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表面活性剂在废木质纤维素制酒精中的应用基础研究

刘佳  
【摘要】: 针对木质纤维素资源生物转化制取酒精技术实用化的一个主要的障碍——纤维素酶活性不高、生产成本过高而导致其应用仍受到限制的问题,本研究首次将由微生物产生的生物表面活性剂鼠李糖脂用于木质纤维素原料制取酒精的几个主要环节,即液态发酵和固态发酵生产纤维素酶、纤维素酶法水解及同步糖化发酵制酒精的过程,目的是为了促进微生物产酶,并进一步提高酶活,从而提高木质纤维素的水解效率和酒精的转化率,并降低成本。同时与化学合成的非离子表面活性剂Tween 80作了比较。 在液态发酵过程中,加入少量的鼠李糖脂和Tween 80就能对绿色木霉的产酶起到促进作用,尤其在产酶高峰期。添加鼠李糖脂分别使滤纸酶活(FPA)、羧甲基纤维素酶活(CMC酶活)、微晶纤维素酶活最大提高了1.08倍,1.6倍和1.03倍。添加Tween 80也能使酶活增大,效果略逊于鼠李糖脂,并且测得的酶活值整体上均比添加鼠李糖脂的样低。与Tween 80相比,加入鼠李糖脂使溶液的表面张力降得更低,并且在整个发酵过程中都将发酵液的表面张力保持在较低的水平,说明鼠李糖脂不会作为优先降解对象被过早降解,可以在整个发酵过程中发挥作用。 固态发酵过程中添加不同浓度的鼠李糖脂对绿色木霉所产的纤维素酶活和木聚糖酶活有不同程度的促进作用。对纤维素酶系中的三种主要成分,绿色木霉所产的CMC酶活最高,但是表面活性剂对其的影响最小。鼠李糖脂和Tween 80对微晶纤维素酶和纤维二糖酶的促进作用较为明显。另外,与对纤维素酶的影响不同,两种表面活性剂在产酶高峰期对木聚糖酶的影响就很明显。 在纤维素酶促水解的过程中,探讨了添加不同浓度的鼠李糖脂和Tween 80对稻草酶解过程的糖产率、酶稳定性、以及对动力学特征和酶在纤维素上吸附的影响。另外,还采用荧光探针法,以芘为荧光探针,研究了表面活性剂和纤维素酶之间的相互作用。结果表明,表面活性剂有利于增强酶的稳定性,能不同程度地提高反应过程的CMC酶活和FPA,而且对FPA的作用效果更好。加入表面活性剂能提高酶促反应的最大速度和米氏常数,降低了底物与酶的亲和力,提高了纤维素酶的利用效率。表面活性剂能显著减少酶在纤维素上的吸附,从而降低无效吸附酶的数量,增加游离酶与纤维素反应,同时也使纤维素酶更易于回收。另外,通过采用芘作为荧光探针,研究了表面活性剂和纤维素酶之间的作用关系。纤维素酶分子与表面活性剂分子之间有较强的作用力,从而有利于表面活性剂胶团的形成。和鼠李糖脂相比,Tween 80和纤维素酶之间的作用力相对较小,但随着Tween 80的浓度的增大,它和纤维素酶之间的作用力越来越大,尤其在浓度超过临界胶束浓度时。 研究在同步糖化发酵反应条件最优的条件下添加表面活性剂的影响,因此,采用响应面法中的中心组合设计来对实验条件进行优化,得到影响同步糖化发酵进行的主要的四个影响因子的最优组合:酶用量为25FPU/gds,底物浓度为2.5%,pH为5.3,反应温度为39℃,其影响显著性为:酶用量底物浓度反应温度pH值。在此条件下,酒精转化率的最大值为78.83%。对得到的回归方程进行方差分析,结果显示方程拟合度高,说明这个实验方法是可靠的。 最后将两种表面活性剂应用在同步糖化发酵纤维素制酒精的过程中,验证了表面活性剂同样能在同步糖化发酵这个复杂的反应体系中起到促进作用。结果显示在反应的最优条件下,分别添加不同浓度的鼠李糖脂和Tween 80,酒精的转化率均有不同程度的提高。提高最大的是反应进行到第72h时,添加1cmc(临界胶束浓度,critical micelle concentration简写为cmc)鼠李糖脂和Tween 80,酒精转化率分别达到84.8%和91.7%,比对照样提高了12.2%和21.3%。 总之,鼠李糖脂和Tween 80都能提高绿色木霉所产的纤维素酶和木聚糖酶的活性,有利于增强酶的稳定性,降低酶和底物的亲和力,减少酶在底物上的无效吸附,提高纤维素酶的利用率。应用在同步糖化发酵过程中,添加表面活性剂在最优的实验条件下仍然能进一步提高酒精的转化率。生物表面活性剂与化学表面活性剂相比具有一些特殊的优点,因此将生物表面活性剂应用于酶的生产及木质纤维素生物转化制酒精有很大的潜力。


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