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。     

1-十六烷基吡啶氯盐对纯纤维素酶解糖化的影响

以纯纤维素为底物,考察了阳离子表面活性剂1-十六烷基吡啶氯盐对纯纤维素酶解糖化的优化条件及其对体系酶活和酶动力学的影响。结果表明:当酶量为10 FPU/g,底物质量分数为1.25%,1-十六烷基吡啶氯盐质量浓度为5 g/L,反应时间为12 h时,纤维素平均转化率为59.91%,比不添加表面活性剂的空白样转化率提高了20.79%。1-十六烷基吡啶氯盐的加入,提高了酶解反应的最大反应速率和米氏常数,其中,最大反应速率提高了58.22%,米氏常数提高了101.42%。相对酶活提高率随时间呈现先升高后降低的规律,在24 h时,相对酶活提高率最高值达53.18%。     

玉米芯氨水预处理及酶解工艺研究

为有效提高木质纤维素酶解转化率,文中以玉米芯为研究对象,在常压中温下采用氨水浸泡工艺处理原料,考察了预处理条件对木质素脱除率和纤维素、半纤维素酶解转化率的影响规律。确定了最适预处理条件:氨水质量分数为15%、固液质量体积比为1∶6 g/mL、反应温度为60℃和预处理时间为12 h。该条件下纤维素、半纤维素回收率和木质素脱除率分别为94.5%,86.7%和48.1%;在每g葡聚糖加入30 FPU纤维素酶和60 CBUβ-葡萄糖苷酶条件下,酶解24 h后纤维素和半纤维素酶解转化率分别可达83.0%和81.6%。     

碱性过氧化氢预处理对稻草秸秆酶解的影响

木质纤维素生物转化的关键是预处理和酶解,为了提高木质纤维素的生物转化效率,在温和条件下对稻草秸秆进行弱碱性过氧化氢处理。研究了稻草秸秆处理固液比、过氧化氢和纤维素酶添加量对酶解糖化的影响,结果表明:稻草秸秆固液比为800 g/L,过氧化氢添加量为0.125 g/g,酶解时纤维素酶浓度25 FPU/g底物为较好,红外分析表明稻草秸秆处理后,秸秆纤维素的结晶度和木质素含量都有所下降,促进了生物转化后续过程中的酶解糖化。     

1-十六烷基吡啶氯盐对纯纤维素酶解糖化的影响

研究了阳离子表面活性剂1-十六烷基吡啶氯盐对纯纤维素酶解糖化的优化条件及对体系酶活和酶动力学的影响。结果表明：1-十六烷基吡啶氯盐提高纯纤维素酶解的最佳条件为酶量10FPU/g,底物质量分数 1.25%,表面活性剂质量浓度5g/L,反应时间12 h。纤维素平均转化率为59.91%,比无添加表面活性剂的酶解纤维素转化率39.12%提高了20.79%。1-十六烷基吡啶氯盐的加入,提高了酶解反应的最大反应速度和米氏常数,最大反应速度提高了58.22%,米氏常数提高了1.01倍。相对酶活提高率随时间呈现先升高后降低的规律,相对酶活提高率最高值出现在24h处,且相对酶活提高最高达53.18%。     

响应面法优化水/醇处理后汽爆玉米秸秆酶解

为了提高水/醇处理后汽爆玉米秸秆的酶解还原糖产率,对其酶解条件进行了优化。通过响应面优化法确定了底物质量浓度为53.28 g/L,纤维素酶用量为53.32 FPU/g,酶解时间为60.45 h时,还原糖产率可达672.36mg/g,与秸秆物料及汽爆后物料相比,酶解还原糖产率分别提高了170.46%和28.97%。化学组分及结构形貌分析表明,汽爆水/醇处理后物料纤维素含量显著增加,物料相对结晶度增高,其结构更有利于纤维素酶分子的吸附。     

表面活性剂耦合离子液体对稻秆酶解糖化的影响

酶解糖化是木质纤维素材料制备生物质乙醇的关键环节,因此提高稻秆等木质纤维素材料的酶解糖化效率具有重要意义。以稻秆为原料,采用表面活性剂耦合离子液体为预处理方法,考察预处理温度、时间、表面活性剂的添加比例对稻秆酶解的影响。结果表明,预处理温度为110℃、时间为60 min、表面活性剂添加比例为1%,稻秆的酶解效果最佳,与单独离子液体处理的稻秆相比,纤维转化率可提高8%～15%。同时分别通过稻秆成分分析、FTIR、XRD、SEM等对预处理前后的稻秆结构进行表征,证实预处理后酶解效率提高的合理性。     

