時(shí)間：2023-05-30 09:35:53
開(kāi)篇：寫(xiě)作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇纖維素水解，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過(guò)程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
關(guān)鍵詞：小麥秸稈；糖化發(fā)酵；NaOH預(yù)處理
中圖分類(lèi)號(hào)：TQ353 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）18-4355-04
第二代生物質(zhì)乙醇是利用不同的原料如木材、農(nóng)業(yè)或者森林廢棄物來(lái)生產(chǎn)，纖維素乙醇作為一種重要的可再生能源，具有能夠支撐全球能源消耗20%～100%的潛力。在纖維素乙醇的生產(chǎn)過(guò)程中非常重要的一步就是將半纖維素和纖維素水解為單糖，目前最具發(fā)展前景的水解方法為纖維素酶水解。為了使纖維素酶能夠與纖維素有效接觸，需要在水解之前對(duì)木質(zhì)纖維素材料進(jìn)行預(yù)處理，解除木質(zhì)素、半纖維素等對(duì)纖維素的保護(hù)作用，同時(shí)破壞纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，增加其比表面積[1]，從而提高纖維素的水解糖化效率。
NaOH溶液的潤(rùn)漲處理是發(fā)現(xiàn)最早、應(yīng)用最廣的預(yù)處理手段之一，其處理溫度和壓力都低于其他預(yù)處理手段[2]。NaOH預(yù)處理打開(kāi)了交聯(lián)木質(zhì)素和木聚糖的酯鍵，能夠部分溶解原料中的木質(zhì)素、半纖維素，降低纖維素的結(jié)晶度，同時(shí)增大了木質(zhì)素材料的比表面積，能夠得到較高的酶解糖化率，是一種較為有效的預(yù)處理方法[3]。
本試驗(yàn)使用NaOH溶液對(duì)小麥秸稈進(jìn)行預(yù)處理，分別研究了NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)、小麥秸稈固體含量、預(yù)處理時(shí)間等因素對(duì)小麥秸稈纖維素酶水解過(guò)程的影響，得到了最佳的NaOH預(yù)處理?xiàng)l件，之后對(duì)經(jīng)最佳條件預(yù)處理后的小麥秸稈進(jìn)行了同步糖化發(fā)酵試驗(yàn)，并在電子顯微鏡下觀(guān)察了預(yù)處理前后的秸稈結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)一步明確了NaOH預(yù)處理的效果。
1 材料與方法
1.1 材料
1.1.1 原料 小麥秸稈取自太湖農(nóng)村，機(jī)器收割，不含秸稈根部和麥穗。
1.1.2 酶制劑 纖維素酶購(gòu)自Sigma公司，為淡黃色液體纖維素酶。
1.1.3 酵母菌 試驗(yàn)所用酵母為釀酒酵母BY4742， 于4 ℃下保存。
1.2 方法
1.2.1 小麥秸稈預(yù)處理 小麥秸稈粉碎后過(guò)80目篩，烘箱中55 ℃干燥，設(shè)置不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaOH、小麥秸稈固體含量及預(yù)處理時(shí)間，在121 ℃、0.2 MPa的條件下在高壓滅菌鍋中進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理結(jié)束后冷卻至室溫，加入適量的稀鹽酸調(diào)節(jié)pH至中性，之后使用高速離心機(jī)進(jìn)行離心并清洗3～5次。預(yù)處理后的小麥秸稈于105 ℃烘干，保存于干燥皿中備用。
1.2.2 纖維素酶水解 分別取未經(jīng)預(yù)處理以及經(jīng)NaOH預(yù)處理的秸稈各4.0 g，定容至100 mL，根據(jù)本課題組前期研究結(jié)果[4]，選取纖維素酶投加量為30 FPU/g秸稈，溫度40 ℃，檸檬酸鹽調(diào)節(jié)pH為4.8，共水解120 h，每隔24 h取樣1次，離心后取上清液進(jìn)行HPLC分析。
1.2.3 同步糖化發(fā)酵 根據(jù)本課題組關(guān)于同步糖化發(fā)酵條件的研究，分別取未經(jīng)預(yù)處理以及最優(yōu)條件下NaOH預(yù)處理后的秸稈各1.6 g，確定固體含量為0.16 g/mL，纖維素酶投加量為35 FPU/g秸稈，酵母菌濃度8 g/L，檸檬酸鹽調(diào)節(jié)pH為4.0，溫度設(shè)置為38 ℃，同步糖化發(fā)酵120 h，每隔24 h取樣分析。
1.3 分析方法
1.3.1 小麥秸稈成分分析 小麥秸稈纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量的測(cè)定采用NREL實(shí)驗(yàn)室提供的方法[5]。
1.3.2 還原糖及乙醇含量測(cè)定 樣品中纖維二糖、葡萄糖、木糖、乙醇濃度采用Shimadzu高效液相色譜分析儀檢測(cè)，檢測(cè)器為示差折光檢測(cè)器，色譜柱為Aminex HPX-87P Column。檢測(cè)條件：柱溫65 ℃，檢測(cè)器溫度60 ℃，流動(dòng)相為超純水，流速0.8 mL/min，進(jìn)樣量20 μL。
