木素对纤维素酶解的影响及纤维素酶解

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其中, 纤维素中木素含量为 2. 2%。 红外分析采用 KB r 压片法, 用 PEK IN 2ELM ER
SYST EM 2000FT IR 仪器进行测试。
2 结果与讨论 2. 1 木素对纤维素酶解的影响
用氧2碱2蒽醌蒸煮麦草, 在不同的蒸煮时间下取
· 38 · 化 学 工 程 2000 年第 28 卷第 1 期
关键词: 草浆 纤维素 酶解 木素
纤维素物质是一个潜在的物质资源宝库, 它是人 类未来的能量、 食物和化学原料的重要来源。 纤维物 质是由纤维素、半纤维素和木质素构成的复杂物质, 而 纤维素是由若干失水葡萄糖链节所组成的高分子化合 物, 本身具有结晶区域, 同时又被木质素和半纤维素 包围着, 形成了一种很牢固的结构。 完整的纤维素高 度不溶于水, 难于被降解[1～ 3], 所以, 破坏木质素保护 层和改变纤维素的晶体结构, 可促进纤维素的降解, 提 高其利用率。 在酶促降解、 直接微生物降解及酸催化 水解以前, 对纤维素原料进行预处理有利于纤维素的 降解, 提高其转化率[4～ 6]。本文采用碱2氧2蒽醌预处理 麦草以最大限度地脱除木质素, 降低纤维素的聚合度, 探讨纤维素酶解的影响因素, 为纤维素的利用提供一 定的理论依据。
围是不同的, 过高或过低都不利于酶解反应的进行, pH 的改变可以破坏酶的空间构象, 引起酶活的丧失, 还能影响酶活性中心催化基团的解离, 使底物转变成 产物的过程受到影响, 同时 pH 的改变影响酶活性中 心结合基团的解离状态和底物的解离状态, 使得底物 不能与其结合或结合后不能生成产物。 实验结果表明 pH 为 4. 4 时, 酶解率最高。
图 6 底物对酶解的影响
图 5 温度对酶解的影响
2. 6 底物对酶解的影响
2. 7 结构分析 图 7 是纤维素的 IR 谱图。 从谱图 a 可以看出
3400cm - 1 是- O H 的伸展振动, 2917cm - 1处是- CH 3 的 伸 展 振 动, 1430cm - 1 处 为 C - C - H 变 形 振 动, 1382cm - 1 处是 C - C - H 变形振动, 1162cm - 1 处 是 CH 2 和 C - O - H 变形振动, 1111cm - 1为 C - O - H 变 形振动, 1057cm - 1 处 为 C - C - H 的 变 形 振 动, 在 898cm - 1是 C- H , CH 2 和 C - O - H 变形振动。谱图 b 与 a 比较可知, 2852cm - 1、1512cm - 1处的振动峰增强, 说明酶解后纤维素的 1242Β2苷键断裂, 降解为还原糖。
张建安等 木素对纤维素酶解的影响及纤维素酶解
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木素对纤维素酶解的影响及纤维素酶解
张建安 张小勇 韩润林 李佐虎 闫 科
(中国科学院化工冶金研究所生化工程国家重点实验室, 北京 100080) (河津铝厂)
用氧2碱2蒽醌蒸煮麦草所得纤维素为原料, 研究了木素对纤维素酶解的影响及纤维素的酶解, 结果表 明: 对不同木素含量的纤维素, 其木素含量越低, 纤维素的酶解率就越高。对同一木素含量的纤维素, 酶 解同时也脱除木素, 当 T = 40～ 45℃、pH = 4. 4、底物与酶量之比为 1∶0. 02 时, 时间 30h, 转速为 100r m in, 可获得较理想的酶解率和木素脱除率。 IR 结构分析可知, 酶解后纤维素的 1242 Β 2苷键断裂, 生成还 原糖。
图 1 不同木素含量对酶解的影响