响应面法优化水/醇处理后汽爆玉米秸秆酶解的研究

为了提高水/醇处理后汽爆玉米秸秆的酶解还原糖产率,对其酶解条件进行了优化。通过响应面优化法确定了底物浓度为53.28g/L,纤维素酶用量为53.32FPU/g,酶解时间为60.45h时,还原糖产率可达672.36mg/g,与秸秆物料及汽爆后物料相比,酶解还原糖产率分别提高了179.21%和37.29%。化学组分及结构形貌分析表明：水/醇处理后物料纤维素含量显著增加,X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)结果表明经过水/醇处理后物料相对结晶度增高,但结构更有利于纤维素酶分子的吸附。     

粗纤维素酶液对微晶纤维素酶解的影响因素

栗生灰黑孔菌多被用于产漆酶的研究,很少有利用其纤维素酶的报道。为了降低在纤维素水解中纤维素酶的使用成本,利用栗生灰黑孔菌发酵制备的粗纤维素酶液,以微晶纤维素为底物模型,研究粗纤维素酶液水解微晶纤维素的最佳pH、温度和最佳表面活性剂助剂种类及浓度,并对不同表面活性剂存在条件下的纤维素酶解动力学、紫外和荧光光谱进行了研究。结果表明,粗纤维素酶水解微晶纤维素的最佳条件为pH 4.8,温度50℃,最佳表面活性剂助剂为吐温80,添加剂量为1.12mg/g底物;吐温80的添加可提高粗纤维素酶解的最大反应速度常数V_max,降低米氏常数K_m;表面活性剂改变了纤维素酶的紫外和荧光最大吸收峰,酰胺Ⅰ带和酰胺Ⅲ带的谱峰,可能通过与纤维素酶中的氨基酸残基发生反应影响了纤维素酶的结构,进而影响了微晶纤维素的水解反应。该研究为进一步降低纤维素水解成本提供了理论指导。     

蔗渣酶法水解在非缓冲溶剂体系中的反应机理探讨

通过测定蔗渣酶法水解在水系介质中的反应过程的pH随各种反应条件的变化,探讨了酶解液的各种特性,并测定了甘蔗渣、纤维素及纤维素酶相互作用的红外图谱。通过分析认为,纤维素在酶水解过程中,纤维素和纤维素酶相互作用形成了中间产物,使纤维素酶的立体构象发生变化而放出H^ ,使酶解液的pH发生变化,并形成了一种微弱的缓冲体系,致使甘蔗渣酶解反应在采用普通纯水代替缓冲液时,酶解反应的还原糖得率不变。     

玉米秸秆半纤维素制备木糖醇的研究

首先采用无污染的碱性过氧化氢法研究了半纤维素的分离与提取,然后对提取的半纤维素分别进行化学水解和酶水解比较,最后研究了水解液发酵制备木糖醇。结果表明,半纤维素分离提取的优化参数为:2%过氧化氢,2%氢氧化钠,加热时间4 h,反应温度75℃。使用CF3COOH水解半纤维素所得木糖含量为67%~73%,水解率为76%~84%,稀盐酸预处理半纤维素再化学水解所得木糖含量高达88%,水解率上升至大约90%。半纤维素的酶水解实验表明,木聚糖酶的水解专一性高于半纤维素酶,木聚糖酶水解率为38%~60%。在水解液发酵实验中,酶水解液的木糖醇转化率高于化学水解液。另外,通过浓缩半纤维素水解液,提高发酵液的木糖初始浓度,有利于菌株生长,可以提高木糖醇转化率。研究对于玉米秸秆半纤维素制备化学品具有一定的指导意义。     

