纤维素酶降解玉米秸秆以及发酵生产酒精的研究

摘要

随着全球温室效应的逐步严重，能源短缺以及石油价格的节节攀升，越来越多的人已将注意力集中于燃料乙醇这种可再生能源的开发利用上。天然纤维素类物质，如农业废弃物、草本植物等以其廉价的成本和广阔的来源成为生产燃料乙醇的主要原材料。本实验以玉米秸秆为原料，研究了纤维素酶对经物理化学方法处理后的玉米秸秆的酶解作用，以及在此基础上以酿酒酵母发酵生产燃料乙醇的条件。结果如下： 1．在121℃，0.1 MPa下，以1％硫酸按固液比1:5处理玉米秸秆40 min为最佳预处理条件。 2．在相同条件下氢氧化钠处理玉米秸秆，还原性糖的产量远较硫酸处理低，但对纤维素物料化学组成比例有很大影响，NaOH有较强的脱木素作用，且预处理后，物料中纤维素明显得到润胀，纤维素结晶指数降低，纤维素结晶区受到破坏，更利于纤维素酶和木聚糖酶的酶解作用。 3．纤维素酶的相对酶活性受一些金属离子和酸根离子的影响，例如AlCl<,3>，CoCl<,2>，CaCl<,2>和KCl对纤维素酶的活性影响呈抛物线型，当离子浓度低于1 mmol/L时，被测离子对纤维素酶起促进作用或轻微抑制作用，但当离子浓度超过10 mmol/L时，则有强烈的抑制作用。同等条件下，金属离子和酸根离子对相对较纯的纤维素酶的影响作用要低于纯度低的纤维素酶。浓度相同时金属离子对纤维素酶的影响，与其离子的化合价高低有关，化和价越高则抑制作用越强。金属离子和酸根离子对纤维素酶的作用也受测定方法的影响。此外以羧甲基纤维素钠为底物，对几种离子的抑制作用进行了动力学研究分析显示，Al<'3+>对纤维素酶起非竞争性抑制作用(K<,m>=13.3 g/L；V<,max>=0.179 mg/min，当AlCl<,3>浓度为5.0mmol/L)。但Mg<'2+>和SO<,4><'2->起竞争性抑制作用，对Mg<'2+>，Vmax近似为0.265 mg/minfor Mg<'2+>(K<,m>=25.1g/L，当MgCl<,2>浓度为10 mmol/L)，对SO<,4><'2->，V<,max>为0.222 mg/min，(K<,m>=18.9g/L，当Na<,2>SO<,4>为0.3 mol/L)。且随着离子浓度的增加，直线回归线的斜率也在增加。 4．利用不同比例的纤维素酶和木聚糖酶对酸预处理后的玉米秸秆进行酶解，最高还原糖产量可达到3745.3 mG/5g秸秆，但从经济学的角度考虑，当纤维素酶用量为182.5 U，木聚糖酶用量为150U，酶解时间为24 h时，酶解作用的效率最高；另外，同等酶解条件下经氢氧化钠预处理后的玉米秸秆，最高还原糖产量可达2882.6 mg5g秸秆，因此高温高压下氢氧化钠对秸秆的作用也是一种有效的预处理方法。 5．对于酿酒酵母发酵生产酒精，在发酵48 h内时，尼克酸对高压蒸汽下硫酸或氢氧化钠-纤维素酶预处理后秸秆发酵产酒精量、还原糖的利用量有促进作用。此外，Al<'3+>不适于应用到发酵酒精生产中。 玉米秸秆在高压蒸汽下以1％硫酸或氢氧化钠按固液比1:5处理玉米秸秆40 min后以182.5 U纤维素酶和150 U木聚糖酶联合酶解24小时后，接入对数期酵母菌和尼克酸使NA终浓度为4mmol/L发酵酒精，最高酒精产量可达24.87g/L。

目录

文摘

英文文摘

声明

1前言

1.1天然木质纤维素类资源的组成

1.1.1纤维素

1.1.2半纤维素

1.1.3木质素

1.2农作物秸秆的结构组成及其利用现状

1.2.1农作物秸秆的结构组成

1.2.2农作物秸秆的利用途径及现状

1.3纤维素酶的研究进展

1.3.1纤维素酶的组成

1.3.2纤维素酶的作用机理

1.3.3影响纤维素酶活性的几种因素

1.4纤维素类物质生产酒精的研究

1.4.1纤维素类物质的预处理

1.4.2纤维素类物质的糖化

1.4.3纤维素类物质的酒精转化过程

1.5纤维素类物质生产酒精的研究展望

2材料和方法

2.1实验材料

2.1.1实验原材料

2.1.2主要实验试剂

2.1.3主要实验仪器

2.2实验方法

2.2.1玉米秸秆的预处理

2.2.2纤维素酶和/或木聚糖酶对预处理后玉米秸秆的酶解作用

2.2.3几种金属离子及酸根离子对纤维素酶活性的影响

2.3.4尼克酸和/或Al3+对玉米秸秆发酵生产酒精的影响

2.2.5还原性糖的测定

2.2.6木质素含量的测定

2.2.7粗纤维利用率的测定

2.2.8玉米秸秆纤维的表面降解情况

2.2.9羧甲基纤维素纳法测定纤维素酶的活力

2.2.10滤纸法测定纤维素酶的活力

2.2.11酒精的测定

2.2.12酵母细胞数的测定

3实验结果

3.1高压蒸汽下硫酸或氢氧化钠对玉米秸秆的作用

3.1.1硫酸对玉米秸秆处理的最佳优化条件

3.1.2氢氧化钠对玉米秸秆处理的最佳优化条件

3.1.3预处理对玉米秸秆中粗纤维降解率和木质素含量的影响

3.1.4预处理对玉米秸秆微观表面结构的影响

3.2纤维素酶和/或木聚糖酶对玉米秸秆的酶解作用

3.2.1纤维素酶和/或木聚糖酶对酸预处理玉米秸秆的酶解作用

3.2.2纤维素酶和/或木聚糖酶对碱预处理玉米秸秆的酶解作用

3.2.3酶解作用对玉米秸秆中粗纤维利用率和木质素含量的影响

3.3金属离子和酸根离子对纤维素酶活性的影响及其动力学研究

3.3.1金属离子对纤维素酶活性的影响

3.3.2酸根离子对纤维素酶活性的影响

3.3.3几种抑制剂的动力学研究

3.4发酵生产酒精的研究

3.4.1尼克酸(NA)或/和Al3+对酸处理秸秆的酒精发酵生产的影响

3.4.2尼克酸(NA)或/和Al3+对碱处理秸秆的酒精发酵生产的影响

4讨论

参考文献

致谢