木糖渣酶水解及L-乳酸发酵的研究

论文摘要

木糖渣是在木糖生产过程中产生的废渣,它是一种木质纤维素,含有48.5%的纤维素。木糖渣含有较高浓度的硫酸根离子和水分,极易腐败污染大气和水源,同时它的存放需占用大量地方。这在很大程度上对生态环境造成巨大的压力和威胁,也大大限制了木糖产业的健康、持续发展。由于部分半纤维素已经被利用,纤维素含量较高,十分适合用于生产水解糖用于发酵,变废为宝。L-乳酸是一种广泛使用的有机酸,它的聚合物-聚乳酸（PLA）,可以用来生产生物可降解塑料。本文以资源综合利用为目的,采用Bacillus coagulans ID为发酵菌株,对木糖渣酶解发酵生产L-乳酸的工艺进行研究。研究表明,不同来源的纤维素酶滤纸酶活差异较大,它们之间具有协同效果,当喜明纤维素酶与和氏璧纤维素酶的质量比例为1：2时,其协同效果最好。当向纤维素酶体系中补加p-葡糖苷酶时,木糖渣糖化效果显著提高,当和氏璧纤维素酶：喜明纤维素酶：β-葡糖苷酶比例为2：4：9时,木糖渣糖化效果最好。金属离子、有机溶剂、表面活性剂会对混合酶的糖化作用产生影响,在一定浓度范围内,Co2+、Mg2+、Zn2+、PEG、柠檬酸、甘油、吐温80对混合酶糖化具有促进作用,而Cu2+、Mn+2、Ni2+、甲醇、乙醇、甲醚、SDS对混合酶糖化具有抑制作用。木糖渣的糖化反应需要合适的反应条件,研究表明,反应温度为50℃,摇床转速为180r/min,缓冲液pH在5左右,缓冲液摩尔浓度0.05-0.lmol/L。不同的加酶量和不同的底物浓度会影响到酶解速率和最终的还原糖浓度,提高加酶量和底物浓度会促进酶解作用,但随着加酶量的提高,还原糖增加幅度减小,因此,从经济方面考虑,我们选择15%的底物浓度和0.64%（W/V）的加酶量。在酶解过程中,随着反应的进行,反应速度不断降低,在反应过程的中期和后期补加纤维素酶,可以维持较高的反应速率,且分两批添加酶的还原糖产量要高于一次性全部添加,在此基础上还研究了p-葡聚糖酶的不同加入方式会对糖化效果的影响。采用单因素实验法通过对发酵时间、发酵温度、碳酸钙的加入量、装液量、摇床转速的研究,获得利用木糖渣酶解液发酵L-乳酸的分别酶解发酵方法的最佳条件。通过发酵实验结果可知本实验的发酵工艺是可行的。同时糖化发酵可以提高乳酸产量,而且简化了工艺、减少了设备投资。因此它有利于实现工业化。实验中发现酶解8h接入Bacillus coagulans ID产酸效果最好,达到了纤维素酶和菌的最优协调。另外,从分步法和同步法实验对比发现,同步法最终乳酸浓度可达47.0g/L,比分批法还高,说明采用同步糖化发酵是可行的,节约了设备和时间,并提高了木糖渣的转化率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 引言
• 1.1 乳酸概况
• 1.1.1 乳酸的结构
• 1.1.2 乳酸的性质
• 1.1.3 乳酸的生产方法
• 1.1.4 细菌发酵法生产乳酸的研究现状
• 1.1.5 乳酸的应用
• 1.2 木糖渣的性质和利用现状
• 1.2.1 木质纤维素资源概述
• 1.2.2 木质纤维素成分
• 1.2.3 木糖渣资源概述
• 1.2.4 木糖渣的利用现状
• 1.2.5 木糖渣应用于生物发酵的现状
• 1.2.6 纤维素类物质的预处理
• 1.3 纤维素酶
• 1.3.1 纤维素酶的组分
• 1.3.2 纤维素酶的作用机理
• 1.3.3 纤维素酶的协同作用
• 1.3.4 纤维素酶酶解的影响因素
• 1.4 将糖转化为乳酸的方法——乳酸发酵法
• 1.5 木质纤维素糖化产乳酸的研究现状
• 1.6 本课题的研究思想和研究内容
• 2 不同商品纤维素酶性质的研究
• 2.1 实验材料
• 2.2 仪器和试剂
• 2.2.1 主要仪器和试剂
• 2.2.2 试剂配制
• 2.3 分析方法
