论文总字数：15292字

摘 要

植物细胞中的纤维素与木质素是由聚糖混合物紧密的相互贯穿在一起的，此类聚合物被称为半纤维素。半纤维素是构成植物细胞壁结构的第二大碳水化合物高聚物,半纤维素是由己糖和戊糖组成的异质多糖^[1]。半纤维素主要分为两类：聚木糖类半纤维素和聚葡萄糖甘露类半纤维素。聚木糖类半纤维素是禾本植物和阔叶木的主要半纤维素，酸水解后主要含有木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等。聚葡萄糖甘露糖是针叶木的主要纤维素，酸水解后主要是葡萄糖和甘露糖。

半纤维素苷键在酸性介质中会被裂开而使半纤维素发生降解，这一点与纤维素的水解性质一致^[2]。但是半纤维素在结构上要比纤维素复杂的多，半纤维素的糖及种类更多，糖基之间的链接方式也是多种多样。

文献^[3]发现半纤维素在碱性环境下也可以降解，碱性的降解包括碱性水解和剥皮反应^[4]。半纤维素在碱性环境下回水解出各种单糖和低聚糖，但是水解的颜色要深一些。在较低的温度和碱性环境下，纤维素会发生剥皮反应。半纤维素的剥皮反应从聚糖的还原性末端基开始，逐个糖基进行水解。但由于半纤维素的糖基种类很多，所以还原性末端会有多种糖基^[5，6]，而且还有支链，其剥皮反应更复杂。

本文采用小麦、大麦、玉米秸秆粉末为原料，通过一系列可行方案对不同大气CO2浓度下生长的水稻秸秆半纤维素降解效率测量，研究出大气CO₂浓度升高对水稻秸秆半纤维素降解的影响。研究的主要内容及结果如下：

通过单因素实验以及正交实验等多种方法，确定实验预处理所用硫酸最适浓度为0.3%，使用高压灭菌锅最优条件 为120℃，0.15MPa下保温一个小时，酶解反应中最适酶量为60mg，最适酶解时间7h。最后用可见分光光度计在540nm条件下测量样品的吸光度。

本实验通过对生长于不同环境下的秸秆粉末测量研究，基本了解了大气CO₂浓度升高对水稻秸秆半纤维素降解效率的影响。

关键字： 半纤维素 糖基 降解 正交实验 大气CO₂

Effects of elevated concentration of atmospheric CO2 on rice straw hemicellulose degradation

Abstract

Cellulose and Lignin in vegetable cells are closely interfingered by mixture of glycan,this kind of ploymer is called hemicellulose.Hemicellulose is mainly devided into two groups:hemicellulose of polyxylose and hemicellulose of polydextrose manna.Hemicellulose of polyxylose is the main hemicellulose of grass family and broad-leaved wood,which mainly contains xylose、arabinose、glucose、etc after acid hydrolysis.polydextrose mannose is the main cellulose of needlebush,which mainly contains glucose and mannose after acid hydrolysis.

The glycosidic linkage of hemicellulose will be cracked in acid medium and degradation reaction happens,which is the same as the hydrolysis mechanism of cellulose.However,hemicellulose is much more complex than cellulose in composition,sugar and types of hemicellulose is more,and the ways of connection among glycosyl are varied.

Hemicellulose can also be degradated in alkaline environment,alkaline degradation includes alkaline hydrolysis and stripping reaction.Hemicellulose will hydrolyse all kinds of monosaccharides and oligosaccharides in alkaline environment,but the colour of hydrolysis is darker.Stripping reaction of cellulose occurs in the environment of low temperature and alkaline.The stripping reaction of hemicellulose starts from the reductive extremity of glycans,hydrolysing the glycosylation one by one.However,the types of hemicellulose sugars are great quantity,so many different kinds of glycosylation is produced in the reductive extremity,and the branched chains make the reaction more complex.

This article use the rice straw powder as raw material,testing the degradation effciency of rice straw hemicellulose which grown in different CO2 concentrations in the atmosphere by a series of feasible solutions,researched the effects of elevated atmospheric CO2 on rice straw hemicellulose degradation.The mian contents and results of the study are as follows:

The optimal experimental solution was determined by using a variety of methods of single factor experiment and orthogonal experiment: the best concentration of acid is 0.3% and the best temperature in the autoclave is 120℃ for one hour.add hemicellulase 60mg.In the end measure the A540nm by Vis spectrophotometry.

By measuring straw powder grown in different environments,the experimental study make readers basicly understand the effects of elevated atmospheric CO2 on rice straw hemicellulose degradation efficiency.

