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紫苏秸秆纤维素酶水解工艺优化研究
李梦雪，张志军* ，孙子文，李会珍
( 中北大学化工与环境学院，山西太原 030051)
摘 要:研究了紫苏秸秆酶法水解的最佳工艺条件。采用 DNS 法测定紫苏秸秆水解液中还原糖的含量，从而确定其
酶水解率，对酶解时间﹑酶用量﹑ pH3 个因素进行单因素实验分析，再通过正交实验对酶解工艺进行优化。实验结果
表明:最佳酶解工艺条件为酶解时间 24h，pH5.0，纤维素酶用量 720U，在此条件下，酶水解率可达 72.42%。
关键词:紫苏，秸秆，酶水解，还原糖
Process optimization on cellulose enzymatic hydrolysis
of Perilla frutescens stalk
LI Meng－xue，ZHANG Zhi－jun* ，SUN Zi－wen，LI Hui－zhen
( College of Chemical and Environmental Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China)
Abstract: The process optimization on cellulose enzymatic hydrolysis of Perilla frutescens stalks was studied.The
content of reducing sugar was determined by DNS method to evaluate the enzymatic hydrolysis.After analysis on
hydrolysis time，enzyme content and pH value respectively，the optimized hydrolysis conditions were obtained by
orthogonal experiments.Experimental results showed that the optimum condition was: reaction time 24h，enzyme
content 720U，pH5.0.Under the optimum condition，the efficiency of enzymatic hydrolysis could reach 72.42% .
Key words: Perilla frutescens; stalk; enzymatic hydrolysis; reducing sugar
中图分类号:TQ351.36 文献标识码:B 文 章 编 号:1002－0306(2013)15－0193－03
收稿日期:2013－01－08 * 通讯联系人
作者简介:李梦雪( 1990－ ) ，女，硕士，研究方向:生物化工。
基金项目:山西省社会发展科技攻关项目( 20110313003－3) ;山西省留
学人员科技活动项目( 2011012) 。
秸秆纤维是自然界丰富的再生性生物高分子资
源之一，采用燃烧或掩埋的办法处理秸秆造成的资
源极大浪费和严重环境污染的问题越来越受到人们
的重视［1］。将大量的农业废弃纤维原料经济有效地
水解成葡萄糖，并进一步用于酒精、有机酸和抗生素
等的生产，不仅有利于改善目前资源紧张、环境恶化
的状况，而且对人类社会实现可持续发展具有重要
的经济和社会意义［2］。紫苏又名红苏，赤苏，香苏，红
紫苏，系一年生草本植物，是国家卫生部首批颁布的
药食同源植物之一［3］。紫苏种子不饱和脂肪酸含量
高，全株具有很高的营养和药用价值［4］。紫苏秸秆中
纤维素和半纤维素含量可达 62.7%［3］，而目前对紫苏
研究多集中于功能产品开发，如紫苏醋饮料［3］、紫苏
酱油［5］、紫苏子油以及其缓释片剂、胶囊、滴剂等［6］，
对紫苏秸秆利用研究报道很少。在秸秆资源转化利
用过程中，采用物理、化学或生物等方法对基质进行
预处理，可有效降解木质素的网状结构，提高对纤维
素的利用效率［7］。纤维素酶可不同程度降解纤维素
类物质，是秸秆预处理的有效途径，纤维素酶水解工
艺条件因底物的差异而发生变化［8］。本研究以紫苏
秸秆为材料，研究酶解时间、pH 和酶用量等因素对
纤维素酶水解效率的影响，从而得出最佳酶解条件，
以期为紫苏资源开发和秸秆高效利用提供理论依据
和技术参考。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
紫苏秸秆 中北大学实验田收集，60℃恒温干
燥，经粉碎后备用;纤维素酶(30U /mg) 北京索莱
宝科技有限公司;葡萄糖、柠檬酸、柠檬酸钠、3，5－二
硝基水杨酸 均为分析纯。
101FA－3 型电热鼓风干燥箱 上海申光仪器
厂;HX－200 型高速重要粉碎机 浙江省永康市溪岸
五金药具厂;AR1530 型电子天平 上海天平仪器
厂;UV－9600 型紫外 /可见分光光度计 北京瑞利分
析仪器公司;FLY－200B型台式小容量摇床 上海申
贤恒温设备厂;HH－8 型数显恒温水浴锅 金坛市杰
瑞尔电器有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 样品处理 称取 1g干燥紫苏秸秆粉于 150mL
锥形瓶中，加入 20mL柠檬酸－柠檬酸钠缓冲溶液，将
缓冲液 pH调为不同水平，加入纤维素酶，摇匀后放
入 50℃摇床中酶解。反应完毕后，过滤并用蒸馏水
洗涤残渣至滤液呈中性。测定滤液中的还原糖含
量。还原糖含量的测定:采用 DNS 法［9］。根据下列
公式计算酶水解率:
酶水解率(%)= a × 0.9m ×W × 100
式中，a为还原糖含量(g) ;m 为秸秆质量(g) ;
W为原料中纤维素的质量分数(%) ;0.9 为纤维素和
DOI:10.13386/j.issn1002-0306.2013.15.021
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葡萄糖之间的转换系数。
1.2.2 水解工艺最优参数的确定 在单因素实验
时，依次改变酶解时间，pH 以及纤维素酶用量，以酶
水解率作为评价指标进行分析和研究，并确定三因