过氧化氢-乙酸联合预处理对甘蔗渣酶解和发酵的影响

采用过氧化氢-乙酸(HPAC)对甘蔗渣(SCB)进行了联合预处理。以预处理后的甘蔗渣为原料,先进行酶水解,然后将水解液进行乙醇发酵,探讨预处理对甘蔗渣酶解和发酵的影响。实验结果表明：20 g甘蔗渣,加入150 mL过氧化氢水溶液(75 mL过氧化氢(30%)和75 mL水)和150 mL乙酸(99%),硫酸用量为过氧化氢-乙酸溶液体积的0.5%,在70℃反应2 h时,HPAC预处理脱除了88.85%的木质素,并使90.10%的纤维素保留在底物中。底物(HPAC/70-SCB-0.5)的酶可及度是80.30 mg/g,与相同条件下单独过氧化氢预处理(HP/70-SCB)和单独乙酸预处理(AC/70-SCB)相比,分别增加了38.26%和31.08%,甘蔗渣木质素的表面覆盖率从原料的0.66降低至0.22。酶解上清液在酶用量为5 FPIU/g(以底物计)条件下水解后,葡萄糖得率是87.63%,分别是HP/70-SCB和AC/70-SCB的6.89和20.62倍,发酵产乙醇质量浓度是7.57 g/L,分别是HP/70-SCB和AC/70-SCB的7.65和22.94倍。     

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。     

秸秆中木质素对其超低酸水解过程的影响

以湖北稻草秸秆为研究对象,研究了超低酸水解木质纤维素的适宜条件,测定了适宜条件下的超低酸法水解15种不同种类秸秆的纤维素及半纤维素的转化率、还原糖得率及结晶度的变化。实验结果表明:秸秆投料量3 g、硫酸投料量45 mL(硫酸质量分数0.05%)、搅拌转速500 r/min、反应温度210 ℃、反应时间10 min为适宜的水解条件。对15种不同种类秸秆的水解结果统计得到,随着秸秆中木质素含量的增大,纤维素和半纤维素的转化率都逐渐降低,还原糖得率逐渐降低;通过SEM和X衍射分析水解前后的木质纤维素结构,得到了木质素影响水解过程的方式:1)木质素含量越大,纤维素的结晶度越大,纤维素的非晶化越困难,从而影响了纤维素的水解;2)原木质素不溶于反应体系且在酸性条件下相对稳定,富木质素层的木质素阻碍反应物与产物扩散,使富木质素层内的纤维素、半纤维素水解速率降低;3)木质素含量越高,木质纤维素的富木质素层越厚、强度越大,水解时难以从颗粒表面脱落,进一步降低水解速率。     

汽爆秸秆膜循环酶解耦合丙酮丁醇发酵

利用新型的汽爆玉米秸秆膜循环酶解耦合发酵系统进行了丙酮丁醇发酵的研究,并对使用该系统所导致的丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum AS1.132)代谢的变化进行了讨论. 在稀释率为0.075 h-1的条件下,丁醇的产量为0.14 g/g (纤维素+半纤维素),最大丁醇产率达到0.31 g/(L×h),溶剂组成为丁醇:丙酮:乙醇65.3:24.3:10.4(体积比),纤维素和半纤维素的转化率分别为72%和80%,使用单位纤维素酶所产生的丁醇量为3.9 mg/IU,是分步水解批次发酵的1.5倍. 利用该系统使酶解和发酵分别在各自最适的条件下同时连续进行,减少了纤维素酶的用量,有效地解除了酶解产物对纤维素酶的抑制作用,并减轻了溶剂产物尤其是丁醇对微生物活性的影响,延长了发酵周期.     

超声波、牛血清蛋白和吐温试剂辅助玉米秸秆酶水解

研究了超声波、牛血清蛋白(BSA)、表面活性剂Tween20和Tween80作为辅助手段对玉米秸秆酶水解过程的影响。结果显示:虽然三者作用机理不同,但是均能够提高酶水解得糖率。未加辅助方法时酶解48h后的得糖率为26.2%;经30W、10min超声波辐射辅助的酶解得糖率上升为35.7%;添加0.5g/LBSA时的酶解得糖率提高到32.8%;而加入1%的Tween20和Tween80后酶解得糖率分别增加到35.2%和35.9%。     

