生物化工作业

生物化工研究领域的木质素研究

班级：2013级硕2班

姓名：唐大勇

课程名称：生物化工

指导教师：吴耀辉副教授

2014年6月

生物化工研究领域的木质素研究

摘 要：综述了木质素在生物化工领域的应用研究现状，包括木质素降解与生物制浆、有机废水处理、化工原料的制备等应用研究以及工业木质素在生物肥料、生物制药、生物吸附材料、食品等方面的应用情况。同时分析了木质素在生物化工应用方面存在的问题和难点，探讨了扩大木质素在该领域应用的途径。

关键词：木质素；生物化工；废水处理；降解

木质素（lignin）与纤维素（cellulose）和半纤维素（hemicellulose）是构成植物细胞骨架的主要成分，是植物体次生代谢合成的一种天然有机高分子物质，是植物界中含量仅次于纤维素的第二丰富的天然高分子。相对于其它天然高分子，木质素具有更为复杂的组成及多级结构，是最难认识和应用的天然高分子之一。但是，木质素分子具有众多不同种类的活性官能基，兼具可再生、可降解、无毒等优点，而且工业木质素来源于造纸黑液，成本低廉，因而被视为优良的绿色化工原料，其综合利用备受关注。目前，大多数类型的木质素因缺乏应用途径而只能被燃烧或废弃，因此急需通过适当的化学和物理方法，发现新的利用途径，变废为宝。在应用和研究较为活跃的木质素高分子材料领域，主要方法是通过化学反应如接枝共聚和物理共混将木质素与聚氨酯、聚烯烃、橡胶、聚酯、聚醚、纤维素、

淀粉、大豆蛋白、聚乙烯醇等复合，改善木素与共混、共聚材料的相容性并提高材料的各种性能－

。而木质素在生物化工领域的应用研究报道相对较少，本文综述木质素在生物工程领域的应用研究进展，分析存在的问题，并探讨了促进木质素在生物化工领域应用的措施。

木质素微生物降解的应用研究在生物制浆及有机废水的处理木质素的生物降解代谢是通过白腐菌产生的木质素酶的作用实现的，迄今的研究结果表明，在所有具有分解木质素能力的微生物中，只有引起木材白色腐朽的白腐菌被确切地证明了能够彻底地分解木质素，能把复杂的木质素高分子一直降解成和。一般直接参与木质素降解的酶有漆酶、 酚氧化酶、锰过氧化物酶、木质素过氧化物酶等采用优良菌种生产木质素酶制剂，在生物制浆、生物漂白、木质素转化成有用的化学品以及废水、废物处理方面都有重要作用－。木材造纸的一大难题是脱除木材中的木质素，传统的化学造纸工艺多利用强酸或强碱法。造纸厂废弃的蒸煮和漂白废液里含有木质素和碳水化合物的降解产物及其它有毒的有机化合物，流入江河湖海，对水资源造成严重的污染。如果利用微生物对木质素的降解作用脱除木材中的木质素，就从根本上解决了造纸工业的环境污染问题，并且现有的研究已经表明生物制浆能减少能源的消耗，同时纸张的性能优于化学浆的纸张性能。如林鹿等研究了降解木素酶和降解木聚

糖酶对硫酸盐浆的生物漂白及机理，结果显示，木素酶降低了纸张的卡伯值，提高了纸张的白度。

我国的纺织业和印染业非常发达，印染废水的污染已成为水污染的一个重要来源，如何减少大量的印染有机废水对环境的污染，成为日益关注的问题。

利用木素过氧化物酶处理 2,4-二溴苯酚等工业废水，在氧化的过程中伴随二聚体、三聚体和四聚体的形成，消除了废水的毒性；陈叶福等综述了木质素生物降解与印染工业废水脱色，认为白腐真菌能降解木质素和相关化合物。黄孢原毛平革菌在产酶条件下可以降解偶氮染料、蒽醌染料以及三苯甲烷等多种类型的染料。张朝晖等研究了黄孢原毛平革菌所产木质素过氧化物酶系对染料降解的研究，建立了木质素过氧化物酶降解偶氮染料卡布龙红的动力及过程模型。

木质素降解生产化工原料

木质素可以通过生物降解、化学降解、热降解的方法生产有机化工原料。从理论上讲，对木质素进行有控制的生物降解，可以由这一复杂的高聚物生产出目前从石油中制取的各种有用的苯酚类物质，如香草醛、丁香酸、苯酚等。这种办法一旦成功，将为今后的化学品生产开辟新的原料来源。为此，国外一些研究者进行了这种以生物法从木质素中制取有用化学品的探索性研究木质素的化学降解主要采用乙醇解、酸解、氧化降解等方法。将针叶木材或阔叶木材的粉末或木质素用 2.5% HCl 的乙醇溶液回流，可得到一系列酚基酮的衍生物；在 CuO 存在下，用热的 NaOH 溶液预热木质素样品，以使醚键断开，生成相应的酚，然后用硫酸二甲酯甲基化，使酚羟基转化为甲氧基。以高锰酸钾和高碘酸钠在叔丁醇存在下发生氧化反应。氧化

反应产物再经过碱性过氧化氢处理，脱羧基，得到大量苯甲酸衍生物。针叶木和阔叶木的甲氧化木质素的氧化降解产物中分离出数十种苯甲酸衍生物。

木质素依照不同的热解温度可以得到不同的热解产物，热解产物大致分为 4 类：固体产物、馏出物、焦油和气体产物。固体产物主要是焦炭，是一类高聚物。馏出物的主要成分包括甲醇、丙酮和乙酸。木质素热解产物中还有 15%的焦油。焦油的主要成分是苯酚、愈疮木酚和 2,6-二甲氧基苯酚的衍生物。气体产物主要包括二氧化碳、一氧化碳、甲醇和乙烷。

木质素在生物肥料方面的应用

以木质素为载体进行了固氮菌的固体发酵制备生物肥料的实验。结果表明，在草浆木质素中加入适量的玉米秸秆粉作为疏松剂，可作为固体发酵的良好载体，其优点在于可提高空障率，有利于散热和传氧。木质素载体在固体发酵中还具有稳定 pH 值的作用，适当提高其含量有利于促进微生物的生长。以固氮菌固体发酵制备木质素生物肥料的最佳工艺条件是：工业木质素与玉米秸秆粉的质量比是 1∶0.75，接种量为 10%，培养温度 35 ℃，固液质量比为 1∶2，料层厚度为 7.5 cm。此培养条件下固氮菌活菌数最高可达 4.7×。黄红丽等

综述了堆肥中降解木质素的微生物种类的腐殖质的组成，介绍了木质素降解与腐殖质形成的关系，最后阐述了堆肥中各木质素降解微生物对腐殖质形成的作用。结果表明在土壤有机废物腐殖化过程