素三水平的最佳参数进行正交分析，实验设计中的
水平及编码表见表 1。
表 1 正交实验因素水平表
Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment
水平
因素
A时间(h) B pH C纤维素酶用量(U)
1 12 4.6 480
2 24 5.0 600
3 36 5.4 720
2 结果与讨论
2.1 单因素实验结果与分析
2.1.1 酶解时间对紫苏秸秆酶水解率的影响 预处
理溶液 pH为 5.0，纤维素酶用量为 600U时不同水解
时间对纤维素酶水解率的影响见图 1。由图 1 可知，
随着酶解时间的增加，酶水解率增大，24h 达到最大，
随后酶解率开始下降。这是由于在反应初始，底物
与纤维素酶充分接触，纤维素酶解速度较快，随着反
应时间的延长，反应液中还原糖含量的增加，会对酶
解反应产生抑制作用［10］。
图 1 酶解时间对紫苏秸秆酶水解的影响
Fig.1 Effect of time on enzymatic hydrolysis
of Perilla frutescens straw
2.1.2 pH对紫苏秸秆酶水解率的影响 酶解时间
为 24h，纤维素酶用量为 600U 时不同 pH 对酶水解
率的影响见图 2。由图 2 可知，pH5.0 时，酶水解率最
高。溶液酸碱度的改变会破坏酶的空间结构，影响
酶活性中心催化基团的功能，进而影响酶解反应的
速率和酶解产率。pH 过高或是过低都会破坏酶的
结构，使纤维素酶失活，从而影响其对纤维素的降解
作用。因此，只有 pH 在一定的范围内，酶的反应才
能最充分［11］。
2.1.3 酶用量对紫苏秸秆酶水解率的影响 预处理
溶液 pH5.0，酶解时间为 24h 时，酶用量对紫苏秸秆
酶水解率的影响见图 3。由图 3 可知，随着纤维素酶
用量的增加，紫苏秸秆的水解率也逐渐提高。当纤
维素酶量分数从 480U 增加到 600U 时，紫苏秸秆的
酶解率迅速增加，当大于 600U 时，纤维素酶用量的
增加对水解率没有明显的影响，其原因是纤维素酶
图 2 pH对紫苏秸秆酶水解率的影响
Fig.2 Effect of pH value on enzymatic hydrolysis
of Perilla frutescens stalk
作为一种生物催化剂，与底物的吸附作用具有一定
的饱和度，当纤维素酶用量达到饱和时，增加酶用量
对秸秆水解作用影响不大。
图 3 酶用量对紫苏秸秆酶水解的影响
Fig.3 Effect of enzyme dosage on enzymatic hydrolysis
of Perilla frutescens stalk
2.2 紫苏秸秆纤维素酶水解正交实验
单因素实验结果基础上，采用 L9(3
3)正交表设
计正交实验，考察各因素之间的相互作用。实验结
果见表 2，方差分析结果见表 3。
表 2 L9(3
3)正交实验方案及结果
Table 2 The schemes and results
of orthogonal experiment L9(3
3)
实验号 A B C 酶水解率(%)
1 1 1 1 39.34
2 1 2 2 42.99
3 1 3 3 45.99
4 2 1 2 37.56
5 2 2 3 72.31
6 2 3 1 56.89
7 3 1 3 40.85
8 3 2 1 58.86
9 3 3 2 38.13
K1 42.77 39.25 51.70
K2 55.59 58.05 39.56
K3 45.95 47.00 53.05
R 12.81 18.80 13.49
由表 2 可知，3 个因素的极差为 RB ＞ RC ＞ RA，从
表 3 方差分析中可以看出 pH 和加酶量为显著因素
(p ＜ 0.05)。因此，三因素对工艺影响的贡献程度分
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别为 pH ＞加酶量 ＞水解时间。考虑到综合经济效
益以及因素对工艺的影响程度，确定最佳 pH 为 B2，
最佳加酶量水平为 C3，最佳酶解时间水平为 A2，因此
可以得出最佳酶解条件为:pH5.0，纤维素酶用量
720U，酶解时间 24h。重复性验证实验表明，在最佳
条件下酶水解率为 72.42%。
表 3 方差分析表
Table 3 Analysis of variance
因素 离差平方和 自由度 F比 临界值
A 267.20 2 17.30 19
B 535.82 2 34.68* 19
C 331.07 2 21.43* 19
误差 15.45 2
注:* 代表该因素在 0.05 水平显著。
3 结论
实验结果表明，纤维素酶水解紫苏秸秆的最佳
水解条件为 pH5.0，纤维素酶用量 720U，酶解时间
24h，在此最佳条件下酶水解率为 72.42%。本实验
只是针对紫苏秸秆进行纤维素酶水解的工艺优化，
如果是针对具体产物，如燃料乙醇的生产，则还需要
综合考虑其能耗、有毒副产物的产生以及其他操作
费用等因素，最佳预处理条件可能须作出适当调整。
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21－27.
( 上接第 192 页)
图 6 复合酶量、酶解时间对鲜枣出汁率影响的响应面图
Fig.6 Response surface of the effect of complex enzyme dosage
and enzymolysis time on yield of jujube juice
酶解工艺下重复 3 次实验，鲜枣出汁率为 72.4%，同
时，取鲜枣直接打浆、挤压出汁，然后离心去渣，鲜枣
的出汁率仅为 62.2%，酶解处理较未酶解处理出汁
率提高了 16.4%，表明酶解处理可有效提高鲜枣的
出汁率。
3 结论
由响应面分析结果表明，鲜枣汁出汁率酶解的
最佳工艺参数为复合酶量 0.0156%、酶解时间
20.8min、酶解温度 29.0℃。在此条件下鲜枣的出汁
率的预测值为 72.2%，鲜枣出汁率实验值为 72.4%。
本实验通过建立数学模型，得到了鲜枣汁最佳的酶
解工艺，为鲜枣汁制备奠定了理论基础。
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