细胞破壁过程与生物炼制工程

中科院过程所生物质首席研究员著述的生物炼制系统著作，系统阐述微生物、低等植物、非粮能源植物、粮食、药用植物细胞破壁技术以及在生物炼制中的应用。

 

   《细胞破壁过程与生物炼制工程》以细胞破壁过程为切入点，根据作者前期工作基础与国内外相关研究进展，系统总结细胞破壁过程与生物炼制工程相关基础问题以及关键技术。本书首先介绍了细胞壁资源开发利用现状以及关键破壁技术；其次，分别从力学、传递学和过程工程学角度论述了细胞破壁与生物炼制的关系；再次，详细介绍了破壁关键技术在微生物、低等植物、非粮能源植物、全谷物和药用植物等细胞壁资源开发利用的相关情况。

   本书可供从事生物质资源开发利用的研究人员以及生物工程、生化工程等专业的高校师生参考阅读。

 

  陈洪章，中国科学院过程工程研究所，研究员，现任生化工程国家重点实验室副主任、生物质项目首席研究员。

  主持完成了中科院等多个研究项目，发表论文50多篇，申请国家专利31项（其中授权7项、美国专利1项），有10项发明专利得到产业化应用。目前负责国家十五”863″项目一项，中科院知识创新方向性项目二项，大型企业委托技术开发课题多项。已培养硕士1名、博士2名，在学硕士生5名、博士生2名、博士后2名。

  主要致力于生态生化工程研究，以新型固态发酵和原料组分分离为核心，充分吸收分子生物学和工业生态学的新思路，研究生态生化工程的学科基础和关键技术平台问题。

 

