木糖渣酶水解及L-乳酸发酵的研究

摘要

木糖渣是在木糖生产过程中产生的废渣,它是一种木质纤维素,含有48.5％的纤维素。木糖渣含有较高浓度的硫酸根离子和水分,极易腐败污染大气和水源,同时它的存放需占用大量地方。这在很大程度上对生态环境造成巨大的压力和威胁,也大大限制了木糖产业的健康、持续发展。由于部分半纤维素已经被利用,纤维素含量较高,十分适合用于生产水解糖用于发酵,变废为宝。L-乳酸是一种广泛使用的有机酸,它的聚合物-聚乳酸(PLA),可以用来生产生物可降解塑料。本文以资源综合利用为目的,采用Bacillus coagulans ID为发酵菌株,对木糖渣酶解发酵生产L-乳酸的工艺进行研究。
　　 研究表明,不同来源的纤维素酶滤纸酶活差异较大,它们之间具有协同效果,当喜明纤维素酶与和氏璧纤维素酶的质量比例为1:2时,其协同效果最好。当向纤维素酶体系中补加β-葡糖苷酶时,木糖渣糖化效果显著提高,当和氏璧纤维素酶:喜明纤维素酶:β-葡糖苷酶比例为2:4:9时,木糖渣糖化效果最好。金属离子、有机溶剂、表面活性剂会对混合酶的糖化作用产生影响,在一定浓度范围内,Co2+、Mg2+、Zn2+、PEG、柠檬酸、甘油、吐温80对混合酶糖化具有促进作用,而Cu2+、Mn2+、Ni2+、甲醇、乙醇、甲醚、SDS对混合酶糖化具有抑制作用。
　　 木糖渣的糖化反应需要合适的反应条件,研究表明,反应温度为50℃,摇床转速为180r／min,缓冲液pH在5左右,缓冲液摩尔浓度0.05-0.1mol／L。不同的加酶量和不同的底物浓度会影响到酶解速率和最终的还原糖浓度,提高加酶量和底物浓度会促进酶解作用,但随着加酶量的提高,还原糖增加幅度减小,因此,从经济方面考虑,我们选择15％的底物浓度和0.64％(W／V)的加酶量。在酶解过程中,随着反应的进行,反应速度不断降低,在反应过程的中期和后期补加纤维素酶,可以维持较高的反应速率,且分两批添加酶的还原糖产量要高于一次性全部添加,在此基础上还研究了β-葡聚糖酶的不同加入方式会对糖化效果的影响。
　　 采用单因素实验法通过对发酵时间、发酵温度、碳酸钙的加入量、装液量、摇床转速的研究,获得利用木糖渣酶解液发酵L-乳酸的分别酶解发酵方法的最佳条件。通过发酵实验结果可知本实验的发酵工艺是可行的。同时糖化发酵可以提高乳酸产量,而且简化了工艺、减少了设备投资。因此它有利于实现工业化。实验中发现酶解8h接入Bacillus coagulans ID产酸效果最好,达到了纤维素酶和菌的最优协调。另外,从分步法和同步法实验对比发现,同步法最终乳酸浓度可达47.0g／L,比分批法还高,说明采用同步糖化发酵是可行的,节约了设备和时间,并提高了木糖渣的转化率。