 乙酸木質(zhì)素部分取代聚乙二醇為原料合成的聚氨酯泡沫具有較好的耐熱性。2. 2. 4 在黏合劑方面的應(yīng)用木質(zhì)素在黏合劑方面的應(yīng)用歷史悠久。木質(zhì)素本身作為膠粘劑 ,效果欠佳 ,并有很多弊端。木質(zhì)素與其他原

18、料混合 ,或替代原有成分 ,對樹脂進(jìn)行改性。對于木質(zhì)素膠粘劑的研究大都集中在木質(zhì)素 2酚醛 (lpf)樹脂膠粘劑、 木質(zhì)素 2 脲醛 (luf)樹脂膠粘劑、 木質(zhì)素 2 三聚氰胺 2 甲醛 (lmf)樹脂膠粘劑、 木質(zhì)素 2 聚氨酯 (lpu ) 膠粘劑以及環(huán)保木材膠粘劑18。楊連利等19從造紙黑液中回收提取木質(zhì)素制備黏合劑。研究結(jié)果表明:1) 木質(zhì)素制備黏合劑最佳條件為 m (濾液 ) /m (苯酚 ) =0. 5,m (甲醛 ) /m (苯酚) =2. 5,采用程序升溫法控溫。最佳條件下合成的黏合劑的黏度為 42mpa s,黏結(jié)強(qiáng)度為 2. 7mpa; 2)酚醛膠與骨膠質(zhì)等比進(jìn)行共混時 ,

19、混膠的綜合性能最佳 ,黏度為 61 mpa s,黏結(jié)強(qiáng)度為 9. 9 mpa。劉綱勇等20研究了加入尿素對 lpf膠粘劑的膠粘強(qiáng)度、 游離甲醛含量、 固化時間和黏度等性能的影響及其作用機(jī)理。結(jié)果表明 :1) 尿素的加入可提高 lpf膠粘劑的膠粘強(qiáng)度 ,降低其游離甲醛含量、 固化時間、 黏度以及表面張力。2) 加入的尿素與 lpf膠粘劑中的游離甲醛反應(yīng)生成了脲醛樹脂 ,導(dǎo)致 lpf膠粘劑中游離甲醛含量低。新生成的脲醛樹脂的羥基與 lpf膠粘劑的羥基隨著 lpf膠粘劑再固化而發(fā)生縮合 ,有利于膠粘強(qiáng)度的提高。2. 3 木質(zhì)素吸附劑隨著對木質(zhì)素化學(xué)性質(zhì)研究的深入 ,各種工業(yè)木質(zhì)素及其改性產(chǎn)物表現(xiàn)出了

20、良好的吸附性能 ,可用于吸附重金屬陽離子 (如 cd2 +、 pb2 +、 cu2 +、 zn2 +、cr3 +等 )及水中的陰離子、 殺蟲劑、 染料等。木質(zhì)素分子中含有的甲氧基、 羥基和羰基可作為金屬離子的吸附位點(diǎn)。蒸煮后的木質(zhì)素產(chǎn)生了更多的酚羥基或磺酸基 ,生成的這些基團(tuán)中的氧原子上未共用電子對與金屬離子外層空軌道配位 ,生成木質(zhì)素 2 金屬螯合物 ,實(shí)現(xiàn)了對金屬離子的吸附21。朱媛媛等22研究了木質(zhì)素基吸附材料吸附性能 ,得出結(jié)論 :1) 綜合考慮吸附材料對亞甲基藍(lán)吸附量和液體石蠟回收率兩方面因素 ,確定最佳的反應(yīng)條件為:木質(zhì)素磺酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 50% ,鹽酸濃度為3 mol/l,甲

21、醛用量為木質(zhì)素磺酸鈉質(zhì)量的 9% ,分散劑 a用量為有機(jī)相質(zhì)量的 2% ,相比為 3 1,反應(yīng)溫度為 90 ,反應(yīng)時間為 1. 5 h。2) 木質(zhì)素基吸附材料對陽離子染料亞甲基藍(lán)表現(xiàn)出較好的吸附性能 ,木質(zhì)素基吸附材料對亞甲基藍(lán)吸附速度較快 ,吸附 45 min左右就基本上達(dá)到平衡吸附 ,吸附率超過98%。溫度達(dá)到 30 左右吸附量最大。當(dāng)木質(zhì)素吸附材料對亞甲基藍(lán)的吸附量達(dá)到 17. 71 mg/g后 ,吸附趨向飽和。蔣新元等23以木質(zhì)素磺酸鈉為原料 ,利用反相懸浮聚合技術(shù)制備木質(zhì)素基樹脂及其對重金屬離子的吸附性能。發(fā)現(xiàn) ,以液體石蠟為分散相 ,以鹽酸為催化劑 ,通過反相懸浮聚合反應(yīng) ,合成了

