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青霉纤维素酶酶解芦竹的研究



全 文 :   2012,Vol.29No.5化学与生物工程
Chemistry &Bioengineering
22
基金项目:国家自然科学基金资助项目(21176141)
收稿日期:2012-02-21
作者简介:叶艳平(1986-),女,湖北武汉人,硕士研究生,研究方向:生物化工,E-mail:yezixin1029@sina.com.cn;通讯作者:张建安,
副教授,E-mail:zhangja@tsinghua.edu.cn。
doi:10.3969/j.issn.1672-5425.2012.05.007
青霉纤维素酶酶解芦竹的研究
叶艳平1,2,周玉杰2,丁一刚1,刘 靖2,张建安2
(1.武汉工程大学 绿色化工过程教育部重点实验室,湖北 武汉430073;
2.清华大学 核能与新能源技术研究院,北京100084)
摘 要:以青霉纤维素酶酶解芦竹,探讨了酶解温度、酶解时间、pH值和酶载量对芦竹酶解效果的影响。结果表明,
青霉纤维素酶酶解芦竹的最适条件为:酶解时间72h、酶解温度45℃、pH值4.8、酶载量30FPU·g-1 DM,在此条件
下,葡萄糖产率为(61.75±1.22)%、木糖产率为(40.07±6.88)%;通过添加商业酶调配酶系中不同酶活比例,可进一步
提高还原糖产率,当增加β-葡萄糖苷酶至40CBU·g
-1 DM时,葡萄糖产率达68.96%、木糖产率达98.16%。
关键词:纤维素酶;酶解;芦竹
中图分类号:TQ 223.1     文献标识码:A     文章编号:1672-5425(2012)05-0022-04
  纤维素酶为诱导型复合酶系,是生物降解纤维素
生成葡萄糖的酶的总称,主要由葡聚糖内切酶(Cx
酶)、葡聚糖外切酶(C1酶)、β-葡萄糖苷酶(CB酶)组
成[1,2],其中前两者将纤维分解成纤维二糖,后者将纤
维二糖转化为葡萄糖,当三者的活性比例适当时,就能
有效地协同完成对纤维素的降解[3,4]。国内外对木霉
纤维素酶研究较多[5,6],但该酶系普遍存在着β-葡萄糖
苷酶活力很低的缺陷,致使纤维二糖积累,影响了酶解
效率。相对于木霉属的微生物而言,青霉属(Penicil-
lium)真菌不仅能分泌较全的降解天然木质纤维材料
的聚糖酶系,而且能产生较多的β-葡萄糖苷酶
[7,8]。
作者在此以蒸汽爆破预处理后的芦竹为原料,研
究青霉纤维素酶酶解芦竹的适宜条件,同时探讨了向
青霉纤维素酶中添加一定量的商业酶后的酶解效果,
拟为利用芦竹糖化发酵制取燃料乙醇和丁醇提供理论
依据。
1 实验
1.1 材料与试剂
蒸汽爆破预处理后芦竹,其组分为:纤维素46%,
半纤维素8%,木质素33%,灰分13%。
青霉纤维素酶液,自制。
商业纤维素酶:NS50013(70FPU·mL-1 DM)、
NS50010(250CBU·mL-1 DM),诺维信公司;木聚糖
酶(Xylanase)。
1.2 纤维素酶酶解单因素实验
在50mL三角瓶中,取蒸汽爆破预处理后芦竹使
其底物质量浓度为2%,加入5mL 1mol·L-1醋酸缓
冲溶液和一定量纤维素酶,在一定转速恒温摇床中于
45℃、pH值4.8、酶载量30FPU·g-1 DM 条件下酶
解72h。离心,取上清液适当稀释,测定还原糖浓度。
固定其它反应条件,依次改变酶解时间(12h、24
h、36h、48h、60h、72h、84h、96h)、酶解温度(30℃、
40℃、45℃、50℃、60℃)、pH值(3.5、4.0、4.8、5.6、
6.5)、酶载量(10FPU·g-1 DM、20FPU·g-1 DM、30
FPU·g-1 DM、40FPU·g-1 DM、50FPU·g-1 DM),
考察各因素对酶解效果的影响。
1.3 混合商业酶酶解实验
1.3.1 外加木聚糖酶单因素实验
添加木聚糖酶混合至酶液总木聚糖酶酶活(IU·
g-1 DM)依次达到:140、150、160、170、180、190、200,
酶解芦竹后测定其还原糖含量。
1.3.2 外加NS50010酶液单因素实验
添加NS50010酶液混合至酶液总β-葡萄糖苷酶
酶活(CBU·g-1 DM)依次达到:10、20、30、40、60、90、
150,酶解后测定其还原糖含量。
叶艳平等:青霉纤维素酶酶解芦竹的研究/2012年第5期  23 
1.3.3 酶解效果对比
就以下不同酶系的酶解效果进行对比:30FPU·
g-1 DM 青霉纤维素酶(酶系1)、30FPU·g-1 DM 青
霉纤维素酶加木聚糖酶至180IU·g-1 DM(酶系2)、
30FPU·g-1 DM青霉纤维素酶加NS50010至β-葡萄
糖苷酶40CBU·g-1 DM(酶系3)、30FPU·g-1 DM
NS50013酶(酶系4)。
1.4 酶活测定
酶活力测定采用NREL推荐的标准方法[9]。一个
滤纸酶活力的国际单位(FPU)等于在标准反应条件下
每分钟释放1μmol葡萄糖的酶量。葡聚糖内切酶酶活
用羧甲基纤维素(CMC)测定;β-葡萄糖苷酶酶活用水杨
素试剂测定;木聚糖酶酶活用木聚糖溶液测定。
1.5 还原糖含量测定
采用LC-20D型高效液相色谱仪测定酶液中的还
