黑曲霉（Aspergillus niger sp.）固态发酵啤酒糟生产纤维素酶及其酶学性质与发酵产物的研究

论文摘要

啤酒糟是啤酒工业中的主要副产物之一。目前,大多数厂家将其当饲料出售,有的甚至当废物排放,污染环境的同时也造成了资源的浪费。啤酒糟的主要成分是麦芽壳和未糖化的麦芽组分,其中含有大量的纤维素,而纤维素是纤维素酶的诱导物,而且啤酒糟中含有一定量的含氮化合物和多种无机元素及维生素,质地疏松,是固态发酵生产纤维素酶的优良基质。本研究以啤酒糟为主要原料,对黑曲霉（Aspergillus niger sp.）固态发酵生产纤维素酶的发酵工艺条件、酶学性质以及发酵对培养基组成的影响进行了研究,主要研究结果如下:1.通过单因素实验对黑曲霉发酵啤酒糟生产纤维素酶的发酵工艺条件进行了初步研究,适宜的培养基组分为:500 mL三角瓶中装入啤酒糟和棉粕20 g,配料比8:2,料水比1:1.5,于30℃发酵66 h,滤纸酶活（FPA）和羧甲基纤维素酶活（CMCase）分别达到759.9±51.7 U/g和14187.8±579.1 U/g（干物质）;在含氮量相等的条件下,试验所用的（NH4）2SO4、NH4Cl、NaNO3、（NH2）2CO、（NH4）2HPO4对酶活影响不显著;KH2PO4和CaCl2分别在0～2.5%和0～1.6%的添加范围内对产酶影响也不显著。2.在单因素研究的基础上,采用三因素二次通用旋转组合试验,研究了啤酒糟与棉粕的配料比、料水比和发酵时间对黑曲霉固态发酵啤酒糟生产纤维素酶的影响,建立了纤维素酶随啤酒糟与棉粕的配料比、料水比和发酵时间变化的二次回归方程,并利用该方程探讨了各因子对纤维素酶的影响。结果表明,各因子对纤维素酶的影响顺序为:配料比>发酵时间>料水比,而因子的交互作用不显著（P>0.05）。利用统计优选法寻优,确定了最优发酵条件:啤酒糟与棉粕的配料比7:3,料水比1:1.5,发酵时间66 h,FPA最高值为782.4 U/g。3.对该菌株产的纤维素酶的酶学性质进行研究表明:CMCase最适作用温度为60℃,最适反应pH 4.6,FPA的最适作用温度为50℃,最适反应pH为5.0。60℃热处理1 h,FPA相对酶活力为87.3%,CMCase相对酶活力为98.2%。CMCase和FPA在pH 3.0至pH 7.0之间较稳定。1 mmol/L Cu2+离子、5 mmol/L Ca2+离子及1～10 mmol/L Mn2+离子对酶活有极显著的激活作用（P<0.01）;5 mmol/L和10 mmol/L Cu2+离子对酶活具有极显著的抑制作用;Na+、K+、Ba2+、Zn2+、Mg2+等金属离子在1～10 mmol/L范围内,对酶活的作用不显著（P>0.05）。4.对发酵产物进行分析表明,发酵后干物质损失率为12.58%,粗纤维降解率为29.36%。发酵后,培养基中的鼠李糖、阿拉伯糖、木糖、甘露糖、葡萄糖、纤维二糖含量极显著提高（P<0.01）。酶系分析表明,发酵产物中具有纤维素酶、木聚糖酶、β-甘露聚糖酶、β-葡聚糖酶和酸性蛋白酶。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 纤维素概述
• 1.1.1 纤维素的化学组成
• 1.1.2 纤维素的结构
• 1.2 纤维素酶的概述
• 1.2.1 纤维素酶的来源
• 1.2.2 纤维素酶的组成和分类
• 1.2.3 纤维素酶分子结构与功能
• 1.2.4 纤维素酶的作用机制
• 1.2.5 纤维素酶的代谢调控
• 1.3 纤维素酶的应用
• 1.3.1 纤维素酶在食品工业中的应用
• 1.3.2 纤维素酶在饲料工业中的应用
• 1.3.3 纤维素酶在洗涤业中的应用
• 1.3.4 纤维素酶在纺织工业中的应用
• 1.3.5 纤维素酶在制浆和造纸工业中的应用
• 1.3.6 纤维素酶在医药中的应用
• 1.3.7 纤维素酶在理论研究和应用研究中的应用
• 1.3.8 纤维素酶在能源和资源开发中的应用
• 1.4 纤维素酶研究展望
• 1.4.1 继续选育和寻找高产菌株
• 1.4.2 放线菌纤维素酶的研究
• 1.4.3 纤维素酶固定化
• 1.4.4 混菌发酵生产纤维素酶的研究
• 1.4.5 纤维素酶作用机制的研究
• 1.5 课题的提出及意义
• 1.6 课题的主要研究内容与目标
• 1.6.1 研究内容
• 1.6.2 研究目标
• 2 材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 主要仪器及设备
• 2.3 主要试剂
• 2.4 试剂配制
• 2.5 实验方法
• 2.5.1 测定波长的选择
• 2.5.2 葡萄糖标准曲线的绘制
• 2.5.3 孢子悬液的制备
• 2.5.4 粗酶液制备
• 2.5.5 培养方法
• 2.5.6 酶学性质的初步研究
• 2.6 测定方法
• 2.7 数据处理与统计分析
• 3 结果与分析
• 3.1 葡萄糖标准曲线的绘制
• 3.1.1 测定波长的选择
• 3.1.2 葡萄糖标准曲线的绘制
• 3.2 培养条件单因素优化试验
• 3.2.1 培养基组分配比对产酶的影响
• 3.2.2 氮源对产酶的影响
• 3.2.3 培养基料水比对产酶的影响
• 2PO₄ 对产酶的影响'>3.2.4 KH₂PO₄对产酶的影响
• 2 对产酶的影响'>3.2.5 CaCl₂对产酶的影响
• 3.2.6 发酵温度对产酶的影响
• 3.2.7 固态发酵的产酶进程
• 3.3 二次通用旋转组合试验
• 3.3.1 数学模型的建立与检验
• 3.3.2 数学模型的解析
• 3.4 酶学性质研究
• 3.4.1 反应温度对纤维素酶活性的影响
• 3.4.2 pH 对纤维素酶活性的影响
• 3.4.3 纤维素酶的热稳定性
• 3.4.4 纤维素酶的 pH 稳定性
• 3.4.5 金属离子对纤维素酶活性的影响
• 3.5 发酵产物分析
• 3.5.1 发酵对培养基成分的影响
• 3.5.2 糖组分的测定
• 3.5.3 酶系分析
• 4 讨论
• 4.1 培养条件单因素优化
• 4.2 培养条件二次通用旋转组合试验
• 4.3 发酵产物分析
• 5 结论
• 5.1 黑曲霉固态发酵啤酒糟的最佳产酶条件
• 5.2 黑曲霉所产纤维素酶的酶学性质
• 5.3 发酵产物分析
• 6 尚待进一步开展的工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表论文情况