20160420 纤维素和半纤维素酶活性质的研究

纤维素和半纤维素酶活性质的研究

学院名称：化学与生物工程学院

专业名称：生物工程

年级：2012级

姓名：田传玲

指导教师：王瑞君副教授

2016年5月

纤维素和半纤维素酶活性质的研究

摘要:微生物产生的纤维素酶和半纤维素酶在降解纤维素方面具有广泛的应用前景。本研究通过提取从泥土和烂白菜心中富集分离能够降解纤维素微生物细菌的粗酶液，分别研究不同pH、金属离子种类和浓度、底物和温度条件下的酶活性变化规律，从而确定纤维素酶和半纤维素酶的酶活性质。结果表明，本研究条件下，粗酶液酶活性最适pH为5.0，pH 在5.0~6.0范围内酶活稳定性较高，耐受范围相对较窄；不同底物对酶活性的影响不同，其中以羧甲基纤维素钠效果最好；金属离子Fe2+、Mn2+、Cu2+和Mg2+及其不同浓度条件下，纤维素酶活性的变化不同。Fe2+、Mn2+和Mg2+可以提高酶活性，其中Mn2+的激活效果最好，其最适浓度为4.0 mmol/L；而Cu2+对酶活具有抑制作用。不同温度条件下粗酶液活性不同，45~60 ℃温度范围内活性较高，最适温度为55 ℃，温度耐受范围较大。本研究可以为纤维素和半纤维素降解菌产纤维素酶及其酶促反应条件的优化提供理论依据。

关键词: 纤维素; 半纤维素; 纤维素酶; 酶活性质

The culture medium optimization of hemicellulose degradation bacteria Abstract: Cellulose and hemicellulose is the abundant renewable resources in nature, the cellulase and hemicellulase produced by microorganism has extensive application prospect. In this study, We have screened through the cellulolytic strains form the mud and rotten cabbage heart screening, and measured cellulose enzyme activity under the condition of different pH, temperature, substrate and metal ions, respectively. The results indicated that: the crude enzyme liquid enzyme activity optimum pH 5.0, pH in the range of 5.0-6.0 stability of enzyme activity was higher, and the tolerance range was relatively narrow. The influences of four substrates on the enzyme activity were different, and the sodium carboxymethyl cellulose was the best. Fe2+, Mn2+ and Fe2+ had a promoting effect on the enzyme activity, Mn2+ was the best choice as metal ion and the optimal concentration was 4.0 mmol/L. But Cu2+had the inhibitory effect on the enzyme activity. The activity of crude enzyme fluid in 45-60 ℃was higher and the optimal temperature was 55 ℃, the temperature of the tolerance range is relative widely. These results could provide the new insight in the study of hemicellulose degradation bacteria applying in the cellulase production.

Keywords: Cellulose; Hemicellulose; Cellulose; Enzyme properties

前言

我国是农业种植大国，农产品如小麦、水稻、玉米等废弃物中含有大量的纤维素和半纤维素。据统计，每年植物通过光合作用产生的纤维素就有1700亿吨之多。作为植物细胞壁的重要组成部分，经纤维素酶水解后的纤维素可用作生物质资源被循环利用，具有重大的经济和生态意义。纤维素外层包被高结晶结构的木质素，不容易降解为葡萄糖，因此这些资源在动物饲料和造纸行业都没有得到充分利用[1]。

在自然界中，半纤维素是仅次于纤维素的可再生资源，其结构和组成比纤维素更为复杂。作为植物细胞壁的重要构成成分，半纤维素主要分布于植物的初级细胞壁和次级细胞壁中，在植物组织中的占的比例大约为15-30%，主要被微生物分泌的半纤维素酶水解为木糖和其他单糖[2]。半纤维素主要包括己糖和戊糖，如木聚糖、木葡聚糖、阿拉伯聚糖、阿拉伯半乳聚糖和甘露聚糖等，属于异质多糖。其中，木聚糖和甘露聚糖可以用于食品、饲料和造纸行业等[3]。研究表明，木聚糖酶作为饲料添加剂可以分解饲料原料中的纤维素为木聚糖，促进饲料转化，调节动物肠道菌群，提高消化能力。木聚糖酶通过分解果汁中的木聚糖以提升果汁浓缩速率，提高产品质量。此外，木聚糖酶还可以提升面包口感、增加葡萄酒、白酒生产过程中酒精的产出率[4]。天然植物纤维具有生物可降解性和再生性，且资源丰富、价格便宜，可大量应用于造纸、纺织、农业等领域。因此，研究微生物分泌的纤维素酶和半纤维素酶酶活性质，对农业废弃物纤维素和半纤维素的循环利用具有重要的生态和经济意义。

自然界中存在大量的微生物都可以通过分泌纤维素酶用来分解纤维素，其中以真菌类型的霉菌最多，例如木霉菌、曲霉菌和青霉菌等。纤维素酶是一类复合型化学酶系，主要有外切葡聚糖酶、内切葡聚糖酶、葡萄糖苷酶等[5-6]。大量研究表明，纤维素被纤维素酶催化分解的酶促反应过程受到许多因素的影响，如酶数量、底物种类和浓度、木质素结构、金属离子种类和浓度、温度和pH等[7-9]。为了提高纤维素酶的酶解速度，集中研究酶解过程的条件优化。（1）底物。不同的底物浓度显著影响纤维素酶的催化效率，浓度过低则水解效率较低，一定程度内增加底物可以提高反应速度和产物生成率；但是底物浓度过高又会抑制酶反应体系，降低反应速度。（2）木质素结构。木质素组织结构非常坚实，其会通过阻碍纤维素酶和纤维素的结合，从而对酶促反应的进行到不良的干扰作用。因此，某种意义上来说，去除木质素除可以促进纤维素的水解。（3）纤维素酶。增加反应体系中的酶含量，可以显著提高纤维素分解速度，但成本也相应升高。在酶促反应中添加一些表面活性剂如Fe离子、镁离子等，可以显著纤维素酶活力[10-13]。（4）反应条件。纤维素