原糖,如葡萄糖、木糖等的含量。色谱条件:色谱柱为
HPX-87H有机酸分析柱,柱温65 ℃,流动相为5
mmol·L-1稀硫酸,流速0.8mL·min-1,检测器
RID-10A。
2 结果与讨论
2.1 各纤维素酶酶活比较
比较发现,不同纤维素酶的酶活和酶系组成都各
不相同,青霉纤维素酶的β-葡萄糖苷酶酶活偏低,仅为
0.9CBU·mL-1,其滤纸酶酶活、木聚糖酶酶活、CMC
酶活分别为5.2FPU·mL-1、42.5IU·mL-1、15.4
U·mL-1;Xylanase的木聚糖酶酶活较高,为2503.2
IU·mL-1,且检测不到其它酶活性;NS50013的滤纸
酶酶活和NS50010的β-葡萄糖苷酶酶活较高,分别为
70FPU·mL-1 DM和250CBU·mL-1 DM。
2.2 青霉纤维素酶酶解芦竹工艺条件优化
2.2.1 酶解时间对酶解效果的影响(图1)
图1 酶解时间对酶解效果的影响
Fig.1 Effect of enzymolysis time on enzymolysis efficiency
由图1可知,酶解初期(1~12h)反应速度较快,
还原糖产率迅速上升;随着酶解时间的延长,反应速度
急剧下降;酶解时间超过72h后,还原糖产率提高不
明显。其原因可能是:当酶解时间达到72h后,酶与
底物的反应变缓、酶的活性降低,还原糖的生成趋缓。
故选取适宜的酶解时间为72h。
2.2.2 酶解温度对酶解效果的影响(图2、图3)
图2 酶解温度对酶解效果的影响
Fig.2 Effect of enzymolysis temperature on
enzymolysis efficiency
由图2可知,随着酶解温度的升高,还原糖产率逐
渐上升;酶解温度为45℃时达到最大值,之后迅速降
低。其原因可能是:酶解温度升高时,酶解液中活化分
子数增多,反应速度加快;但酶解温度升至一定程度
后,酶蛋白逐渐变性甚至失活,使反应速度降低甚至很
快结束。
图3 不同温度下葡萄糖产率随酶解时间的变化
Fig.3 Variation of glucose yield with
enzymolysis time at different temperatures
由图3可知,50℃和60℃下的葡萄糖产率从12
h起即保持几乎不变,即其反应在12h左右时即将近
结束。45℃下的葡萄糖终产率最高。
综合上述分析,选取适宜的酶解温度为45℃。
2.2.3 pH值对酶解效果的影响(图4)
由图4可知,酶解效果在pH值4.0~5.5之间较
好,这是由纤维素酶蛋白对pH值的敏感性所决定的,
其中pH值为4.8时酶解效果最好。因此,选取适宜
的pH值为4.8。
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图4 pH值对酶解效果的影响
Fig.4 Effect of pH value on enzymolysis efficiency
2.2.4 酶载量对酶解效果的影响(图5、图6)
图5 酶载量对酶解效果的影响
Fig.5 Effect of celulase loading amount on
enzymolysis efficiency
由图5可知,随着酶载量的增加,葡萄糖的产率明
显上升;当酶载量超过30FPU·g-1 DM后,葡萄糖的
升幅趋缓,最高葡萄糖产率约66.4%。当酶载量持续增
大时,酶解后底物的pH值急剧降低,不利于后期生产。
图6 不同酶载量下葡萄糖产率随酶解时间的变化
Fig.6 Variation of glucose yield with
enzymolysis time at different celulase loading amounts
由图6可知,当酶载量在40FPU·g-1 DM 和50
FPU·g-1 DM时,随着酶解的进行,葡萄糖产率开始
有起伏波动甚至出现下降的趋势。综合考虑酶解效果
和成本因素,选取适宜的酶载量为30FPU·g-1 DM。
通过单因素实验分析,确定青霉纤维素酶酶解芦
竹的最适条件为:酶解时间72h、酶解温度45℃、pH
值4.8、酶载量30FPU·g-1 DM,在此条件下,葡萄糖
产率为 (61.75±1.22)%、木糖产率为 (40.07±
6.88)%。
2.3 混合纤维素酶和商业酶酶解效果对比
2.3.1 外加木聚糖酶酶载量对酶解效果的影响(图
7)
图7 外加木聚糖酶酶载量对酶解效果的影响
Fig.7 Effect of xylanase loading amount on
enzymolysis efficiency
由图7可知,随着木聚糖酶酶载量的增加,还原糖
产率明显上升;木聚糖酶酶活为180IU·g-1 DM 时,
还原糖产率最高,此后葡萄糖产率略有下降,木糖产率
明显下降。最高的葡萄糖产率为69.82%、木糖产率
为60.50%,相对于单独青霉纤维素酶酶解的最高葡
萄糖产率62.97%和木糖产率46.95%,分别提高
6.85%和13.55%。
2.3.2 外加NS50010酶载量对酶解效果的影响(图8)
图8 外加NS50010酶载量对酶解效果的影响
Fig.8 Effect of NS50010loading amount on
enzymolysis efficiency
