木质纤维素高效酶解相关因素的研究

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目前,世界特别是中国面临着资源、能源、环境等带来的巨大挑战,而燃料乙醇主要以玉米、小麦等粮食为原料进行生产,这无疑给中国这个人口大国带来了“与人争粮”的问题。中国的粮食生产在连年扩大,玉米秸秆、木糖渣、蔗渣等农林废弃物的产量也不断扩大,以此来代替玉米、小麦等粮食来生产乙醇、乳酸等既可以缓解资源和能源的紧缺,同时也降低了秸秆等的燃烧造成的环境污染,一举两得。酶法水解木糖渣、玉米秸秆等木质纤维素将其转化为可发酵性糖是一种绿色、温和的方法,但是存在酶用量大、转化率低等问题。为此,本研究通过菌种的筛选及不同菌株所产的粗酶复配、优化反应条件、添加反应助剂等来提高木糖渣的酶法水解效率,并初步探讨了其机理。  本研究的研究内容及研究成果主要包括以下几个方面:  1.首先我们探讨了不同菌株在纤维素酶活力差别较大时如何更合理准确的测定比较其酶活力以及如何更合理的评价一种纤维素酶的糖化能力。实验选择C1、FC-1、G26为实验菌株,分别测定分析其粗酶液在不同酶量时的滤纸酶活力、羧甲基纤维素酶活力和β-葡萄糖苷酶活力,确定最佳酶活测定方案,并首次提出以纤维素酶系品质因子(CQF)来表示纤维素酶对木质纤维素的糖化能力。  2.分别采用传统的菌种筛选方法和逐步驯化混合菌群的方法筛选到了几株与G26酶液有较强协同效果的菌株。我们对效果较好且稳定的FC-1进行形态学和分子生物学鉴定后确定其为黑曲霉属,而后对FC-1的产酶条件进行了初步的优化,种子最佳培养时间为20 h,最佳发酵时长为96 h,发酵结束后酶液浸提的最适pH为5.0。  3.G26和FC-1的粗酶液复配可以提高木糖渣的酶解效率。G26和FC-1酶液8:2混合水解木糖渣时表现出的协同作用最为明显,较对照G26的葡萄糖产量提高了14.6%。对混合酶液的酶活力的测定分析结果表明:混合酶液的协同作用很可能主要来源于不同果胶酶之间和不同内切酶之间的协同作用。对G26和FC-18:2混合酶液以木糖渣为底物、物料比1:10的水解条件进行优化得到的最佳水解条件为:水解温度50℃,水解pH为5.0。  4.非离子型表面活性剂的添加可以显著提高木糖渣的水解效率,实验范围内聚乙二醇8000的效果最为明显,较对照提高了44.6%,且纤维素-葡萄糖转化率高达93.4%。对有无聚乙二醇8000添加时上清液中的蛋白含量和酶活的定时检测表明:PEG8000的添加降低了酶特别是β-葡萄糖苷酶和果胶酶的无效吸附。但是实验表明,在较高酶浓度下表面活性剂对水解的增强作用主要是释放了底物中被吸附的难被水解的纤维素。
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