2. 2 纤维素酶用量对纤维素酶解的影响
由图 2 可知, 随着酶量的增加, 纤维素酶解率和
木素脱除率增大, 在 5g 底物中, 酶量在 100m g 之前,
酶解率和木质素脱除率增加较快, 100m g 之后, 虽然 二者也在增加, 但增加的速度减缓。 因为一定量的纤
维素在一定的粉碎程度下, 纤维素分子能和酶分子结
在一定的温度、pH 及酶浓度条件下, 底物浓度对 酶的催化反应速度产生影响, 酶和底物的作用是通过 酶和底物生成复合物而进行的。当底物浓度较低时, 酶 的活性中心未被饱和, 反应速度随底物浓度的增加而 迅速增加, 而后底物浓度继续增加时, 反应速度的增 加率就比较小, 当底物浓度增加至某种程度时, 酶的 活性中心被饱和或趋于饱和, 反应速度达到一个极限 值, 此后即使再增加底物浓度, 反应速度增加较小或 不再增加。 这是因为当底物浓度较低时, 底物的量不 足以结合所有的酶, 此时, 相当于酶过量, 酶解率增 加较快。 当底物浓度增加较多时, 此时, 相当于酶量 不足而底物过量, 一定的酶量不能使过量的底物全部 酶解。 因此, 酶解率在达到一定值后不再增加或增加 较慢。 图 6 显示了底物对酶解的影响规律, 在一定量 的纤维素酶作用下, 随着底物的增加, 酶解率和木素 脱除率增加, 当底物过量时, 超出与一定量的酶对应 的底物上限的那部分底物就不能被酶解, 同时, 底物 过量会增加酶解反应的不均匀性, 因此, 影响了酶解 率和木质素脱除率。
在 2L 带搅拌、自动控温、不锈钢高压釜中, 用氧 2碱2蒽醌蒸煮麦草, 反应结束后, 产物经过滤、水洗、 干燥得到纤维素原料。 1. 3 酶解步骤
称取一定量用微型植物粉碎机粉碎至 80 目的纤 维素, 放于装有一定 pH 的乙酸钠2乙酸缓冲溶液的三 角瓶中, 加入一定量的纤维素酶, 在一定的酶解时间 和酶解温度下, 放入一定转速的恒温摇床中进行酶解 反应。 反应结束后, 经过滤得酶解液, 分析测定酶解 液中的糖含量并计算酶解率和纤维素中木素脱除率。 1. 4 分析测定
张建安等 木素对纤维素酶解的影响及纤维素酶解
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和。 因此, 酶解率的增加减慢。
图 4 时间对酶解的影响
2. 5 温度对酶解的影响 在纤维素酶解反应中, 温度是一个很重要的影响
因素, 它不仅影响反应速度, 而且影响纤维素酶的活 性。一方面, 当温度升高时, 与一般的化学反应一样, 反应速度加快, 有利于纤维素酶解的进行; 另一方面, 随着温度升高而使酶蛋白逐步变性, 反应速度随之下 降。因此, 酶反应存在一个最适温度。由图 5 可知, 随 着温度的升高, 纤维素的酶解率增大, 同时, 纤维素 中木素脱除率也在增加, 在 45～ 50℃时, 纤维素酶解 率和木质素脱除率均达到最大值, 之后, 酶解率和木 质素脱除率随着温度的升高而降低。 因为, 当温度较 低时, 酶促反应速度较慢, 酶分子和纤维素分子进行 有效碰撞的几率减少, 所以, 酶解率不高。 当温度过 高时, 纤维素酶分子又会失去活性, 能进行酶促反应 的有效酶分子减少, 影响了酶解率, 故适宜的酶解温 度为 45～ 50℃。
间复合物 [ ES ], 随着 [ ES ] 的积累不断生成产物
[ P ], 但当酶量 [E ] 过量时, 反应向左进行, 抑制了 产物的生成, 影响了酶解率。 另一方面, 从经济的角
度考虑, 酶用量也要尽可能的少。 当裸露的纤维素分
子与酶分子结合后, 附着在纤维素上的木质素失去了
支撑底物, 所以, 纤维素酶解的同时木质素也被脱除
酶解液中糖含量的测定: 采用 3, 52二硝基水杨酸 比色定糖法进行[7]; 木素含量的测定参见文献 [ 8 ]。