Key words:Hemicellulose Glycosylation Degradation Orthogonal

Atmospheric carbon dioxide

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 前言 1

1.2 半纤维素的结构 1

1.3 半纤维素的利用 2

1.4 FACE实验 2

第二章 实验部分 3

2.1 实验材料和仪器 3

2.1.1 实验材料 3

2.1.2实验仪器 3

2.1.3实验试剂 3

2.2木聚糖酶活性的测定 4

2.2.1测定原理 4

2.2.2标准曲线的绘制 4

2.2.3木聚糖酶活性测定方法 5

2.3预处理方法 6

2.3.1硫酸浓度单因素实验 6

2.3.2预处理时间单因素实验 6

2.3.3预处理温度单因素实验 7

2.4 半纤维素酶解 7

2.4.1木聚糖酶用量单因素实验 7

2.4.2酶解时间单因素实验 7

2.4.3 pH单因素实验 8

2.5正交实验 8

2.5.1正交实验原理 8

第三章 实验结果与分析 9

3.1木聚糖酶活力测定结果与分析 9

3.1.1木糖标准曲线 9

3.1.2木聚糖酶活力测定 10

3.2 预处理实验结果与分析 10

3.2.1硫酸浓度单因素实验结果与分析 10

3.2.2 预处理时间单因素实验结果与分析 11

3.2.3预处理温度单因素实验结果与分析 11

3.3 半纤维素酶解实验结果与分析 11

3.3.1酶解时间单因素实验结果与分析 11

3.3.2木聚糖酶用量单因素实验结果与分析 12

3.3.3最适pH单因素实验结果与分析 12

3.4 正交实验确定最优方案 12

3.4.1 正交实验数据分析 13

3.5大气CO2浓度对木糖转化影响实验的结果与分析 13

3.5.1结论与分析 14

第一章 绪论

1.1 前言

能源是经济和社会发展的重要物质基础，在社会可持续发展中起着举足轻重的作用。由于世界能源消费剧增，煤炭、石油、天然气等化石能源消耗迅速，生态环境不断恶化，特别是温室气体排放导致日益严峻的全球气候变化，人类的可持续发展受到严重威胁。随着世界经济的不断发展和石油资源的日益消耗，开发更加长久有效的能源是各国面临的一个巨大难题。这一现状使得可再生清洁能源的开发利用越来越得到各国的重视。作为一种可再生能源，生物质能源是中国能源可持续发展的必然战略选择之一。利用木质纤维素生产生物乙醇、丁醇等生物质燃料是生物质能源开发的重要内容^[7]。我国天然纤维素原料非常丰富，利用生物技术分解和转化木质纤维素既是资源利用的有效途径，对于解决环境污染、食品短缺和能源危机又具有重大的现实意义。

就目前生物领域的发展程度来说，相对高效且较为适宜的植物秸秆半纤维素降解方法就是微生物处理。而本文从化学角度出发，分别通过半纤维素生物降解，化学降解等方法对秸秆半纤维素降解进行简要综述。同时，也要了解大气CO2浓度升高对植物生长的影响，重点查阅秸秆半纤维素的提取、降解工艺^[8]。在此基础上撰写文献综述，并能根据文献提出合理的水稻秸秆半纤维素提取、降解方案。利用已收集的来自FACE系统培育的不同品种水稻秸秆，提取半纤维素并降解为木糖。采用合理的分析手段，对木糖含量进行测定。根据结果分析不同条件下水稻秸秆纤维素转化木糖效率高低的原因。

1.2 半纤维素的结构

半纤维素是指在植物细胞壁中于纤维素共生、可溶于碱溶液，遇酸后远较纤维素易于水解的那部分植物多糖。一种植物往往含有几种由两或三种糖基构成的半纤维素，其化学结构各不相同。树茎、树枝、树根和树皮的半纤维素含量和组成也不同。因此，半纤维素是一类物质的名称。

构成半纤维素的糖基主要有D-木糖、D-甘露糖、D-葡萄糖、D-半乳糖、L-阿拉伯糖、4-氧甲基-D-葡萄糖醛酸及少量L-鼠李糖、L-岩藻糖等。半纤维素主要分为三类，即聚木糖类、聚葡萄甘露糖类和聚半乳糖葡萄甘露糖类。

1.3 半纤维素的利用

半纤维素中主要存在六碳糖和五碳糖，他们的利用方式是不一样的，下面分别介绍其利用的方向。己糖一般被用作生产酒精和山梨酸醇。戊糖一般被用作生产饲料酵母、糠醛的原料。戊糖最重要的作用是用来生产木糖和木糖醇，除此之外，木糖还可以用作三羟基戊二酸的生产原料，羟基戊二酸是一种具有愉悦感觉的添加剂，它可以代替柠檬酸，保存血浆，还可以作为火药的稳定剂。

1.4 FACE实验

FACE是指在自由空气中增加CO2浓度（Free-Air CO2 Enrichment）。FACE实验的实质就是创造一个模拟未来CO2增加的微域生态环境进行CO2增加的模拟实验。其实验尺度相对较大，系统内部通风、光照、温度、湿度等条件十分接近自然生态环境，获得的数据更接近于真实情况。

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