22、粒徑均勻的木質(zhì)素基球形樹脂。優(yōu)化的聚合條件為:木質(zhì)素磺酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 50% ,相比為3 1,分散劑占有機(jī)相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2% ,溫度為90 ,鹽酸濃度為 3 mol/l,甲醛含量為木質(zhì)素磺酸鈉質(zhì)量的 9%,聚合時間為 2 h。30 時 ,木質(zhì)素樹脂對溶液中 pb2 +、 cd2 +的飽和吸附量分別約 33. 652 3 mg/g和 30. 120 0 mg/g。木質(zhì)素基樹脂含有羥基和磺酸基等含氧基團(tuán) ,利于它對重金屬的吸附。木質(zhì)素基樹脂的比表面積為 0. 096 3 m2/g、 孔容為 0. 002 389 cm3/g、 平均孔徑為 99. 220 8 nm,表明該樹脂具有大孔樹脂的結(jié)構(gòu)

23、特點(diǎn)。這種化學(xué)改性后的新型木質(zhì)素材料能作為一種固體吸附劑。張夏紅等24研究了 4 種不同木質(zhì)素及其衍生物對酶的吸附。結(jié)果表明 , 4種木質(zhì)素類吸附劑都可以吸附菠蘿蛋白酶和木瓜蛋白酶。被木質(zhì)素吸附后 2種酶都還有活性 ,活性大小的順序均為:高沸醇木質(zhì)素胺 高沸醇木質(zhì)素酚 高沸醇木質(zhì)素 木質(zhì)素樹脂。菠蘿蛋白酶和木瓜蛋白酶被高沸醇木質(zhì)素胺和高沸醇木質(zhì)素酚吸附時能依然保持著較高的活性 ,說明酶和高沸醇木質(zhì)素及其衍生物之間的相互作用是一種超分子作用 ,這種作用對高沸醇木質(zhì)素及其衍生物作為菠蘿蛋白酶、木瓜蛋白酶的濃縮吸附劑或固定化酶的載體提供了重要的先決條件。張淑珍等25研究了木質(zhì)素對 cr()的吸附 ,

24、包括平衡吸附、 吸附動力學(xué)和對吸附的影響因素 (如 ph值、 吸附劑用量、 初始 cr()濃度、 離子強(qiáng)度及其他金屬離子干擾 ) ,并用含 cr()廢水測試木質(zhì)素吸附能力。結(jié)果表明 ,隨著ph值的增加 ,木質(zhì)素吸附的量也增加。這表明木質(zhì)素對 cr()的吸附主要是通過離子交換機(jī)制進(jìn)行的。離子強(qiáng)度的獨(dú)立性表明 , cr()與木質(zhì)素主要形成內(nèi)球絡(luò)合物。吸附過程遵循偽二級動力學(xué) ,并且平衡數(shù)據(jù)可以很好地符合 langmuir表面等溫線。此外 ,木質(zhì)素成本低、 吸附容量高 ,表明它確實(shí)具有很大的潛力 ,成為一種去除工業(yè)污水中 cr()的吸附劑。2.4 小結(jié)目前 ,對木質(zhì)素的利用已積累了一些技術(shù)和方法 ,

25、但利用率不足 10% ,大部仍以廢物形式排出 ,污染環(huán)境 ,浪費(fèi)資源。隨著人們對生態(tài)環(huán)境問題的日益重視 ,木質(zhì)素的利用將成為人類“ 可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略 ”的一個重要組成部分 ,并形成環(huán)保節(jié)能、 自然資源的綜合利用及閉路循環(huán)技術(shù)等涉及多個方面的一項(xiàng)系統(tǒng)工程。木質(zhì)素是人類可再生資源物質(zhì)之一 ,木質(zhì)素的應(yīng)用除了本文所述之外 ,它還可分解為小分子產(chǎn)物生產(chǎn)乙醇等燃料;用于制作水煤漿添加劑、 分散劑、 混凝土減水劑、 泥漿處理劑和油井緩凝劑等;木質(zhì)素在砂模黏合劑、 型砂流動性改善劑等方面也有用武之地。因此 ,對木質(zhì)素的研究應(yīng)該不斷地深入下去 ,以期進(jìn)一步提升木質(zhì)素的價(jià)值 ,使其在現(xiàn)代工、 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到充分的

