玉米秸秆纤维素酶水解研究及响应曲面法优化

【摘要】： 农作物秸秆的主要有机成分半纤维素和纤维素经水解可转化为以木糖为主的五碳糖和以葡萄糖为主的六碳糖,获得的五碳糖和六碳糖是发酵工业和化学工业及其它工业部门的重要原料。因此,水解是秸秆资源利用的关键步骤。 本文选择秸秆资源中的玉米秸秆为代表物,对影响其纤维素酶水解的五个关键因素:酶浓度、底物浓度、温度、pH和反应时间进行了研究。在单因子实验的基础上,利用响应曲面法中的旋转中心组合设计对水解工艺进行了优化。建立了玉米秸秆酶水解的还原糖产量(因变量)与五个因素(自变量)的二次多项式回归模型,该模型高度显著,拟合优度良好。借助SAS软件对模型方程分析,得出优化的酶水解条件为:酶浓度57.50FPU/g底物,底物浓度64.72g/L,温度47.94℃,pH4.78,反应时间49.05h,此条件下还原糖产量46.34g/100g底物。与单因子实验得出的最佳水解条件相比,响应曲面优化后的酶水解条件酶浓度降低了2.5FPU/g底物,底物浓度提高了14.72g/L,反应时间缩短了22.95h,同时还原糖产量提高4.37个百分点。 为了进一步提高酶水解效率,对玉米秸秆进行了预处理,然后酶水解。选取可以有效水解半纤维素的稀酸预处理方法,以期达到后续酶水解的有利进行和玉米秸秆中半纤维素和纤维素的充分利用。以最大限度地水解半纤维素同时尽可能地保留纤维素为目的,确定了不同温度下玉米秸秆稀酸预处理的优化条件。80℃下稀酸预处理的优化条件为:硫酸浓度4.2%,反应时间177min;100℃下稀酸预处理的优化条件为:硫酸浓度2.4%,反应时间100min;121℃下稀酸预处理的优化条件为:硫酸浓度2%,反应时间43min。 选取120℃下的预处理样进行单因子实验并在此基础上,利用响应曲面法对三个不同温度下的预处理的玉米秸秆的酶水解进行了优化,分别建立了预处理后玉米秸秆酶水解的还原糖产量(因变量)与五个因素(自变量)的二次多项式回归模型,所得模型均高度显著,拟合优度良好。借助SAS软件对模型方程分析,分别得出三个不同温度下稀酸预处理后玉米秸秆优化的酶水解条件。 80℃下稀酸预处理后玉米秸秆酶水解的优化条件为:酶浓度22.33FPU/g底物,底物浓度76.46g/L,温度48.28℃,pH4.79,反应时间36.81h,此条件下还原糖产量38.21 g/100g底物。100℃下稀酸预处理后玉米秸秆酶水解的优化条件为:酶浓度22.24FPU/g底物,底物浓度78.68g/L,温度49.12℃,pH4.78,反应时间36.9h,此条件下还原糖产量40.84g/100g底物。121℃下稀酸预处理后玉米秸秆酶水解的优化条件为:酶浓度21.95FPU/g底物,底物浓度77.04g/L,温度48.93℃,pH4.78,反应时间37.72h,此条件下还原糖产量41.22 g/100g底物;与单因子实验得出的最佳水解条件相比,响应曲面优化后的酶水解条件酶浓度降低了3.05FPU/g底物,底物浓度提高了17.04g/L,反应时间缩短了22.28h,同时还原糖产量提高4.52个百分点。 100℃下玉米秸秆稀酸预处理,木糖的选择性较好;与直接酶水解相比,预处理后酶水解的玉米秸秆总糖产量提高7.03个百分点,增幅最大,而且与直接酶水解的优化条件相比,酶浓度降低了35.26FPU/g底物,底物浓度提高了13.96g/L,反应时间缩短了12.15h。121℃下玉米秸秆稀酸预处理,木糖的选择性最高;与直接酶水解相比,预处理后酶水解的玉米秸秆总糖产量提高6.11个百分点,而且与直接酶水解的优化条件相比,酶浓度降低了35.55FPU/g底物,底物浓度提高了12.32g/L,反应时间缩短了11.33h。80℃下玉米秸秆稀酸预处理,木糖的选择性较差;与直接酶水解相比,预处理后酶水解的玉米秸秆总糖产量没有明显提高,但与直接酶水解的优化条件相比,酶浓度降低了35.17FPU/g底物,底物浓度提高了11.74g/L,反应时间缩短了12.24h。研究表明稀酸预处理可以缩短后续酶水解的反应时间,减少酶用量,提高底物转化率。 本研究证明响应曲面法优化玉米秸秆纤维素酶水解和稀酸预处理后玉米秸秆酶水解工艺是合理有效、切实可行的,得到的优化条件有利于玉米秸秆的转化生产还原糖。 【关键词】：酶水解 稀硫酸预处理 纤维素 半纤维素 玉米秸秆 还原糖 旋转中心组合设计 响应曲面法
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TQ352
【目录】：

