玉米秸秆中不同木质素脱除方法对纤维素酶吸附及酶解效果的比较

利用不同预处理方法获得的玉米秸秆底物研究木质素脱除对纤维素酶吸附量及酶解效率的影响。相比于其他处理方法,2%(质量分数)NaOH处理的底物具有最高的木质素脱除率(85%),最高的底物可及性[4.7 mg·(g 葡聚糖) ^-1]及酶解效率(18.9%)。通过对不同处理获得的底物进行Langmuir吸附等温曲线模拟,获得了最大吸附量(W_max)与吸附平衡常数(K),且木质纤维素酶水解效率与纤维素酶吸附量具有很好的线性关系(R²>0.8),表明脱除木质素能很好地提高底物可及性与酶解效率。然而,提高NaOH浓度(3%,4%)进一步脱除木质素时,底物可及性与碳水化合物转化为单糖的效率反而明显下降。因此,适当脱除木质素而提高底物对纤维素酶的可及性将有助于获得更有效的酶水解效果。     

木质素对蔗渣酶水解的影响

采用机械活化方法对蔗渣进行处理,研究在原料可及性变化时木质素对蔗渣酶解的影响,用牛血清蛋白（BSA）预先使原料中木质素吸附饱和的方法来测定木质素对酶的吸附情况、用X-射线衍射和扫描电镜来测定蔗渣结晶结构、表面形态来表征原料可及性,从而分析影响的可能机制。结果表明木质素对蔗渣酶水解的影响与蔗渣可及性有关,原料可及性越高,影响越小。当蔗渣可及性相对较低时,此时木质素影响蔗渣酶水解转化率的两种方式（木质素与纤维素、半纤维素组成的致密结构限制纤维素对酶的可及性及木质素对纤维素酶的无效吸附作用）同时存在。当原料的可及性增加到一定程度后（如机械活化2h的蔗渣）,木质素对纤维素酶的吸附作用几乎消除,木质素对蔗渣酶水解的影响主要表现为对酶的可及性的限制。     

亚硫酸钠预处理提高稻草酶水解糖化效率的研究

研究了亚硫酸钠预处理对稻草化学组分变化及酶水解性能的影响。结果表明,提高温度或增加Na2SO3用量可以脱除更多的木质素和半纤维素,酶水解效率也相应提高,但木质素脱除率达到50%以后,继续增强预处理条件,对酶水解糖得率无显著的促进作用。相比而言,加大Na2SO3用量更有利于使木质素溶出,提高温度更有利于使高聚糖溶出,加大Na2SO3用量比提高温度对酶水解效率的提高影响更显著。通过实验得到亚硫酸钠预处理稻草的最优条件,在温度为140℃,Na2SO3用量为16%,纤维素酶用量为20 FPU/g(对纤维素)时,总糖转化率达到最大,为74.9%,此时的总糖得率为43.5%。     

木质纤维素预处理技术研究进展

木质纤维素转化燃料乙醇一般需要经过原料预处理、酶水解和发酵过程。由于木质纤维原料化学结构复杂、直接酶解效率非常低,一般在酶水解之前需要进行适当的预处理以打破其致密结构,增加纤维表面积,提高后续纤维素酶的可及性。预处理程度直接影响纤维底物后续酶水解的效果。本文在木质纤维素常用预处理技术分析的基础上,重点讨论了3种相对高效的预处理技术：微波辅助离子液体预处理、两阶段深度共熔溶剂（DES）预处理和氯化铁预处理技术,分析了它们的优势、不足及发展现状。文中指出微波辅助离子液体预处理可有效解构木质素和半纤维素,破坏纤维素结晶区域,利于后续酶解,但微波加热过程会使离子液体分解和部分底物碳化。两阶段DES预处理可有效提高酶水解效率,但是预处理后原料中残留的DES可能会对后续反应中纤维素酶和微生物产生抑制作用。氯化铁预处理可有效破坏木质素与碳水化合物间的结合键,脱除底物中的半纤维素,而对木质素和纤维素降解较少,具有很好的发展前景。由于单一预处理技术的局限性,寻求低成本高效的联合预处理技术将是未来重点发展的方向。     