26、利用。第三章 木質(zhì)素在生物科技方面的發(fā)展3.1 木質(zhì)素降解菌株和降解酶的研究在木質(zhì)素的自然降解中 ,降解能力最強(qiáng)的是白腐菌 ,此外還有褐腐菌、 軟腐菌以及細(xì)菌。白腐菌為絲狀真菌 ,因腐生在木材上引起木材的白色腐朽而得名。白腐菌降解木質(zhì)素是發(fā)生在次級階段的 ,在主要營養(yǎng)物質(zhì)(碳 ,氮 ,硫等) 受限制條件下啟動降解系統(tǒng)。白腐菌能分泌氧化性酶到細(xì)胞外 ,在催化氧化過程中形成自由基 ,攻擊木質(zhì)素結(jié)構(gòu) ,能把復(fù)雜的木質(zhì)素高分子一直降解為 co2和 h2o ,只有白腐菌在純培養(yǎng)條件下能將木質(zhì)素礦化 ,而褐腐菌 ,軟腐菌和細(xì)菌對木質(zhì)素的降解是不徹底的。自然界中 ,很多真菌和細(xì)菌形成的微生物群落可有效地降解

27、木質(zhì)素 ,單一菌株的作用比混合菌株明顯減弱。目前 ,白腐菌降解木質(zhì)素研究中所用到的多為煙管菌屬(bjerkandera sp. ) ,香菇菌屬(lentinula sp. ) ,平革菌屬( phaner2ochaete sp. ) ,側(cè)耳屬 ( pleurotus sp. ) 和栓菌屬 ( trametes sp. ) 等中的一些菌種 ,黃孢原毛平革菌( phanerochaete chrysosporium)是研究所用較為廣泛的模式菌株26。白腐菌對木質(zhì)素的降解主要通過三種酶來完成 :木質(zhì)素過氧化物酶(lignin peroxi2dase ,lip) 、 錳過氧化物酶 (manganese

28、- dependent peroxidase ,mnp) 、 漆酶(laccase) 。并不是所有的白腐菌都能分泌這三種酶 ,如黃孢原毛平革菌只分泌 lip 和 mnp。迄今為止 ,利用lip,mnp和漆酶作用木質(zhì)素仍是木質(zhì)素降解的最主要手段 ,但由于白腐菌所產(chǎn)酶量有限及酶活較低的局限性 ,仍不能大規(guī)模應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。lip 是一系列含 fe3 +、 卟啉環(huán)和血紅素附基的同工酶 ,能以 h2o2 為電子受體氧化富含電子的酚型或非酚型芳香化合物。電子傳遞體攻擊木質(zhì)素時 ,它能從苯酚或非酚類的苯環(huán)上奪取一個電子 ,將其氧化成自由基 ,然后以鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生許多不同的自由基 ,導(dǎo)致木質(zhì)素分子中主要鍵斷

29、裂。mnp也是血紅素過氧化物酶 ,能夠氧化酚型木質(zhì)素 ,mnp在 h2o2 的啟動下 ,氧化mn2 +為mn3 +,然后后者進(jìn)一步氧化各種酚型化合物。漆酶是最早被發(fā)現(xiàn)的木質(zhì)素降解酶 ,大多分布在擔(dān)子菌 ( basidimycetes) ,多孔菌 ( pol2yporus) ,柄孢殼菌( podospora)等中。漆酶是以 o2為電子受體的含銅單電子氧化酶。其作用是使固體木質(zhì)素的羧基增加而成為水溶性的狀態(tài) ,易于接受后續(xù)酶的作用 ,漆酶同時還有解聚木質(zhì)素的作用。因此降解木質(zhì)素和難處理的污染物時 ,白腐菌借助 h2o2激活 ,形成具有高度活性的自由基中間體 ,由酶啟動一系列反應(yīng) ,促使底物氧化27