过氧甲酸预处理对甘蔗渣酶解和发酵的影响

以甘蔗渣(SCB)为原料,经过氧甲酸(PAP)预处理后加入酶进行水解,并以水解液发酵产乙醇,考察预处理时过氧化氢(HPP)浓度变化对甘蔗渣酶解和乙醇得率的影响。实验结果表明：在甘蔗渣PAP预处理过程中,HPP与甲酸(FAP)体积比为1∶1时,预处理甘蔗渣(PAP-SCB-1)的木质素脱除率达84.30%;在纤维素酶用量为10 FPIU/g(以预处理后的甘蔗渣质量计)时,PAP-SCB-1水解72 h葡萄糖得率为98.71%,较单独过氧化氢预处理甘蔗渣(HPP-SCB,葡萄糖得率9.11%)和单独甲酸预处理甘蔗渣(FAP-SCB,葡萄糖得率7.06%),分别提高了9.84和12.98倍;PAP-SCB-1水解液经24 h发酵后,乙醇得率为84.06%,比HPP-SCB(76.20%)和FAP-SCB(75.15%)均有增加。对预处理前后物料的化学成分变化、比表面积和结晶度进行测定,结果显示：经PAP预处理后可以显著脱除甘蔗渣中的木质素,木质素的量由未经预处理的21.27%降低到10%以下;比表面积和结晶度都有提高,PAP-SCB-1的比表面积和结晶度分别为13.01 m²     

亚硫酸氢钠预处理对杨木浆料化学成分及酶解糖化的影响

研究了亚硫酸氢钠预处理对杨木浆料化学成分及酶水解效率的影响。增加预处理试剂亚硫酸氢钠用量可以脱除更多的木质素和半纤维素,随着试剂用量的增加葡聚糖、木聚糖和总糖的酶水解得率呈现先升高后降低,然后又升高的规律。当预处理试剂用量为4％时,木质素脱除率为28．7％,酶水解总糖转化率为55．2％;继续增加试剂用量至16％时,对酶水解糖的得率无明显促进作用,反而由于高聚糖降解较多导致得率下降;当试剂用量超过20％时,酶水解糖的得率又有所上升。亚硫酸氢钠用量为24％时,木质素脱除率为61．6％,总糖的转化率达到最大,在纤维素酶用量40FPU／g时,葡聚糖、木聚糖和总糖的转化率分别为59．7％、64．6％和66．2％。     

Wet oxidation pre‐treatment of woody yard waste: parameter optimization and enzymatic digestibility for ethanol production

Woody yard waste with high lignin content (22% of dry matter (DM)) was subjected to wet oxidation pre‐treatment for subsequent enzymatic conversion and fermentation. The effects of temperature (185–200 °C), oxygen pressure (3–12 bar) and addition of sodium carbonate (0–3.3 g per 100 g DM biomass) on enzymatic cellulose and hemicellulose (xylan) convertibility were studied. The enzymatic cellulose conversion was highest after wet oxidation for 15 min at 185 °C with addition of 12 bars of oxygen and 3.3 g Na₂CO₃ per 100 g waste. At 25 FPU (filter paper unit) cellulase g^?1 DM added, 58–67% and 80–83% of the cellulose and hemicellulose contained in the waste were converted into monomeric sugars. The cellulose conversion efficiency during a simultaneous saccharification and fermentation (SSF) assay at 10% DM was 79% for the highest enzyme loading (25 FPU g^?1 DM) while 69% conversion efficiency was still reached at 15 FPU g^?1 DM. Total carbohydrate recoveries were high (91–100% for cellulose and 72–100% for hemicellulose) and up to 49% of the original lignin and 79% of the hemicellulose could be solubilized during wet oxidation treatment and converted into carboxylic acids mainly (total carboxylic acids = 3.1–7.4% on DM basis). Copyright © 2004 Society of Chemical Industry     

杨木废弃物稀酸水解预处理条件的响应面优化

以聚糖类转化率为考核指标,探讨了杨木废弃物稀酸水解预处理物料的适宜颗粒尺寸范围,并用响应面实验设计优化了稀酸水解条件.结果表明,稀酸水解预处理物料的适宜颗粒尺寸为0.075~0.096 mm,稀硫酸水解的优化工艺条件为:固液比1:10,温度158 ℃,时间5 min,硫酸质量分数2.5%.在此优化条件下,聚糖类转化率为59.23%.稀酸水解液的高效液相色谱分析表明,水解液主要成分为木糖(29.897 g/L),占总糖量的64.8%,其次为葡萄糖(8.748 g/L),占总糖量的18.9%,稀酸水解单糖继续降解较少.SEM形貌和XRD分析表明,水解残渣的纤维结构破坏明显,其结晶度由原料的57.45%降低到47.37%,该稀酸水解残渣存在通过酶解和发酵制备生物乙醇的可能性.