• 2.3.1 木糖渣成分分析
• 2.3.2 还原糖的测定方法
• 2.3.3 滤纸酶活的测定方法
• 2.3.4 生物传感分析仪测定纤维素酶滤纸酶活
• 2.3.5 β-葡糖苷酶酶活力的测定方法
• 2.4 实验方法
• 2.4.1 商品酶酶活力的测定
• 2.4.2 缓冲液pH对商品纤维素酶酶活的影响
• 2.4.3 缓冲液摩尔浓度对商品纤维素酶酶活的影响
• 2.4.4 不同商品纤维素酶的混合作用
• 2.4.5 喜明纤维素酶和和氏璧纤维素酶的混合作用
• 2.4.6 纤维素酶与β-葡糖苷酶的混合作用
• 2.4.7 添加剂对商品纤维素酶酶活力的影响
• 2.5 结果分析
• 2.5.1 商品酶酶活力的测定
• 2.5.2 缓冲液pH对纤维素酶酶活影响的确定
• 2.5.3 缓冲液浓度对纤维素酶酶活影响的确定
• 2.5.4 不同商品纤维素酶的混合作用
• 2.5.5 喜明和和氏璧纤维素酶的混合作用
• 2.5.6 纤维素酶和β-葡萄糖苷酶的混合作用
• 2.5.7 添加剂对混合酶酶解的影响
• 2.6 小结
• 3 木糖渣糖化条件的优化
• 3.1 材料
• 3.2 仪器和试剂
• 3.2.1 仪器和试剂
• 3.2.2 试剂配制
• 3.3 实验方法
• 3.3.1 混合酶糖化条件的确定
• 3.3.2 底物浓度和混合酶加酶量的确定
• 3.3.3 混合酶分批加入对糖化的影响
• 3.3.4 β-葡糖苷酶不同加入时间对木糖渣糖化的影响
• 3.3.5 在混合酶糖化过程中补加少量喜明纤维素酶对糖化的影响
• 3.3.6 加大加酶量对木糖渣糖化的影响
• 3.3.7 底物不同加入方式对木糖渣糖化的影响
• 3.3.8 不同时期续加木糖渣对木糖渣糖化的影响
• 3.4 结果与分析
• 3.4.1 混合酶糖化条件的确定
• 3.4.2 混合酶底物浓度和加酶量的确定
• 3.4.3 混合酶分批加入对木糖渣糖化的影响
• 3.4.4 β-葡糖苷酶不同加入时间对木糖渣糖化的影响
• 3.4.5 在混合糖化过程中补加喜明纤维素酶对糖化的影响
• 3.4.6 加大加酶量对木糖渣糖化的影响
• 3.4.7 底物不同加入方式对木糖渣糖化的影响
• 3.4.8 不同时期续加木糖渣对木糖渣糖化的影响
• 3.5 小结
• 4 木糖渣酶解发酵乳酸工艺的研究
• 4.1 菌株
• 4.2 仪器和试剂
• 4.2.1 仪器和试剂
• 4.2.2 试剂配制
• 4.3 分析方法
• 4.3.1 乳酸和葡萄糖的测定方法
• 4.3.2 种子液菌体浓度的测定方法
• 4.4 实验方法
• 4.4.1 摇瓶装液量对分批酶解乳酸发酵的影响
• 4.4.2 发酵时间对分批酶解乳酸发酵的影响
• 4.4.3 发酵温度对分批酶解乳酸发酵的影响
• 4.4.4 接种量对分批酶解乳酸发酵的影响
• 4.4.5 摇床转速对分批酶解乳酸发酵的影响
• 4.4.6 碳酸钙加入量对分批酶解乳酸发酵的影响
• 4.4.7 葡萄糖发酵与木糖渣酶解液发酵的比较
• 4.4.8 乳酸种子液接种时间对同步酶解乳酸发酵的影响
• 4.4.9 同步酶解发酵与分批酶解发酵的比较
• 4.5 结果与分析
• 4.5.1 分批酶解发酵摇瓶装液量的确定
• 4.5.2 分批酶解发酵发酵时间的确定
• 4.5.3 分批酶解发酵发酵温度的确定
• 4.5.4 分批酶解发酵接种量的确定
• 4.5.5 分批酶解发酵摇床转速的确定
• 4.5.6 分批酶解发酵碳酸钙加入量的确定
• 4.5.7 葡萄糖发酵与木糖渣酶解液发酵的比较
• 4.5.8 乳酸种子液接种时间对同步酶解乳酸发酵的影响
• 4.5.9 同步酶解发酵与分批酶解发酵的比较
• 4.6 小结
• 5 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历和研究成果