半纤维素酶添加对碱处理甘蔗渣结构及酶解的影响

半纤维素作为木质纤维素的重要组分之一,通过氢键与纤维素的微纤丝结合,严重阻碍了纤维素表面与纤维素酶的接触,降低了酶解的效率。该试验以碱处理甘蔗渣作为底物,通过添加不同量的半纤维素酶去除不同比例的半纤维素。通过成分分析、X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)等手段分析添加半纤维素酶前后残渣的结构和酶解特性变化,发现随着半纤维素酶添加量的增大,残渣中木质素所占的比例逐渐增大,结晶指数逐渐增大,电镜表面沟壑逐渐加深,纤维束之间结构变得疏松。以半纤维素酶处理过的甘蔗渣作为底物,按照5FPU/g底物加入纤维素酶水解72h,与不添加半纤维素酶对照组相比,添加1600U/g半纤维素酶处理的试验组木聚糖的转化率提高了74.24%,葡聚糖转化率提高了35.30%。通过半纤维素酶添加可以有效促进纤维素酶解过程的进行,节约反应时间提高酶解转化率。     

两种木质素对纤维素酶水解的影响机制

为探究木质素对纤维素酶水解效率的影响,将苦竹中提取的乙醇木质素（EOL-B）和磨木木质素（MWL-B）作为模型物添加到微晶纤维素中进行酶吸附和水解。结果表明：添加8 g/L MWL-B使得反应72 h的葡萄糖得率从51.34%降低到46.06%;添加8 g/L EOL-B使得反应72 h葡萄糖得率从51.34%增加到61.06%。与MWL-B相比,EOL-B与纤维素酶蛋白之间亲和力和结合力较低,故纤维素酶在EOL-B上的非特异吸附更少。FT-IR和¹³C NMR分析表明：经乙醇处理后,木质素分子中C-C凝缩单元减少,β-O-4'键断裂,导致木质素分子的亲水性增加,阻断了与纤维素酶蛋白疏水性氨基酸的结合,对纤维素酶蛋白吸附量减少,从而使得纤维底物周围的酶蛋白浓度增加,水解率提高。     

醇酸体系分离木质素对酶解性能的影响

为提高生物质纤维素酶解性能,采用乙二醇耦合对甲基苯磺酸(EG-PTSA)法对玉米秸秆进行预处理,考察了温度、对甲基苯磺酸(PTSA)质量分数、反应时间对酶解性能的影响,并通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)对预处理前后的样品进行表征分析。结果表明:在对甲基苯磺酸质量分数2.0%、100℃、60 min下,木质素脱除率为83.2%,纤维素保留率为83.5%;同时,酶解纤维素的葡聚糖产率从23.8%提高至71.4%(5 FPU/g),比原始玉米秸秆的酶解效率(23.8%)高出近3倍。SEM、XRD和FTIR分析表明,玉米秸秆经EG-PTSA预处理后,木质素、半纤维素大量脱除打破了秸秆纤维素致密结构,增加了纤维素酶的可及性,提高了酶解性能,是一种简单、高效且有前景的预处理方法。     

碱-氧-蒽醌蒸煮法制取麦草浆纤维素的酶解

用碱-氧-蒽醌蒸煮麦草所得纤维素为原料,研究了纤维素酶解的影响因素.结果表明:预处理后的麦草纤维素,其木质素含量较低,而酶解率和木质素脱除率均较高,在45～50℃、pH为4.4、底物与酶量之比为1:0.02、反应时间为30h、转速为100r/min时,可获得较理想的酶解率和木质素脱除率,二者分别可达74.5%和19.2%.     