30、?，F(xiàn)在 ,國內(nèi)外對白腐菌所產(chǎn)生的重要木質(zhì)素降解酶的cdna 進(jìn)行了克隆和測序 ,研究 lip 和 mnp 的同質(zhì)、 異質(zhì)表達(dá)和調(diào)控機(jī)制。已發(fā)現(xiàn)黃孢原毛平革菌有 15 種lip同工酶 ,且同源性很高?，F(xiàn)已建立 lip 基因組的物理圖譜 ,發(fā)現(xiàn) lip 序列排列緊密且高度保守28-29。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) ,胞內(nèi)次級信號分子camp的濃度在進(jìn)入次級代謝時迅速升高 ,lip 酶活性也伴隨上升30。氧是lip產(chǎn)生的限制因素 ,高氧環(huán)境引起自由基積累對lip合成是必須的31。3 個 mnp 同工酶基因測序完成 ,mnp含有 6 個或 7 個內(nèi)含子 ,且位置保守32-33。mnp 在轉(zhuǎn)錄水平受 mn2 +,熱休克及

31、氧脅迫調(diào)控34。至今 ,大約 20 種漆酶基因已完成克隆。降解木質(zhì)素的細(xì)菌主要有放線菌 ,如鏈霉菌 ( streptomy2ces) 、 節(jié)桿菌(arthrobacter) 、 小單孢桿菌( micromonospora) ,還有非絲狀細(xì)菌 ,如不動桿菌屬(acinetobacter sp. ) 、 黃桿菌屬( fla2vobacterium sp. ) 、 微 球 菌屬 ( micrococcus sp. ) 、 假 單 胞 菌屬( pseudomonas sp. )等屬的菌株。其中鏈霉菌和假單胞菌屬的降解能力較強(qiáng)35-36。這些菌株通過產(chǎn)生的木質(zhì)素降解酶作用 ,使木質(zhì)素結(jié)構(gòu)發(fā)生部分改性 ,

32、增溶等作用降解木質(zhì)素為低分子量的聚合木質(zhì)素片段。細(xì)菌在初級階段降解木質(zhì)素有利于后續(xù)真菌的有效降解。研究人員對綠孢鏈霉菌產(chǎn)生木質(zhì)素降解酶的主要調(diào)控因子進(jìn)行了研究37,發(fā)現(xiàn)在高氮低碳條件下 ,細(xì)菌產(chǎn)酶能力較。在含有木質(zhì)素的降解基質(zhì)中加入易降解物質(zhì)(如低糖) ,可加速木質(zhì)素的轉(zhuǎn)化。另外 ,加入適量的表面活性劑 ,mn2 +, cu2 +有利于產(chǎn)酶和降解。隨著白腐菌在造紙工業(yè)和處理環(huán)境污染的應(yīng)用前景看好 ,白腐菌的研究越來越深入 ,白腐菌制品會逐漸產(chǎn)業(yè)化 ,商品化。3.2 木質(zhì)素合成的基因調(diào)控研究目前 ,通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)調(diào)控植物木質(zhì)素的含量和組成 ,培養(yǎng)木質(zhì)素含量低的轉(zhuǎn)基因新品種以達(dá)到減輕造紙廢水污染和

33、降低造紙成本的目的。木質(zhì)素生物合成途徑上的基因調(diào)控的步驟大致如下 :首先找到木質(zhì)素合成的生物酶并將其分離出來 ,分析蛋白質(zhì)氨基酸序列 ,找到功能基因外顯子的編碼序列 ,用膿桿菌介導(dǎo)或基因槍直接轉(zhuǎn)移的方法將構(gòu)建的反義基因?qū)爰?xì)胞中 ,從而獲得突變體38?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)基因植物的研究主要關(guān)系到以下幾種酶 :苯丙酸途徑上的苯丙氨酸裂解酶(pal) ,肉桂酸 4 羥基化酶(c4h) ,4 香豆酸輔酶 a連接酶(4cl) ;木質(zhì)素單體特異合成相關(guān)的咖啡酸 o 甲基轉(zhuǎn) 移 酶 ( comt) , 咖 啡 酰 輔 酶 a o 甲 基 轉(zhuǎn) 移 酶(ccoaomt) ,阿魏酸 5 羥基化酶(f5h) 以及木質(zhì)素特異合成