第1章绪论1

1.1细胞壁资源的分类及其特点1

1.2细胞壁资源开发利用现状与存在的问题2

1.2.1微生物2

1.2.2低等植物3

1.2.3非粮能源植物4

1.2.4粮食5

1.2.5药用植物5

1.3细胞破壁过程工程6

1.3.1细胞破壁过程工程概述6

1.3.2细胞破壁过程工程的重要性6

1.3.3细胞破壁过程的关键技术8

1.4细胞破壁过程与生物炼制工程8

参考文献10

第2章细胞壁特性11

2.1细胞壁的形成11

2.2细胞壁的功能12

2.3真菌细胞壁的组成特征13

2.3.1几丁质14

2.3.2葡聚糖15

2.3.3甘露聚糖15

2.4细菌细胞壁的组成特征16

2.4.1肽聚糖16

2.4.2磷壁酸18

2.4.3外膜18

2.4.4脂多糖19

2.5植物细胞壁的组成特征19

2.5.1植物细胞壁中的三大组分21

2.5.2非粮植物细胞壁的化学成分特性22

2.5.3粮食结构与细胞壁的化学组成23

2.6结论与展望24

参考文献24

第3章细胞破壁关键技术26

3.1机械法破壁处理技术26

3.1.1超微粉碎破壁技术26

3.1.2高压均质法28

3.1.3微波法28

3.1.4超声空化法和水力空化法29

3.2非机械法破壁技术30

3.2.1物理法破壁技术30

3.2.2生物法破壁技术31

3.2.3化学法破壁技术32

3.2.4不同破壁方法的比较33

3.3以气相爆破技术为核心的破壁技术33

3.3.1生物质汽爆过程主要影响参数36

3.3.2影响汽爆过程的生物质主要物料特性40

3.3.3低温混合介质气相爆破工艺48

3.3.4气相爆破耦合超微粉碎破壁49

3.3.5气相爆破耦合化学渗透破壁50

3.4小结51

参考文献51

第4章细胞壁力学特性及其断裂损伤力学55

4.1细胞壁力学特性及其研究方法概述55

4.1.1细胞壁力学特性研究对破壁的重要性55

4.1.2细胞壁力学研究方法56

4.2真空微波破裂细胞壁的力学研究61

4.2.1真空微波作用下的细胞内压61

4.2.2真空微波处理破裂植物细胞壁的有限元分析63

4.3单螺杆挤压破裂细胞壁的力学研究66

4.3.1螺杆挤压对植物细胞壁的作用66

4.3.2单螺杆破裂植物细胞模型的建立67

4.3.3物料在挤压过程中的温度分布68

4.4超微粉碎破裂细胞壁的力学研究68

4.4.1有限元法计算针叶树材超微粉碎过程破壁力68

4.4.2J积分计算木材超微粉碎过程破壁力70

4.5汽爆破裂细胞壁的力学研究71

4.5.1汽爆过程秸秆物料脆性断裂力学模型建立71

4.5.2汽爆过程秸秆细胞破碎聚合物弹性力学模型构建78

4.6小结88

参考文献88

第5章细胞破壁与生物炼制过程中的传递工程学基础91

5.1细胞壁与生物质炼制体系中传递-反应屏障91

5.1.1细胞壁——生物抵御外界环境因素的防御屏障91

5.1.2细胞壁——生物质炼制体系传递-反应屏障91

5.1.3生物质多孔特性与炼制反应体系中传递-反应过程92

5.2细胞破壁对其化学组成的影响92

5.2.1细胞破壁对植物原料化学组分的影响92

5.2.2细胞破壁对微生物化学结构的影响93

5.3细胞破壁对多孔特性的影响94

5.3.1物理法破壁对细胞多孔特性的影响94

5.3.2化学法破壁对细胞多孔特性的影响94

5.3.3生物法破壁对细胞多孔特性的影响94

5.3.4蒸汽爆破对生物质多孔特性的影响95

5.4破壁生物质多孔特性的质热传递过程95

5.4.1生物质多孔介质内质热传递过程95

5.4.2饱和多孔介质流动的控制方程96

5.4.3不饱和多孔介质内传质及传热过程97

5.4.4基于恒温壁面传热及热空气耦合传热模型的物料升温过程模拟100

5.5细胞破壁与炼制体系中物质传递-反应间的关系102

5.5.1药用植物原料破壁与活性成分的溶出102

5.5.2药用植物原料破壁与非活性成分的综合利用103

5.6细胞破壁技术在生物质炼制过程中的应用104

5.6.1细胞破壁技术在生物能领域原料预处理的典型工程应用104

5.6.2细胞破壁技术在制药行业的应用104

5.6.3细胞破壁技术在食品工业的应用105

5.7生物质炼制体系的质热传递过程强化方法105

5.7.1周期蠕动强化高固多相生物反应105

5.7.2气相双动态固态发酵110

5.8结论与展望112

参考文献113

第6章微生物细胞壁资源生物炼制116

6.1微生物细胞壁的生理生化地位和作用116

6.1.1维持细胞形状116

6.1.2抵御外界环境干扰117

6.2微生物资源利用方式及其与细胞壁的关系117

6.2.1微生物代谢产物117

6.2.2微生物菌体117

6.2.3微生物与生物转化118

6.2.4微生物资源的其它利用方式119

6.3典型有益微生物资源及其功能120

6.3.1益生菌120

6.3.2食药用真菌121

6.4微生物致病性与微生物细胞壁破壁122