离子及表面活性剂对甜高粱秆渣酶解的影响

为了提高纤维素酶水解经高温液态水处理后的甜高粱秆渣的效率,探讨了多种阴离子、阳离子以及吐温80(Tween 80)对纤维素酶活力的影响,并初步探讨了Tween 80影响甜高粱秆渣酶解的机制。酶激活试验表明,Br^-、I^-、NO₃^-、Ca²⁺、Mg²⁺和Co²⁺对纤维素酶有激活作用,但对甜高粱秆渣的水解效率提高不明显。添加Tween 80发现,随着浓度的增加,它对纤维素酶的抑制作用增强,而Tween 80添加量为0.175 ml·(g甜高粱秆渣)^-1时,甜高粱秆渣的酶解效率由16.6%提高到37.9%。吸附试验表明,甜高粱秆渣对纤维素酶和Tween 80的吸附达到一定限度后不再上升,Tween 80能显著降低甜高粱秆渣对纤维素酶的吸附。红外光谱分析发现,木质素对Tween 80的吸附要强于它对纤维素酶的吸附。     

醋酸预水解对稻草化学成分及酶水解性能的影响

研究了醋酸预处理对稻草主要化学成分及酶水解糖化效率的影响。在160℃下以不同的醋酸用量(0～4%)对稻草进行处理,预处理后稻草的Klason木质素含量基本保持不变,约60%的酸溶木质素被脱除;灰分含量(质量分数)约下降30%,灰分中SiO2则几乎全部保留在预处理浆料中。预处理醋酸用量的增加对酸溶木质素和灰分含量的变化均无显著影响。预处理后高聚糖的降解程度随醋酸用量的增加而上升,其中半纤维素的降解程度尤为显著,阿拉伯聚糖、半乳聚糖大量溶出。对经醋酸预处理稻草的酶水解研究表明,预处理中醋酸用量的增加无助于酶水解液中还原糖得率的提高。稻草于160℃下经不添加醋酸的自水解预处理后,其酶解还原糖得率均高于经醋酸预处理的稻草,当纤维素酶用量为40 FPU/g(对底物)时,稻草中高聚糖的酶水解转化效率最高,葡聚糖、木聚糖的转化率分别为67.8%和45.3%,总糖转化率为58.8%。     

两段碳酸钠―氧预处理提高麦草酶水解糖化性能的研究

探讨了不同Na2CO3用量下两段碳酸钠―氧(Na2CO3-O2)预处理对麦草化学成分及酶水解效率的影响。Na2CO3-O2预处理麦草浆料得率随Na2CO3用量增大而下降,木质素脱除率随之增加。预处理后废液的pH值约为9,可有效避免碳水化合物的碱性水解和二次剥皮反应,保持较高的预处理浆料得率。预处理后浆料经过由纤维素酶、木聚糖酶和β-纤维二糖酶组合而成的混合酶水解,当预处理Na2CO3用量(以Na2O计)从12%增至18%时,预处理浆料总糖得率的增加较为显著。经20 PFU/g纤维素酶水解48 h后,总用碱量为18%的两段Na2CO3-O2预处理浆料的酶水解总糖得率为40.8%,总糖转化率为67.0%。     