34、下游的還原酶 :肉桂醇脫氫酶(cad)和肉桂酰 輔酶 a 還原酶(ccr) 。陳建榮41和趙華燕42等對不同酶受抑制的轉(zhuǎn)基因植物的研究作了歸納 ,如表 1:表 1 不同酶受抑制的轉(zhuǎn)基因植物木質(zhì)素含量變化及生長情況 由此可見 ,c4h,comt,f5h與 s型木質(zhì)素的形成緊密相關(guān) ,而 ccoaomt 與 g型木質(zhì)素的形成較密切。c4h,4cl ,ccoaomt,f5h和 cad 受抑制的轉(zhuǎn)基因植物有利于造紙工業(yè)木素的分離 ,其中以抑制 ccoaomt活性的效果最佳。木質(zhì)素的生物合成是多途徑的 ,途徑間存在相互交叉和替換 ,而且不同植物實(shí)驗(yàn)結(jié)果也有很大差異?，F(xiàn)在木質(zhì)素合成的基因調(diào)控還處于實(shí)驗(yàn)階段

35、 ,未種植成林 ,需要對轉(zhuǎn)基因植物進(jìn)行穩(wěn)定性評估 ,同時也要注意木質(zhì)素含量降低程度不能有損于植物的水分輸導(dǎo)系統(tǒng)和支持系統(tǒng)。3.3 其他酶和小分子物質(zhì)的研究在木質(zhì)素的生物降解中 ,lip 和 mnp 一直被認(rèn)為是木質(zhì)素降解的關(guān)鍵性酶 ,一些學(xué)者認(rèn)為其他酶類或因子參與也是必須的。劉穩(wěn)等以大豆種皮過氧化物酶 (shp) 替代 lip 和mnp 對木質(zhì)素進(jìn)行氧化作用。shp 在水相系統(tǒng)中對工業(yè)木素和天然木素?zé)o降解作用 ,但在微水(90 %二氧六環(huán)) 有機(jī)相中 shp對天然木素有部分解聚作用43。其他酶類對木質(zhì)素降解的研究進(jìn)行的很少 ,且效果不是很明顯。木質(zhì)素生物降解體系中除大分子酶外還有起重要作用的小

36、分子非酶物質(zhì)的參與44-45,羥基自由基 ,鐵離子 ,草酸 ,錳離子 ,藜蘆醇等分子質(zhì)量小 ,具有超強(qiáng)的滲透力 ,可以打開木質(zhì)素降解酶進(jìn)入木材纖維層的 s2 通道。通過對小分子介體作用機(jī)理的研究 ,有望尋找木質(zhì)素新的降解途徑。二價(jià)鐵離子及 h2o2 參與了高反應(yīng)活力的羥基自由基產(chǎn)生的反應(yīng) ,羥基自由基可啟動木材中纖維素的解聚反應(yīng)46。在白腐菌和褐腐菌中得到一種小分子物質(zhì) ,能還原三價(jià)鐵離子為二價(jià)鐵離子 ,且強(qiáng)烈吸附二價(jià)鐵47。草酸作為一種酸可直接攻擊木材中的纖維素和半纖維素 ,還可以還原三價(jià)鐵離子為二價(jià)鐵離子 ,二價(jià)鐵離子再與 h2o2 反應(yīng)生成羥基自由基。草酸在lip系統(tǒng)中和 mnp系統(tǒng)中作

37、用不同。在lip系統(tǒng)中草酸通過還原藜蘆醇陽離子自由基而抑制 lip 對藜蘆醇的氧化作用 ,最終抑制木質(zhì)素降解作用48-49。在 mnp 系統(tǒng)中 ,草酸可作為不穩(wěn)定的 mn3 +的螯合劑 ,mn3 +可氧化木素 ,mnp 對mn2 +的氧化作用依賴于有機(jī)酸的存在。草酸在 mnp 系統(tǒng)降解木質(zhì)素起著積極的作用。藜蘆醇是 lip 的底物 ,在液體培養(yǎng)條件下 ,加入藜蘆醇會提高 lip 的活力 ,還可促進(jìn)14c - 木素的礦化作用。3.4 小結(jié)木質(zhì)素是人類可再生資源物質(zhì)之一 ,使木質(zhì)素變廢為寶有著深遠(yuǎn)的意義。在造紙方面 ,白腐真菌的木質(zhì)素降解酶在生物制漿和紙漿生物漂白的應(yīng)用 ,不僅降低化學(xué)用品的用量和

