纖維素酶水解玉米秸稈的影響因素研究

王娜娜，楊翔華，張 全，姚秀清

(1.遼寧石油化工大學環(huán)境與生物工程學院，遼寧 撫順 113001；2.撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001)

目前，由木質纖維素生物轉化為乙醇的研究非?；钴S，已取得許多新的進展[1，2]。木質纖維素的生物轉化一般包括3個過程：原料的預處理、水解和發(fā)酵，其中利用纖維素水解產生可發(fā)酵糖是最關鍵的步驟。酸法水解對設備要求高，副產物對后續(xù)反應有抑制作用[3]；而酶法水解具有條件溫和、產品質量高、對環(huán)境友好等優(yōu)點，是纖維素糖化工藝今后的發(fā)展方向[4]。

作者考察了預處理方式、纖維素酶加量、初始葡萄糖含量等因素對纖維素酶水解玉米秸稈的影響。為優(yōu)化利用玉米秸稈為原料生產燃料乙醇的工藝提供了依據。

1 實驗

1.1 材料與儀器

玉米秸稈、稀酸預處理玉米秸稈、蒸汽爆破預處理玉米秸稈，分別編號為：A、B、C。

3種纖維素酶分別編號為：1#、2#、3#。

722S型分光光度計，SB-A型水浴振蕩器；SBA-40型生物傳感分析儀。

1.2 方法

將玉米秸稈置于125 mL旋蓋三角瓶中，加入纖維素酶0.2 mL·g-1(以每克底物計，未標明均指1#纖維素酶)，調節(jié)pH值至4.8，使玉米秸稈質量分數(shù)為5%～20%，于50 ℃下恒溫振蕩反應，取樣離心，測定水解液中的葡萄糖含量。

1.3 分析測試

纖維素含量采用硝酸乙醇法[5]測定。

葡萄糖含量：采用SBA-40型生物傳感分析儀測定。

酶解得率按下式計算[6]：

式中：c葡為水解液中葡萄糖含量；c纖為原料干基中纖維素含量；c原為水解體系的底物濃度，即總固濃度，A、B、C 3種底物分別為13.7%、10.3%和9.5%。

濾紙酶活：將1 min內水解waterman 1#纖維素酶濾紙產生1 μmol還原糖所需要的酶量定義為1個酶活單位，按照IUPAC(國際理論和應用化學聯(lián)合會)推薦的國際標準方法測定，以FPIU·mL-1表示[7]。

2 結果與討論

2.1 原料纖維素含量

采用硝酸乙醇法測得原料A、原料B和原料C中的纖維素含量分別為36%、78%和45%。

2.2 纖維素酶濾紙酶活

測得1#、2#、3#纖維素酶液的濾紙酶活分別為99.8 FPIU·mL-1、94.0 FPIU·mL-1和1.5 FPIU·mL-1。

2.3 預處理方式對玉米秸稈酶解效果的影響

采用1#纖維素酶，分別對經不同預處理方式得到的原料A、原料B和原料C進行酶解，50 ℃下恒溫振蕩反應5 d，測定水解液中的葡萄糖含量，并計算酶解得率，結果見表1。

表1 預處理方式對玉米秸稈酶解效果的影響/%

由表1可看出，未經過預處理玉米秸稈(原料A)的酶解得率僅6.8%，而經過稀酸預處理(原料B)和經過蒸汽爆破預處理(原料C)的玉米秸稈的酶解得率可達到90%以上?？梢?，玉米秸稈在酶解之前需經過預處理才能獲得較高的酶解得率。由表1還可看出，原料中纖維素的含量越高，說明預處理過程中半纖維素水解越徹底，更利于纖維素酶水解，水解液中葡萄糖含量也就越高。

2.4 纖維素酶對原料C的酶解效果

以水解液中葡萄糖含量作為酶解效果的評價指標，比較1#、2#纖維素酶對原料C的酶解效果，結果見圖1。

圖1 1#、2#纖維素酶對原料C的酶解效果比較

由圖1可以看出，1#和2#纖維素酶對原料C的酶解趨勢一致。酶解時間為5 h時，1#和2#水解液中葡萄糖含量分別為4.45%和4.50%，2#較1#酶解效率高1.1%；酶解時間超過5 h后，由于葡萄糖的反饋抑制作用，酶解速率減慢，并趨于停止。

比較1#、3#纖維素酶加量對原料C水解液中葡萄糖含量的影響，結果見圖2。

圖2 1#和3#纖維素酶加量對原料C水解液中葡萄糖含量的影響比較

由圖2可以看出，要得到2.0%葡萄糖含量，需1#纖維素酶0.31 mL·g-1、3#纖維素酶3.2 mL·g-1，兩者相差約10倍。而1#纖維素酶的濾紙酶活為3#纖維素酶的66.5倍，可見不同纖維素酶對同一種物料進行酶解，要達到相同的纖維素酶解得率，其纖維素酶加量與濾紙酶活不成正比關系。這是由于纖維素酶液的水解能力不僅取決于濾紙酶活，還取決于纖維素酶的酶系組成是否合理，因此需要針對水解物料最大化來優(yōu)化纖維素酶的酶系組成。

2.5 酶加量和初始葡萄糖含量對玉米秸稈酶解效果的影響

在反應體系中分別加入1 mL、2 mL和3 mL 1#纖維素酶，以前8 h平均葡萄糖生成速率(GR)作為評價指標，考察1#纖維素酶加量和初始葡萄糖含量對玉米秸稈酶解效果的影響，結果見圖3。

圖3 酶加量和初始葡萄糖含量對玉米秸稈酶解效果的影響

由圖3可以看出，在初始葡萄糖含量相同的情況下，酶加量越多，體系中前8 h平均葡萄糖生成速率越大，當初始葡萄糖含量為0%、纖維素酶加量分別為1 mL、2 mL和3 mL時，體系的GR分別為158 mg·h-1、240 mg·h-1和340 mg·h-1，酶加量每增加1 mL，GR平均增加91 mg·h-1；當酶加量相同時，體系中初始葡萄糖含量越大，GR越小?？梢娖咸烟菍w維素酶水解具有反饋抑制作用。

3 結論

對玉米秸稈酶解的影響因素進行了研究。結果發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈在酶解之前需要經過預處理才能獲得較高的酶解得率，且纖維素含量越高，越有利于酶解；纖維素酶液的水解能力不僅取決于濾紙酶活，還取決于纖維素酶中酶系組成是否合理；不同纖維素酶對同一種物料進行酶解，達到相同的酶解得率，其纖維素酶加量與酶液的濾紙酶活不成正比關系；纖維素酶加量越多，體系中的平均葡萄糖生成速率(GR)越大；葡萄糖對纖維素酶水解具有反饋抑制作用，隨著初始葡萄糖含量的增大，體系中的GR呈遞減趨勢。為優(yōu)化利用玉米秸稈為原料生產燃料乙醇的工藝提供了依據。

[1] 孫亞東，蔣建新，孫冉，等.纖維乙醇及滲透汽化原位分離技術研究進展[J].中國能源，2008，30(9)：17-24.

[2] 劉洪斌.燃料乙醇非糧化——我國發(fā)展纖維乙醇的挑戰(zhàn)與對策[J].生物加工過程，2008，6(1)：7-11.

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[7] Ghose T K.Measurement of cellulase activities[J].Pure & Appl Chem，1987，59(2)：257-268.