NaOH/AQ预处理对玉米秸秆脱木质素及酶解性能的影响

对玉米秸秆进行氢氧化钠/蒽醌（NaOH/AQ）去木质化预处理,考察了预处理温度、时间和NaOH用量对玉米秸秆脱木质素程度的影响,并探讨了脱木质素程度对提高预处理后物料酶解性能的影响。L₉（3⁴）正交试验得出较适宜预处理工艺条件为：温度160℃,时间60 min,NaOH用量（以绝干原料质量计）2.8%;其他条件为AQ用量0.05%,固液比1：5（g：mL）,此时木质素脱除率为75%,酶解后聚糖转化率达到73.79%。随着物料脱木质素程度的提高,其酶解效率相应增加;当木质素脱除率达到一定程度后,预处理后的聚糖转化率达到最大值,继续提高木质素脱除率,聚糖转化率反而降低。响应面优化的酶水解工艺条件为纤维素酶用量30 FPU/g,β-葡萄糖苷酶10 IU/g,反应时间72 h,温度50℃,底物质量分数2.5%,此时还原糖得率为85.62%。对酶解液进行HPLC分析,酶解液中的葡萄糖质量浓度为14.83 g/L,木糖质量浓度为4.83 g/L。XRD分析显示,预处理前后纤维素的晶型没有变化,而结晶度由31.40%提高至46.91%,表明物料中木质素和半纤维素发生了不同程度的溶出。     

碱一氧一蒽醌蒸煮法制取麦草浆纤维素的酶解

用碱一氧一蒽醌蒸煮麦草所得纤维素为原料,研究了纤维素酶解的影响因素．结果表明：预处理后的麦草纤维素,其木质素含量较低,而酶解率和木质素脱除率均较高,在４５～５０℃、 ｐＨ为 ４．４、底物与酶量之比为１：０．０２、反应时间为 ３０ ｈ、转速为 １００ ｒ／ｍｉｎ时,可获得较理想的酶解率和木质素脱除率,二者分别可达７４．５％和１９．２％     

木薯渣超低酸预处理后的酶水解及乙醇发酵

为提高木薯渣的酶解糖化效率,降低原料处理成本,采用超低酸(ULA)对木薯渣进行预处理,并对预处理后的木薯残渣(CR_(ULA))进行纤维素酶酶解糖化,同时探究木薯残渣附着酶的再利用以及回用过程抑制物的累积对发酵产乙醇的影响。结果表明,CR_(ULA)采用70 FPU/g_(底物)纤维素酶水解12 h后,获得47.22 g/L葡萄糖和60.61 g/L总糖。附着于CR_(ULA)上的纤维素酶循环利用5次,纤维素酶添加量从70 FPU/g_(底物)(RUN 1)下降到42 FPU/g_(底物)(RUN 5),节省了40%的新鲜酶,RUN 5的葡萄糖和总糖浓度分别为48.00 g/L和60.92 g/L。RUN 1和RUN 5的酶解液分别用于乙醇发酵,得到乙醇浓度和得率分别为21.67 g/L和0.46 g/g_(葡萄糖)、21.52 g/L和0.45 g/g_(葡萄糖),与葡萄糖培养基所得结果接近。附着酶再利用过程中抑制物乙酸、5-HMF和糠醛浓度有累积增加,而甲酸无明显的变化。由物料衡算可知,木薯渣经ULA预处理及酶水解后,葡萄糖得率为80.64%,乙醇产率为13.84%。     

竹浆分批加酶工艺对长时间纤维素酶解性能的影响

优化纤维素酶水解工艺对于纤维素的高效利用具有重要意义。实验在保证纤维素酶相同的添加量时,采用多种方式分批添加纤维素酶水解竹浆,在长时间(7 d)的酶解过程中测定每天还原性糖产量,最后对长时间酶解过程中的影响因素进行了探究。实验结果表明:采用(0.35 mL+0.15 mL+0.1mL)添加工艺提高了酶解效率,酶解7d后糖产量提高了4.36%;纤维素酶随着培育时间的进行活性不断减小,培育1 d后的酶活性仅为原酶活性的53.87%;酶解糖产量随葡萄糖浓度的增加而降低,当葡萄糖浓度为30 mg/mL时,糖产量较无葡萄糖实验组降低了30.7%。酶解过程中酶活的丧失以及底物的抑制可能是影响纤维素酶长时间水解过程中的重要因素。     

