纤维素酶高效糖化纤维素的催化反应动力学及其工艺研究

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众所周知,由于其对环境友好和成本低的原因,生物转化木质纤维素材料为生物燃料是引人注目的。然而,由于木质纤维素材料高度的木质化和结晶结构,人们难以有效地对其进行酶法水解。为了使纤维素材料更容易进行酶水解,需要一个有效的预处理来软化其强硬的纤维素结晶度的组装结构并且增加纤维素的孔隙率。预处理的方法有很多。近些年来,N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)作为纤维素溶剂引起了广泛的重视。由于其N-O键的高极性,NMMO能够溶解纤维素,它打破了纤维素的氢键网络,并与纤维素形成了新的氢键。然而,在NMMO的存在下,纤维素酶的活性可能被抑制,由于NMMO中N-O键的高极性。本研究的目的是评价在水-NMMO介质中新分离菌株产生的纤维素酶高效糖化天然纤维素原料。对NMMO预处理纤维素的条件进行优化研究。而且,经NMMO预处理后的甘蔗渣酶法水解以后获得的可发酵的水解产物,用乙醇生产菌株酿酒酵母进行还原糖发酵验证实验。本研究在常规筛选方法的基础上,利用在富集培养基中加入10g/LNMMO,从土壤中筛选获得一株耐NMMO的高活性纤维素酶菌株Galactomyces sp. CCZU11-1。经研究,最适产酶培养条件为:碳源为甘蔗渣(5.0g/L),氮源为(NH4)2SO(45.0g/L),表面活性剂为Tween-80(8.0g/L),培养温度为30℃,初始培养pH为5.5。在此条件下菌株培养7d后,FPA及CMCase分别为13.5IU/mL和24.6IU/mL。通过对菌株Galactomyces sp. CCZU11-1进行发酵培养,对获得的纤维素酶进行最适底物的优化,通过测定和比较纤维素酶粉对甘蔗渣和枫树的Km值和Vm值,可以得出最适底物为甘蔗渣。优化了NMMO预处理纤维素条件:NMMO的含量为85%(w/v),最适的预处理温度为85℃,最适的预处理时间为35min,反应体系中NMMO的含量为17%(w/v),纤维素浓度为2mg/mL,纤维素酶浓度为2.5mg/mL。NMMO预处理纤维素原料的糖化,表明NMMO预处理对增加纤维素材料的水解率是非常有效的,并且来自于Galactomyces sp. CCZU11-1的纤维素酶具有高活性。在培养体系和反应体系中都含有25%(w/v)的NMMO的情况下,来自于Galactomyces sp. CCZU11-1的纤维素酶仍具有良好的活性。甘蔗渣的水解产物对酿酒酵母的发酵不造成负面的影响。总之,Galactomyces sp.CCZU11-1作为高效耐NMMO纤维素酶的生产菌株,在高效糖化纤维素原料中有着潜在的应用。
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