玉米秸秆超声辅助酶水解

２．４酶解温度对酶水解的影响 水浴温度分别为４５、５０、５５℃，超声波功率３０ ｗ，超声时间１０ ｍｉｎ条件下，酶解４ｈ的结果见图３ａ。
由图３ａ可以看出：超声波场下的纤维素酶水解最适作用温度与非超声波场下纤维素酶水解最适作用温
度５０℃相一致。超声场条件下不同水浴温度的纤维素酶解得率均高于其相应的未加超声波的酶解得
称取一定量的底物，加入适量酶液和水，用Ｏ．０５ ｍｏｌ／Ｌ的柠檬酸缓冲溶液调节酶解初始ｐＨ，在一 定温度的恒温水浴中进行超声酶解。超声作用一定时间后停止超声，继续酶解‘４｜。酶解结束后离心分 离，上清液用ＤＮＳ法测其总还原糖含量。酶解得率按下式计算：
酶解得率（％）一（还原糖总量×ｏ．９ｘ１００）／底物中的纤维素及半纤维素总量 １．４分析测定方法
的增大，酶解得率表现出逐渐降低的趋势。这表明低功率超声波可提高酶水解速率，增加反应系统内流
体的循环速度，强化传质，破坏底物抗水解的稳定性；另一方面，超声功率过大时，超声波的剧烈刺激对
酶的结构产生影响，使酶活力下降。而且超声功率过高，会使反应器内发生局部温度瞬时升高的现象。
实验表明，超声功率在３０ Ｗ时酶水解效果最佳。
度的升高，空化作用显现，在液体介质中微泡的形成和破裂及伴随能量的释放，产生瞬时局部高温、高 压，可产生自由基，如水分子电离产生Ｈ·和ＯＨ·自由基，这些自由基可进入酶活性中心，破坏酶分子
构象。因此，当水浴温度进一步升高时，一方面酶蛋白受热变性，另一方面可能是自由基的破坏作用，导
致酶解速率下降。
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以５０ ｇ／Ｌ的玉米秸秆为底物，不同的ｐＨ对酶解得率的影响见图２ｂ。由图２ｂ可以看出，经超声波
场的辐射，不同ｐＨ的酶解得率均高于未加超声波的酶解得率。ｐＨ从４．４到４．８，酶解得率逐渐升高； ．ｐＨ为４．８时，酶解得率最高，达到１４．４％；以后又逐渐下降。在超声场和非超声场中酶的最适ｐＨ都 是４．８，说…明 日｜在ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ。亡一ｊ｜定 ｜皇条 一基件ｚ匕下｜ｃ拯超吉声波对酶的微细结构活性部位影响不大。
笔者将超声波技术应用于植物纤维原料的酶水解，以提高酶解速率，缩短酶解时间，以期促进可再 生资源的开发利用。
１ 材料与方法
１．１ 材料 玉米秸秆。产自江苏省徐州市，原料经自然风干后，粉碎至４０～６０目，在室温条件下保藏于广口
瓶，备用。玉米秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素三大部分组成，其含量分别为３５．６％、２２．５％和 １８．１％。
（＋未加超声波；小３０Ｗ；斗６０Ｗ；十９０Ｗ；＋１８０Ｗ）
４８ ｈ，超声功率３０、６０、９０、１８０ Ｗ的酶解得率分别为２３．３％、２２．１％、２１．７％和１７．４％，较未加超声波的
酶解得率（１３．１％）分别提高了７７．９％、６８．７％、６５．６％和３２．８％。在３０～１８０ ｗ范围内，随着超声功率
还原糖含量采用ＤＮＳ（３，５一二硝基水杨酸）法测定嘲；原料中纤维素、聚戊糖和木质素的含量按照 造纸工业分析标准测定忉；滤纸酶活力采用国际理论和应用化学协会（ＩＵＰＡＣ）推荐的标准方法测 定［８。，一个滤纸酶活力的国际单位（ＩＵ）等于在标准反应条件下每分钟生成ｌ肚ｍｏｌ葡萄糖的酶量，以 ＩＵ／ｍＬ表示。
（１．南京林业大学化学工程学院，江苏 南京 ２１００３７；２．南京信息工程大学环境科学与工程学院，江苏 南京 ２ｌ００４４）
摘 要：利用超声波技术研究了外加超声场条件下玉米秸秆的纤维素酶水解过程。结果表明：超声波可有效 地提高玉米秸秆的纤维素酶水解得率，减少酶用量。在超声频率２０ ｋＨｚ、功率３０Ｗ、作用时间１０ｍｉｎ的超声 场下，纤维素酶的最适滤纸酶活用量为２０ ＩＵ／ｇ，最适水解温度为５０℃，最适ｐＨ为４．８，其４８ ｈ酶解得率达到 ２７．３％，比未加超声波时酶解得率提高了４８．３％。 关键词：超声波；玉米秸秆；纤维素酶；酶水解 中图分类号：Ｑ９３９．９７；ＴＱ３５３；０４２６．９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００一２００６（２００７）０４—００８５一０４
２ 结果与分析
２．１ 超声波功率对酶水解的影响
当底物浓度为５０ ｇ／Ｌ，酶用量为１５ ＩＵ／ｇ（绝干
筋
底物），超声时间为１０ ｍｉｎ，超声功率为３０、６０、９０、
加
１８０ Ｗ条件下，酶解４８ ｈ。超声波功率对酶解得率 的影响见图１。
由图１可知，与未加超声波相比，加超声波并未 明显影响纤维素酶水解玉米秸秆的反应历程，两种 条件下的酶水解表现出相同的变化趋势，即在酶解 初期，Ｏ～８ ｈ反应速率较快；随着酶解时间的延长，
