表面活性劑在廢木質(zhì)纖維素制酒精中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、針對木質(zhì)纖維素資源生物轉(zhuǎn)化制取酒精技術(shù)實用化的一個主要的障礙——纖維素酶活性不高、生產(chǎn)成本過高而導(dǎo)致其應(yīng)用仍受到限制的問題，本研究首次將由微生物產(chǎn)生的生物表面活性劑鼠李糖脂用于木質(zhì)纖維素原料制取酒精的幾個主要環(huán)節(jié)，即液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶、纖維素酶法水解及同步糖化發(fā)酵制酒精的過程，目的是為了促進微生物產(chǎn)酶，并進一步提高酶活，從而提高木質(zhì)纖維素的水解效率和酒精的轉(zhuǎn)化率，并降低成本。同時與化學(xué)合成的非離子表面活性劑。Tween 80

2、作了比較。 在液態(tài)發(fā)酵過程中，加入少量的鼠李糖脂和Tween 80就能對綠色木霉的產(chǎn)酶起到促進作用，尤其在產(chǎn)酶高峰期。添加鼠李糖脂分別使濾紙酶活(FPA)、羧甲基纖維素酶活(CMC酶活)、微晶纖維素酶活最大提高了1.08倍，1.6倍和1.03倍。添加Tween 80也能使酶活增大，效果略遜于鼠李糖脂，并且測得的酶活值整體上均比添加鼠李糖脂的樣低。與Tween 80相比，加入鼠李糖脂使溶液的表面張力降得更低，并且在整個發(fā)酵過程中都

3、將發(fā)酵液的表面張力保持在較低的水平，說明鼠李糖脂不會作為優(yōu)先降解對象被過早降解，可以在整個發(fā)酵過程中發(fā)揮作用。 固態(tài)發(fā)酵過程中添加不同濃度的鼠李糖脂對綠色木霉所產(chǎn)的纖維素酶活和木聚糖酶活有不同程度的促進作用。對纖維素酶系中的三種主要成分，綠色木霉所產(chǎn)的CMC酶活最高，但是表面活性劑對其的影響最小。鼠李糖脂和Tween 80對微晶纖維素酶和纖維二糖酶的促進作用較為明顯。另外，與對纖維素酶的影響不同，兩種表面活性劑在產(chǎn)酶高峰期對木聚

4、糖酶的影響就很明顯。 在纖維素酶促水解的過程中，探討了添加不同濃度的鼠李糖脂和Tween 80對稻草酶解過程的糖產(chǎn)率、酶穩(wěn)定性、以及對動力學(xué)特征和酶在纖維素上吸附的影響。另外，還采用熒光探針法，以芘為熒光探針，研究了表面活性劑和纖維素酶之間的相互作用。結(jié)果表明，表面活性劑有利于增強酶的穩(wěn)定性，能不同程度地提高反應(yīng)過程的CMC酶活和FPA，而且對FPA的作用效果更好。加入表面活性劑能提高酶促反應(yīng)的最大速度和米氏常數(shù)，降低了底物與酶

5、的親和力，提高了纖維素酶的利用效率。表面活性劑能顯著減少酶在纖維素上的吸附，從而降低無效吸附酶的數(shù)量，增加游離酶與纖維素反應(yīng)，同時也使纖維素酶更易于回收。另外，通過采用芘作為熒光探針，研究了表面活性劑和纖維素酶之間的作用關(guān)系。纖維素酶分子與表面活性劑分子之間有較強的作用力，從而有利于表面活性劑膠團的形成。和鼠李糖脂相比，Tween 80和纖維素酶之間的作用力相對較小，但隨著Tween 80的濃度的增大，它和纖維素酶之間的作用力越來越大，

6、尤其在濃度超過臨界膠束濃度時。研究在同步糖化發(fā)酵反應(yīng)條件最優(yōu)的條件下添加表面活性劑的影響，因此，采用響應(yīng)面法中的中心組合設(shè)計來對實驗條件進行優(yōu)化，得到影響同步糖化發(fā)酵進行的主要的四個影響因子的最優(yōu)組合：酶用量為25FPU/gds，底物濃度為2.5％，pH為5.3，反應(yīng)溫度為39℃，其影響顯著性為：酶用量>底物濃度>反應(yīng)溫度>pH值。在此條件下，酒精轉(zhuǎn)化率的最大值為78.83％。對得到的回歸方程進行方差分析，結(jié)果顯示方程擬合度高，說明這個

7、實驗方法是可靠的。 最后將兩種表面活性劑應(yīng)用在同步糖化發(fā)酵纖維素制酒精的過程中，驗證了表面活性劑同樣能在同步糖化發(fā)酵這個復(fù)雜的反應(yīng)體系中起到促進作用。結(jié)果顯示在反應(yīng)的最優(yōu)條件下，分別添加不同濃度的鼠李糖脂和Tween 80，酒精的轉(zhuǎn)化率均有不同程度的提高。提高最大的是反應(yīng)進行到第72h時，添加lcmc(臨界膠束濃度，critical micelle concentration簡寫為cmc)鼠李糖脂和。rween 80，酒精轉(zhuǎn)化率

8、分別達到84.8％和91.7％，比對照樣提高了12.2％和21.3％。 總之，鼠李糖脂和Tween 80都能提高綠色木霉所產(chǎn)的纖維素酶和木聚糖酶的活性，有利于增強酶的穩(wěn)定性，降低酶和底物的親和力，減少酶在底物上的無效吸附，提高纖維素酶的利用率。應(yīng)用在同步糖化發(fā)酵過程中，添加表面活性劑在最優(yōu)的實驗條件下仍然能進一步提高酒精的轉(zhuǎn)化率。生物表面活性劑與化學(xué)表面活性劑相比具有一些特殊的優(yōu)點，因此將生物表面活性劑應(yīng)用于酶的生產(chǎn)及木質(zhì)纖維素