6.4.1革兰氏阴性菌细胞壁中的内毒素122

6.4.2微生物细胞壁靶向诱导药物开发122

6.4.3植物病原菌破壁与作物保护123

6.5微生物细胞破壁与微生物资源利用实例123

6.5.1大型子实体真菌破壁123

6.5.2丝状真菌破壁127

6.5.3细菌破壁128

6.6结论与展望129

参考文献129

第7章低等植物破壁过程与生物炼制工程132

7.1苔藓破壁过程与生物炼制工程132

7.1.1苔藓植物开发现状及存在的问题132

7.1.2苔藓植物破壁提取研究进展133

7.1.3药用苔藓的开发与利用133

7.1.4苔藓提取液在农业上的应用134

7.2藻类破壁过程与开发利用135

7.2.1藻类植物开发利用现状及存在的问题135

7.2.2藻类破壁过程研究进展135

7.2.3藻类生物能源的开发与利用136

7.2.4藻类作为食品的应用137

7.2.5藻类在农业生产中的应用138

7.3蕨类破壁过程与开发利用139

7.3.1蕨类植物综合利用及主要问题139

7.3.2蕨类植物破壁研究进展140

7.3.3食用蕨类的开发利用140

7.3.4药用蕨类的开发利用141

7.3.5蕨类植物在工业上的应用142

7.4小结142

参考文献143

第8章非粮能源植物破壁过程与生物质炼制工程145

8.1非粮能源植物破壁过程145

8.1.1纤维素类能源植物破壁146

8.1.2糖类能源植物破壁152

8.1.3淀粉类能源植物破壁155

8.1.4其他类能源植物破壁158

8.2破壁非粮能源植物在生物质炼制中的应用160

8.2.1破壁纤维素在生物燃料领域的应用160

8.2.2破壁非粮能源植物在生物基材料方面的应用164

8.3非粮能源植物破壁技术分析166

参考文献166

第9章粮食破壁过程与生物炼制工程171

9.1粮食破壁关键过程理念171

9.1.1粮食精加工模式存在的问题172

9.1.2全谷物加工模式存在的问题173

9.1.3粮食结构解析及破壁理念174

9.1.4粮食破壁过程研究进展175

9.2麸皮汽爆破壁炼制过程研究177

9.2.1麸皮的营养价值177

9.2.2麸皮原料开发利用存在的问题178

9.2.3麸皮汽爆破壁炼制过程研究179

9.3粮食破壁与分层多级利用183

9.4粮食破壁与全谷物炼制185

9.4.1高粱全谷物破壁过程研究185

9.4.2破壁粮食复配工艺研究186

9.4.3汽爆粮食制粉工艺研究191

9.4.4汽爆粮食发酵工艺研究192

9.5粮食综合利用新型生态园区193

参考文献194

第10章药用植物破壁过程与生物炼制工程197

10.1药用植物开发利用现状及存在的问题197

10.2药用植物破壁过程的研究进展198

10.2.1高压热水浸提法198

10.2.2超临界流体萃取提取法199

10.2.3超微粉碎法200

10.2.4酶辅助提取法200

10.3药用植物汽爆破壁过程研究201

10.3.1汽爆技术在药用植物中的应用201

10.3.2气相爆破破壁技术在药物提取中的应用202

10.3.3细胞破壁常用设备对比204

10.3.4气相爆破破壁在中药炮制中的应用205

10.4盐肤木资源破壁综合炼制与生态产业链207

参考文献209

 

具有细胞壁结构的植物、真菌、细菌、藻类等是重要的生物资源，但细胞壁致密结构的存在会阻碍其在生产加工过程中的高效利用和转化，导致资源开发效率低。对于非粮秸秆、木材类植物，其细胞壁本身就是要开发的资源；而对于草药、粮食及菌类等，其细胞壁内包裹着丰富的功能活性成分及内容物等，首先要解决细胞壁破壁的问题。既利用细胞壁，又要利于细胞内物质有效的提取、加工和转化。所以，细胞壁破壁应该是整个含有细胞壁的生物资源高值化综合利用的一个关键环节。本书以细胞破壁过程为切入点，根据作者前期工作基础与国内外相关研究进展，系统总结细胞破壁过程与生物炼制工程相关基础问题以及关键技术，以期指导生物炼制新产业的工程实践。

作者以近十几年在生物炼制领域的科研成果为依托，特别是作者对生物资源开发利用关键过程的认知，从细胞壁本征结构特点以及资源转化与利用的角度进行解析，提出了细胞破壁关键过程与生物炼制工程理念。本书首先介绍了细胞壁资源开发利用现状以及关键破壁技术；其次，分别从力学、传递工程学和过程工程学角度论述了细胞破壁与生物炼制的关系；最后，详细介绍了破壁关键技术在微生物、低等植物、非粮能源植物、粮食和药用植物等细胞壁资源开发利用中的相关情况。

作者在该方面研究得到了中国科学院洁净能源先导科技专项（XDA21060300）,国家重点研发计划（2018YFB1501702）等项目的资助。另外，我们的二十多位硕士和博士研究生的研究工作构成了本书的重要素材，特别是刘阳、孙乐乐、孔峰、张玉针、赵启红等参与了本书中部分章节写作和许多文字工作。在本书著述过程中，参考了大量国内外前辈和同行们撰写的书籍和期刊论文资料。在此一并表示衷心的感谢。

书中如有不当之处，诚请读者批评指正，并欢迎来函指导。

陈洪章 王岚

2019年12月