由图8可知,随着外加 NS50010酶载量的增加,
葡萄糖的产率逐渐上升、木糖产率迅速上升;当酶载量
为40CBU·g-1 DM 时,葡萄糖产率和木糖产率均达
到最高;此后再增加 NS50010酶载量,葡萄糖产率几
乎不变、木糖产率略有下降。最高的葡萄糖产率为
68.96%、木糖产率为98.16%,相对于单独青霉纤维
素酶酶解的最高葡萄糖产率62.97%和木糖产率
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46.95%,分别提高5.99%和51.21%。添加NS50010
时木糖产率显著提高,且高于添加木聚糖酶的效果,其
原因可能为:青霉纤维素酶中木聚糖酶酶活与滤纸酶
酶活比例已达到一定理想值,单独添加木聚糖酶提高
该比例只能一定程度上提高酶解效率;而青霉纤维素
酶中β-葡萄糖苷酶酶活与滤纸酶酶活比例较低,当添
加一定的NS50010提高该比例后,有效地提高了各酶
之间的协同作用,从而得到较好的酶解效果。
2.3.3 不同酶酶解效果对比(图9)
图9 不同酶的酶解效果对比
Fig.9 Comparison of enzymolysis efficiency
for different celulases
由图9可知,青霉纤维素酶加NS 50010至β-葡萄
糖苷酶40CBU·g-1 DM(酶系3)时木糖产率最高,为
98.16%,高于单独30FPU·g-1 DM NS50013(酶系
4)的84.88%。补加木聚糖酶(酶系2)或NS50010(酶
系3),均能提高葡萄糖产率,且接近商业酶 NS50013
单独酶解效果。故通过调节酶系中不同酶活比例,可
以达到较好的协同作用,并获得较好的酶解效果。
3 结论
(1)青霉纤维素酶酶解芦竹的最适条件为:酶解时
间72h、酶解温度45℃、pH值4.8、酶载量30FPU·
g-1 DM,在 此 条 件 下,葡 萄 糖 产 率 为 (61.75±
1.22)%、木糖产率为(40.07±6.88)%。
(2)通过添加不同商业酶如木聚糖酶、β-葡萄糖苷
酶,调节纤维素酶酶系中不同酶活比例,可一定程度上
提高酶解效率。当添加β-葡萄糖苷酶至40CBU·g
-1
DM时,葡萄糖产率达68.96%、木糖产率达98.16%。
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Research on Enzymolysis of Arundo Donax Using Crude Celulase fromPenicillium
YE Yan-ping1,2,ZHOU Yu-jie2,DING Yi-gang1,LIU Jing2,ZHANG Jian-an2
(1.Key Laboratory for Green Chemical Process of Ministry of Education,
Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430073,China;
2.Institute of Nuclear and New Energy Technology,Tsinghua University,Beijing100084,China)
Abstract:Arundo donax was enzymaticaly hydrolyzed by using crude celulase from Penicillium.The
effects of enzymolysis temperature,enzymolysis time,pH value and celulase loading amount on enzymolysis ef-
ficiency were discussed.The results indicated that the optimum enzymolysis conditions of Arundo donax were
as folows:enzymolysis time of 72h,enzymolysis temperature of 45℃,pH value of 4.8,celulase loading a-
mount of 30FPU·g-1 DM.Under these conditions,the glucose yield was(61.75±1.22)%,and the xylose
yield was(40.07±6.88)%.The sugar yields could be further increased with adding commercial celulase to ad-
just the proportion of different enzymes.The glucose yield reached 68.96%and xylose yield reached 98.16%
when theβ-glucosidase amount was increased to 40CBU·g
-1 DM.
Keywords:celulase;enzymatic hydrolysis;Arundo donax