碳酸钠预处理对麦草酶水解糖化的影响

麦草是一种具有很大潜力的制取生物乙醇的可再生木质纤维素原料。文章探讨了碳酸钠预处理预浸时间、保温时间、碳酸钠用量对麦草化学成分及酶水解效率的影响。结果表明,延长碳酸钠预处理保温时间对木质素脱除无明显影响,但浆料得率和酶水解总糖转化率有所下降;合理的预浸时间为30 min,继续延长预浸时间对预处理浆料酶水解总糖转化率无促进作用;增加预处理Na2CO3用量有助于促进木质素的脱除,大部分碳水化合物保留在浆料中。在8% Na2CO3(Na2O计)用量下,麦草于80℃预浸30 min后升温至130℃,不保温所得到的浆料在纤维素酶用量为20 FPU/g(对纤维素)时,其总糖转化率为60%。     

纤维素可及性对木质纤维酶水解影响的研究进展

纤维素的可及性是纤维原料中与纤维素酶结合且能够被酶处理的结合位点量,与纤维原料中的粒径和孔隙度有关,纤维素的可及性是影响纤维素酶水解的关键因素。综述了当前纤维素可及性的测定方法,包括氮吸附法、水银压入法、溶质排斥法、蛋白质吸附法、Simons法等,总结了通过提高纤维素可及性来实现高效生物转化的预处理技术,并给出当前生物乙醇转化的可能研究方向。     

提高麦草可酶解性的常压甘油自催化预处理

针对小分子有机溶剂预处理时存在的缺陷,尝试高沸点甘油预处理木质纤维素以提高其可酶解性的研究。通过对预处理时一些关键参数进行初步优化,获得适宜预处理条件为:质量分数70%甘油溶液、液固比(麦草与甘油水溶液的质量比)20、蒸煮温度230℃和保温1 h;麦草纤维素保留率约92%,木质素脱除率达74%;常压甘油自催化预处理麦草在纤维素酶5FPU/g干底物时4,8 h纤维素酶解转化率为41.3%。结合电镜观察和红外光谱分析,初步认为常压甘油自催化预处理通过脱除木质纤维素原料中不利于纤维素酶解的组分及打破其致密不均一结构,从而提高了木质纤维素的可酶解性。     

碱性过氧化氢预处理小麦秸秆强化酶解产糖的研究

采用碱性过氧化氢对小麦秸秆进行预处理以提高其酶解效率。分别研究了过氧化氢浓度、预处理温度、预处理时间对麦秆化学成分及酶解产糖效率的影响,确定出最佳预处理条件为:Na OH质量分数为2.0%碱性环境,H_2O_2质量分数为2.0%,30℃处理24小时。经过处理的样品中纤维素含量为50.43%,纤维素保留率为89.52%,木质素脱除率为48.66%,半纤维素脱除率为41.81%,经预处理的样品酶解率达94.18%。此外,对预处理后的样品进行了SEM和FT-IR表征,分析预处理对原料形貌及官能团变化的影响。     

非离子表面活性剂对木质纤维素酶解的促进作用

纤维素酶单位酶活力较低、酶用量较高及酶自身易失活等因素依然是木质纤维素工业生产能源和生物基产品的瓶颈性问题。本文尝试在木质纤维素基质水解时添加一些非离子型表面活性剂以减少纤维素酶用量,并对这些非离子型表面活性剂促进酶解效率提高的原因进行了初步探讨。研究发现,添加非离子性表面活性剂能提高木质纤维素的酶解,添加浓度为0.05 g/g底物,常压甘油自催化预处理麦草经过添加两种非离子表面活性剂Tween-80和PEG 6000后葡萄糖产量分别可提高20%左右;非离子表面活性剂对不含木质素的原料酶解产糖也有较大的提高,以滤纸为底物时葡萄糖产量提高近90%,以微晶纤维素为底物时分别提高70%以上;添加非离子表面活性剂使得酶解体系中扩散系数k升高,异相反应效率提高,酶促反应动力学Km值明显减小,显著提高底物对纤维素酶的亲和力。