• 中文摘要2-4
• ABSTRACT4-10
• 前言10-12
• 第一章 文献综述12-25
• 1.1 木质纤维素资源及利用12
• 1.2 农作物秸秆的资源化现状12-16
• 1.2.1 农作物秸秆的性质12-13
• 1.2.2 农作物秸秆的资源化利用13-16
• 1.3 纤维素酶水解16-20
• 1.3.1 纤维素酶组分及水解机理16-17
• 1.3.2 影响纤维素酶水解的因素17-20
• 1.4 实验优化的数学方法20-23
• 1.4.1 多因子实验设计20-21
• 1.4.2 响应曲面优化21-23
• 1.5 本课题的研究目的及内容23-25
• 第二章 玉米秸秆纤维素酶水解25-42
• 2.1 实验原料及试剂25-26
• 2.1.1 实验原料25
• 2.1.2 试剂来源及规格25-26
• 2.2 实验仪器26
• 2.3 实验方法26-30
• 2.3.1 DNS 法测定酶活力的步骤26-29
• 2.3.2 纤维素酶水解方法29-30
• 2.4 玉米秸秆纤维素酶水解单因子实验研究30-33
• 2.4.1 酶浓度对玉米秸秆纤维素酶水解的影响30
• 2.4.2 底物浓度对玉米秸秆纤维素酶水解的影响30-31
• 2.4.3 温度对玉米秸秆纤维素酶水解的影响31
• 2.4.4 pH 对玉米秸秆纤维素酶水解的影响31-32
• 2.4.5 反应时间对玉米秸秆纤维素酶水解的影响32-33
• 2.5 玉米秸秆纤维素酶水解多因子实验研究33-40
• 2.5.1 多因子实验设计33-35
• 2.5.2 结果分析与响应曲面法优化35-40
• 2.6 本章小结40-42
• 第三章 玉米秸秆稀酸预处理纤维素酶水解42-69
• 3.1 实验原料及试剂42-43
• 3.1.1 实验原料42
• 3.1.2 试剂来源及规格42-43
• 3.2 实验仪器43
• 3.3 实验方法43-45
• 3.3.1 玉米秸秆稀酸预处理43-44
• 3.3.2 玉米秸秆稀酸预处理后纤维素酶水解44-45
• 3.4 玉米秸秆稀酸预处理条件的选择优化45-47
• 3.4.1 80℃下稀酸预处理条件的选择优化45-46
• 3.4.2 100℃下稀酸预处理条件的选择优化46-47
• 3.4.3 121℃下稀酸预处理条件的选择优化47
• 3.5 玉米秸秆稀酸预处理后纤维素酶水解单因子实验研究47-49
• 3.5.1 酶浓度对预处理后玉米秸秆纤维素酶水解的影响47
• 3.5.2 底物浓度对预处理后玉米秸秆纤维素酶水解的影响47-48
• 3.5.3 温度对预处理后玉米秸秆纤维素酶水解的影响48
• 3.5.4 pH 对预处理后玉米秸秆纤维素酶水解的影响48-49
• 3.5.5 反应时间对预处理后玉米秸秆纤维素酶水解的影响49
• 3.6 玉米秸秆稀酸预处理后纤维素酶水解多因子实验研究49-66
• 3.6.1 多因子实验设计49-50
• 3.6.2 80℃下稀酸预处理后酶水解结果分析与响应曲面法优化50-55
• 3.6.3 100℃下稀酸预处理后酶水解结果分析与响应曲面法优化55-61
• 3.6.4 121℃下稀酸预处理后酶水解结果分析与响应曲面法优化61-66
• 3.7 本章小结66-67
• 3.8 对比分析67-69
• 第四章 结论69-71
• 4.1 本文的创新点69
• 4.2 主要结论69-71
• 参考文献71-76
• 发表论文和科研情况说明76-77
• 附录77-83
• 致谢83

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