38、能源消耗 ,又保護(hù)了環(huán)境。研究發(fā)現(xiàn) ,白腐真菌的 mnp 和漆酶對多種化合物 ,如 :多環(huán)芳烴、 氯酚類化合物、 多聯(lián)苯化合物、 染料、 農(nóng)藥等都有一定的降解作用。此外 ,木質(zhì)素作為堆肥 ,新型高分子材料上也有誘人的前景。目前 ,工業(yè)木質(zhì)素的利用率不足 10 % ,大部分都作為廢物排出 ,污染環(huán)境 ,浪費(fèi)資源。因此 ,對木質(zhì)素的研究應(yīng)該不斷深入下去 ,使木質(zhì)素在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中充分被利用。第四章 展望與總結(jié)木質(zhì)素是植物細(xì)胞的胞間層和次生壁之間的主要填充物 ,在木材中的含量為 25 %30 %。木質(zhì)素在陸生植物中是含量僅次于纖維素的第二大天然有機(jī)化合物 ,也是自然界中唯一能提供可再生芳基化合物的非石

39、油資源。由于木質(zhì)素具有高硬度 ,水不溶性 ,難降解以及多酚類物質(zhì)的化學(xué)特性 ,它在植物體中起著極其重要的作用 ,如 :支持植物體 ,水分輸導(dǎo)以及增強(qiáng)抵抗病蟲害的能力。木質(zhì)素在不同植物以及植物的不同生長時期含量和結(jié)構(gòu)都不是固定不變的。其組成結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性 ,無序性給木質(zhì)素降解研究帶來極大的困難。木質(zhì)素主要由碳 ,氫 ,氧三種元素組成 ,還有極少量的氮 ,是由苯基丙烷類化合物通過醚鍵和碳碳鍵形成的具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的天然酚類聚合物 ,苯丙氨酸經(jīng)過一系列的脫氨基 ,羥基化 ,甲基化和氧化還原等過程轉(zhuǎn)化為木質(zhì)素單體(對羥苯基 ,紫丁香基 ,愈創(chuàng)木基) ,并最終在針葉木、 闊葉木和草類等木質(zhì)纖維素

40、物質(zhì)中形成三種木質(zhì)素單體含量差別很大的木質(zhì)素組分1。木質(zhì)素中對羥苯基木質(zhì)素(h) ,紫丁香基木質(zhì)素(s) ,愈創(chuàng)木基木質(zhì)素(g)組成含量的不同對木質(zhì)素的應(yīng)用有很大影響。迄今為止 ,天然木質(zhì)素的具體結(jié)構(gòu)還無法確定。木質(zhì)素是自然界中含量僅次于纖維素的復(fù)雜天然高分子化合物原料 ,廣泛存在于高等植物細(xì)胞壁中木質(zhì)素來源廣泛 ,是制漿造紙工業(yè)的主要副產(chǎn)物 ,也是木材水解工業(yè)中不可缺少的副產(chǎn)物 ,是重要的可再生資源之一。制漿造紙工業(yè)每年要從植物中分離出大約 114億 t纖維素 ,蒸煮廢液中產(chǎn)生的工業(yè)木質(zhì)素有 5 000萬 t。若不對其充分利用 ,就會成為工業(yè)中的主要污染源 ,既嚴(yán)重污染環(huán)境 ,又造成資源浪費(fèi)

41、。而且 ,木質(zhì)素在自然條件下不易降解 ,造成土壤、 水等的嚴(yán)重污染 ,影響陸地生態(tài)系統(tǒng)。人類利用木質(zhì)素已有幾千年的歷史 ,真正開始研究木質(zhì)素則是在 1930年以后 ,而且至今木質(zhì)素還沒有得到很好的利用因此 ,有效利用木質(zhì)素 ,減少環(huán)境污染已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。參考文獻(xiàn)：1 鄭大鋒 ,邱學(xué)青 ,樓宏銘. 木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)及其化學(xué)改性進(jìn)展 j .精細(xì)化工 , 2005, 22(4) : 2492 252.2 邱衛(wèi)華 ,陳洪章. 木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)、 功能及高值化利用j .纖維素科學(xué)與技術(shù) , 2006, 14(1) : 522 59.3 岳 萱 ,喬衛(wèi)紅 ,申凱華 ,等. 曼尼希反應(yīng)與木質(zhì)素的改性

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