玉米秸稈纖維素酶水解研究及響應(yīng)曲面法優(yōu)化.pdf

1、農(nóng)作物秸稈的主要有機(jī)成分半纖維素和纖維素經(jīng)水解可轉(zhuǎn)化為以木糖為主的五碳糖和以葡萄糖為主的六碳糖，獲得的五碳糖和六碳糖是發(fā)酵工業(yè)和化學(xué)工業(yè)及其它工業(yè)部門(mén)的重要原料。因此，水解是秸稈資源利用的關(guān)鍵步驟。 本文選擇秸稈資源中的玉米秸稈為代表物，對(duì)影響其纖維素酶水解的五個(gè)關(guān)鍵因素：酶濃度、底物濃度、溫度、pH和反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了研究。在單因子實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)曲面法中的旋轉(zhuǎn)中心組合設(shè)計(jì)對(duì)水解工藝進(jìn)行了優(yōu)化。建立了玉米秸稈酶水解的還原糖產(chǎn)

2、量(因變量)與五個(gè)因素(自變量)的二次多項(xiàng)式回歸模型，該模型高度顯著，擬合優(yōu)度良好。借助SAS軟件對(duì)模型方程分析，得出優(yōu)化的酶水解條件為：酶濃度57.50FPU/g底物，底物濃度64.72g/L，溫度47.94℃，pH4.78，反應(yīng)時(shí)間49.05h，此條件下還原糖產(chǎn)量46.34g/100g底物。與單因子實(shí)驗(yàn)得出的最佳水解條件相比，響應(yīng)曲面優(yōu)化后的酶水解條件酶濃度降低了2.5FPU/g底物，底物濃度提高了14.72g/L，反應(yīng)時(shí)間縮短了2

3、2.95h，同時(shí)還原糖產(chǎn)量提高4.37個(gè)百分點(diǎn)。 為了進(jìn)一步提高酶水解效率，對(duì)玉米秸稈進(jìn)行了預(yù)處理，然后酶水解。選取可以有效水解半纖維素的稀酸預(yù)處理方法，以期達(dá)到后續(xù)酶水解的有利進(jìn)行和玉米秸稈中半纖維素和纖維素的充分利用。以最大限度地水解半纖維素同時(shí)盡可能地保留纖維素為目的，確定了不同溫度下玉米秸稈稀酸預(yù)處理的優(yōu)化條件。80℃下稀酸預(yù)處理的優(yōu)化條件為：硫酸濃度4.2％，反應(yīng)時(shí)間177min; 100℃下稀酸預(yù)處理的優(yōu)化條件為：硫

4、酸濃度2.4％，反應(yīng)時(shí)間100min；121℃下稀酸預(yù)處理的優(yōu)化條件為：硫酸濃度2％，反應(yīng)時(shí)間43min。 選取120℃下的預(yù)處理樣進(jìn)行單因子實(shí)驗(yàn)并在此基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)曲面法對(duì)三個(gè)不同溫度下的預(yù)處理的玉米秸稈的酶水解進(jìn)行了優(yōu)化，分別建立了預(yù)處理后玉米秸稈酶水解的還原糖產(chǎn)量(因變量)與五個(gè)因素(自變量)的二次多項(xiàng)式回歸模型，所得模犁均高度顯著，擬合優(yōu)度良好。借助SAS軟件對(duì)模型方程分析，分別得出三個(gè)不同溫度下稀酸預(yù)處理后玉米秸稈優(yōu)

5、化的酶水解條件。 80℃下稀酸預(yù)處理后玉米秸稈酶水解的優(yōu)化條件為：酶濃度22.33FPU/g底物，底物濃度76.46g/L，溫度48.28℃，pH4.79，反應(yīng)時(shí)間36.81h，此條件下還原糖產(chǎn)量38.21g/100g底物。100℃下稀酸預(yù)處理后玉米秸稈酶水解的優(yōu)化條件為：酶濃度22.24FPU/g底物，底物濃度78.68g/L，溫度49.12℃，pH4.78，反應(yīng)時(shí)間36.9h，此條件下還原糖產(chǎn)量40.84g/100g底物。1

6、21℃下稀酸預(yù)處理后玉米秸稈酶水解的優(yōu)化條件為：酶濃度21.95FPU/g底物，底物濃度77.04g/L，溫度48.93℃，pH4.78，反應(yīng)時(shí)間37.72h，此條件下還原糖產(chǎn)量41.22g/100g底物；與單因子實(shí)驗(yàn)得出的最佳水解條件相比，響應(yīng)曲面優(yōu)化后的酶水解條件酶濃度降低了3.05FPU/g底物，底物濃度提高了17.04g/L，反應(yīng)時(shí)間縮短了22.28h，同時(shí)還原糖產(chǎn)量提高4.52個(gè)百分點(diǎn)。 100℃下玉米秸稈稀酸預(yù)處理，木糖的選

7、擇性較好；與直接酶水解相比，預(yù)處理后酶水解的玉米秸稈總糖產(chǎn)量提高7.03個(gè)百分點(diǎn)，增幅最大，而且與直接酶水解的優(yōu)化條件相比，酶濃度降低了35.26FPU/g底物，底物濃度提高了13.96g/L，反應(yīng)時(shí)間縮短了12.15h。121℃下玉米秸稈稀酸預(yù)處理，木糖的選擇性最高；與直接酶水解相比，預(yù)處理后酶水解的玉米秸稈總糖產(chǎn)量提高6.11個(gè)百分點(diǎn)，而且與直接酶水解的優(yōu)化條件相比，酶濃度降低了35.55FPU/g底物，底物濃度提高了12.32g/

8、L，反應(yīng)時(shí)間縮短了11.33h。80℃下玉米秸稈稀酸預(yù)處理，木糖的選擇性較差；與直接酶水解相比，預(yù)處理后酶水解的玉米秸稈總糖產(chǎn)量沒(méi)有明顯提高，但與直接酶水解的優(yōu)化條件相比，酶濃度降低了35.17FPU/g底物，底物濃度提高了11.74g/L，反應(yīng)時(shí)間縮短了12.24h。研究表明稀酸預(yù)處理可以縮短后續(xù)酶水解的反應(yīng)時(shí)間，減少酶用量，提高底物轉(zhuǎn)化率。 本研究證明響應(yīng)曲面法優(yōu)化玉米秸稈纖維素酶水解和稀酸預(yù)處理后玉米秸稈酶水解工藝是合理有