纤维素酶解率和纤维素中木素脱除率分别按下式 计算:
纤维素酶解率% =
酶解液中糖含量 试样的量 (g)
(g) ×100%
纤维素中木素脱除率% = 纤维素中木素纤含维量素- 中酶木解素纤含维量素中木素含量×100%
下来, 从而增加了木质素的脱除率。
2. 3 pH 对纤维素酶解的影响 大部分酶的活性受其环境 pH 的影响, 在一定的
pH 条件下, 酶反应具有最大速度, 高于或低于此值, 反应速度下降。 图 3 显示了 pH 对纤维素酶解的影响
规律, 随着 pH 的增加, 酶解率和木素脱除率增大。当 pH = 4. 4 时, 二者达最大, 之后, 随着 pH 的增加, 二
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何安定等 相关分析及量热法在油水两相流测量中的应用
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∃N 3 滞后数 Q 体积流量 R e 雷诺数 ∃T 温差 ∃ t 采样时间间隔 t 时间 U R 相关速度 W 功率 Β 体积含油率 Θ 密度 Λ 粘度 下角标 o 油 w 水
参考文献
1 H ew itt G F. M u ltip ha se flow m etering. M u ltip ha se F low & H ea t T ran sfer. U SA : H em isp here Pub lish ing Co , 1991. 187.
者下降。因为, 一般的酶制剂对 pH 值比较敏感, 只有 在很小的范围内起作用, 不同的酶所适应的 pH 值范
图 2 酶量对纤维素酶解的影响
图 3 pH 对纤维素酶解的影响
2. 4 时间对纤维素酶解的影响 如图 4 所示, 随着酶解时间的增加, 酶解率增大,
同时木质素的脱除率也在增大。 说明适当延长酶解时 间可增加酶解率, 但过多地延长酶解时间, 酶解率增 加减慢, 因为随着时间的增加, 纤维素酶分子与底物 发生充分的反应, 由 2. 1 中的反应式可知, [S ] 随时 间增加而降低, [P ] 相应增高, 中间复合物 [ES ] 在 一开始增高, 可在一段时间内保持浓度的恒定, 在这 段时间内, [ES ] 的生成速度和 [ES ] 的消失速度相等, 反应达到动态平衡, 即使增加反应时间也不能增加酶 解率。而且, 当纤维素的酶解产物积累到一定程度时, 反过来又抑制了酶的活性, 降低了酶解反应的进行, 同 时, 底物的吸附位点已全部被酶分子占据, 达到了饱
样得到不同木素含量的纤维素, 对其进行酶解, 考察 木素含量对纤维素酶解的影响, 其结果如图 1 所示。随 着纤维素中木素含量的增加, 酶解率降低, 木素含量 越低, 酶解率越高。 说明木素的存在对纤维素酶解有 很大的影响, 木素起着屏蔽作用, 木素含量越高, 这 种屏蔽作用就越大, 从而降低了酶解率。
合的结合点数量是有限的, 当这些结合点全部被纤维
素酶分子占据后再增加纤维素酶的用量, 新增加的那
部分酶分子无法和纤维素分子结合, 因此起不到酶解
反应。B rigg s2H a ldane[9]稳态学说认为:
k1
k2
E + S ES E + P
k- 1
k- 2
随着酶量 [E ] 的增加, 开始时反应向右进行, 生成中
1 实验部分 1. 1 原料及其组成
麦草取自北京造纸厂, 其化学组成分析如下:
表 1 麦草原料的化学组成
水分% 苯醇抽出物% 综纤维素% 木质素% 灰分%
12. 18
2. 95
56. 96
19. 78 8. 13
纤维素酶购自上海丽珠东风生物技术有限公司, 酶活≥15000U g。 1. 2 纤维素的制备