第３１卷第４期 ２００７年７月
南京林业大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎａ ｎｊｉｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ．Ｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
Ｖ０１．３１，Ｎｏ．４ Ｊｕｌ．，２００７
玉米秸秆超声辅助酶水解
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肖 琼１’２ ，姚春才¨，勇 强１，崔 玲１
一８７一
万方数据
南京林业大学学报（自然科学版）
第３ｌ卷第４期
高了１．３０、１．２５、１．１６、１．１３、１．１２倍，说明超声条件下达到相同的酶解得率时所需的酶用量少。于淑娟 等研究了超声波作用下纤维素酶水解动力学，结果表明使用超声场后所需的酶用量少凹］，与此次实验的 结论一致。因酶用量大于２０ ＩＵ／ｇ时，酶解得率几乎不再变化，综合考虑酶解得率和成本等因素，在超 声波作用下最佳酶用量为２０ ＩＵ／ｇ。
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２．５酶用量对酶水解的影晌
在纤维素的酶法糖化工艺中，降低纤维素酶的成本是该工艺在经济上能否过关的关键因素之一，所 以确定适宜的酶用量尤为重要。
一步增加了底物与酶相结合的几率，到３０ ｍｉｎ时达到最大；此后，随着处理时间的继续延长，部分纤维
素酶的活性部位被超声波逐渐破坏，而且随着处理时间的延长，超声波的驻波会引起一定范围内的聚合
作用，超声波的能量转化为热能，温度升高而使纤维素酶部分失活。由此可见超声波的处理时间对纤维
一８６一
万方数据
２００７年总第１３０期
３结 论
（１）在超声频率为２０ ｋＨｚ、超声功率为３０ Ｗ、超声时间为１０ ｍｉｎ的条件下，纤维素酶的最适用量为 ２０ ＩＵ／ｇ（绝干底物），最适酶解温度为５０℃，最适ｐＨ为４．８，其４８ ｈ酶解得率达到２７．３％，比未加超声 波时提高了４８．３％。
率。超声场下４５、５０、５５℃的酶解得率分别比未加超声波的酶解得率提高了５８．７％、７７．９％和５３．８％， 因此酶解的最适温度为５０℃。说明适宜的超声波条件能促进酶水解。超声波作为一种能量形式，具有
加热作用和空化作用，对酶反应可产生促进或抑制双重作用。当温度较低时，与空化作用相比，加热作
用占主导，超声场下的反应体系吸收超声波能量，从而加速了酶促水解反应，表现为促进作用。随着温
肖 琼等：玉米秸秆超声辅助的酶水解
素酶促水解有很大的影响。综合考虑酶解得率和超声波操作成本，采用１０ ｍｉｎ的超声时间较适宜。
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ｐＨ对酶水解的影响
图２超声时间及ｐＨ对酶解得率的影响 Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｐＨ ｏｎ ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ ｙｉｅｌｄ
在温度５０℃、ｐＨ４．８、超声功率３０ Ｗ、超声时间１０ ｍｉｎ条件下，不同酶用量对玉米秸秆酶解得率的
影响结果见图３ｂ。由图３ｂ可见：经超声波场的辐射，不同酶用量的酶解得率均高于未加超声波的酶解 得率。酶用量为ｌＯ、１５、２０、２５和３０ ＩＵ／ｇ时，超声波场下的酶解得率分别比未加超声波的酶解得率提
（６．４１％）提高了８７．５％、１２５％、１３０％、１４１％和１０６％。在超声功率３０ｗ条件下，随着超声波处理时间
的延长，酶解得率呈上升趋势，在超声时间３０ ｍｉｎ时达到最大值，此后有所下降。
玉米秸秆溶液在超声波处理过程中发生了一系列的变化，在５～１０ ｍｉｎ时玉米秸秆细胞壁被超声
波击破，扩大了底物与酶接触的面积，故在此阶段水解率逐渐增大，速率较快；随着处理时间的延长，进
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｅｎｚｙｍａｔｉｃ Ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｏｒｎ Ｓｔｏｖｅｒ
ＸＩＡＯ Ｑｉｏｎ９１”，ＹＡ０ Ｃｈｕｎ－ｃａｉ“，ＹＯＮＧ Ｑｉａｎ９１，ＣＵｌ Ｌｉｎ９１ （１．ＣｏＵｅｇｅ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅ“ｎｇ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ。Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００３７，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ
ｗｉｔｈｏｕｔ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ；Ｃｏｒｎ ｓｔｏｖｅｒ；Ｃｅｌｌｕｌａｓｅ；Ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ
●
超声波是频率高于２０ ｋＨｚ的弹性机械波，它的穿透能力极强，在液体介质中容易形成声空化。空 化时可产生高温、高压，导致自由基形成及产生强大的冲击波和微射流‘卜引。植物纤维原料是地球上最 丰富的可再生资源，利用生物技术糖化纤维素原料进一步生产酒精、单细胞蛋白、有机酸等，可改变传统 的生产方式，开辟饲料、发酵工业原料和人类食品的新来源‘３｜。但传统的条件下纤维素酶的酶解速率较 慢，过程较长［４］。已有的研究表明适宜的超声波可促进植物原料的纤维素酶水解‘引。
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酶解时间Ｈｙｄｍｌｙｓｉｓ ｔｉｍ矾ｌ
酶水解反应的速度逐渐变慢，最后趋于稳定。不同 功率的超声场对酶解反应的影响不同，总的来说， 经超声波辐射后酶解得率较未加超声波的高，酶解
图１ 超声波功率对酶解得率的影响
Ｆｉｇ．１ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｐｏｗｅｒ ｏｎ ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ ｙｉｅｌｄ
２．２超声时间对酶水解的影响
当底物浓度为５０ ｇ／Ｌ，酶用量为１５ ＩＵ／ｇ，超声功率３０ ｗ，在不同的超声时问下酶解４ ｈ，酶解得
率与超声时间的关系见图２ａ。
由图２ａ可见，经超声波辐射后酶解得率较未加超声波的酶解得率有大幅度提高，超声５、１０、２０、
３０、４０ ｍｉｎ的酶解得率分别为１２．ｏ％、１４．４％、１４．７％、１５．４％和１３．２％，比未加超声波的酶解得率
Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｎａｎｊｉｎｇ ＵｎｉＶｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏＩｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００４４，Ｃｈｉｎａ）
ｔａｉｌ． Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ２０ ｋＨｚ，３０ Ｗ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ １０ ｍｉｎ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｅｎ— ｚｙｍｅ ｄｏｓａｇｅ ｗａｓ ２０ ＩＵ／ｇ ｄｒｙ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ． Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗａｓ ５０℃ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｐＨ ｗａｓ ４．８．Ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ ｙｉｅｋｉ ｒｅａｃｈｅｄ ２７．３％ａｆｔｅｒ ４８ ｈ ａｎｄ ｗａｓ ４８．３％ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ
＊通讯作者（Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ Ａｕｔｈｏｒ）：姚春才，男，教授，博士生导师。
万方数据
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南京林业大学学报（自然科学版）
第３１卷第４期
１．２主要实验设备 超声波细胞粉碎仪：ＡＰ一２０３型，上海杰理科技有限公司（频率２０ ｋＨｚ，功率可调范围Ｏ～３００ Ｗ，
间隔３０ Ｗ，变幅杆直径８ ｍｍ）。紫外可见分光光度计：ＵＶ一２８０２Ｓ型，尤尼柯（上海）仪器有限公司。 １．３玉米秸秆的酶水解
纤维素酶。由南京林业大学生物化工研究所提供。酶液含滤纸酶活力（ＦＰＡ）为２．０５ ＩＵ／ｍＬ。
收稿日期：２００６一０５—１９
修回日期：２００７一０４—１０
基金项目：国家自然科学基金资助项目（３０４７１３６１）；江苏省“青蓝工程”资助项目
作者简介：肖 琼（１９７０一），女，硕士生。主要从事生物质资源生物转化的研究。