1.3.3 小麥秸稈結(jié)構(gòu)分析 采用電鏡掃描觀(guān)察。樣品在室溫風(fēng)干之后平鋪于導(dǎo)電膠上，進(jìn)行離子濺射金處理45 s，用JSM-7401F場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀(guān)察。
1.3.4 計(jì)算公式 纖維素水解產(chǎn)生葡萄糖的化學(xué)方程式如方程式（1）所示，理論上，100 g纖維素水解可產(chǎn)生111.1 g葡萄糖。葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)乙醇的化學(xué)方程式如方程式（2）所示，理論上，100 g葡萄糖發(fā)酵可產(chǎn)生51.1 g乙醇和48.9 g CO2。由此可知，100 g纖維素理論上可產(chǎn)生56.8 g乙醇。
2 結(jié)果與分析
2.1 不同NaOH預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)小麥秸稈酶解效果的影響
2.1.1 NaOH對(duì)小麥秸稈酶解效果的影響 本試驗(yàn)首先考察了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaOH預(yù)處理?xiàng)l件下，纖維素酶水解小麥秸稈的效果。分別以0.25%、0.50%、1.00%、2.00%和4.00%的NaOH溶液預(yù)處理已粉碎干燥的小麥秸稈，之后進(jìn)行120 h的水解試驗(yàn)，并每隔24 h取樣進(jìn)行還原糖含量分析。經(jīng)不同NaOH溶液預(yù)處理后小麥秸稈水解產(chǎn)物中還原糖情況如圖1所示。預(yù)處理過(guò)的小麥秸稈經(jīng)過(guò)酶解后，主要產(chǎn)生了纖維二糖、葡萄糖、木糖3種還原糖，由圖1可以看出，隨預(yù)處理NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，酶解液的還原糖含量逐漸升高，其產(chǎn)量均在NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.00%時(shí)達(dá)到最高，其中葡萄糖含量在酶水解48 h時(shí)達(dá)到最高，為14.13 g/L。之后NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大時(shí)，還原糖產(chǎn)量開(kāi)始下降，可能因?yàn)樵陬A(yù)處理過(guò)程中NaOH溶解半纖維素和木質(zhì)素的同時(shí)也水解了部分纖維素，還原糖進(jìn)入了液相，在進(jìn)行固液分離時(shí)損失[6-8]。
2.1.2 固體含量對(duì)小麥秸稈酶解效果的影響 本試驗(yàn)設(shè)置預(yù)處理時(shí)的小麥秸稈固體含量分別為0.025、0.050、0.100、0.150和0.200 g/mL，采用在“2.1.1”方法中確定的NaOH預(yù)處理最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.00%對(duì)小麥秸稈進(jìn)行預(yù)處理，之后進(jìn)行120 h的酶解試驗(yàn)，每24 h取樣測(cè)定其還原糖含量。不同固體含量下NaOH預(yù)處理產(chǎn)物中還原糖含量如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，預(yù)處理過(guò)程中在小麥秸稈固體含量提高到0.050 g/mL時(shí)，酶解液中的3種還原糖含量均達(dá)到最高。其中葡萄糖在纖維素酶水解48 h時(shí)其濃度達(dá)到最大值14.13 g/L。之后固體含量繼續(xù)增大時(shí)，其還原糖產(chǎn)量下降。分析其原因可能是預(yù)處理過(guò)程中固體含量對(duì)預(yù)處理強(qiáng)度產(chǎn)生影響，固體含量過(guò)高時(shí)，因NaOH溶液的量相對(duì)減少，難以與秸稈充分接觸，從而影響了預(yù)處理效果[9，10]。
2.1.3 預(yù)處理時(shí)間對(duì)小麥秸稈酶解效果的影響 本試驗(yàn)設(shè)置預(yù)處理時(shí)間分別為15、30、50、60和90 min，采用“2.1.1”方法得到的預(yù)處理最佳NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.00%和“2.1.2”方法得到的最佳固體含量0.050 g/mL對(duì)小麥秸稈進(jìn)行預(yù)處理，之后進(jìn)行120 h酶解，每隔24 h取樣測(cè)定其還原糖產(chǎn)量。不同預(yù)處理時(shí)間下3種還原糖的產(chǎn)量如圖3所示。
由圖3可見(jiàn)，隨著預(yù)處理時(shí)間的增加，小麥秸稈酶解液3種還原糖含量在60 min時(shí)達(dá)到最大。其中葡萄糖濃度在酶水解24 h后達(dá)到最大值15.30 g/L。預(yù)處理50 min以上時(shí)，NaOH溶液對(duì)木質(zhì)素和半纖維素的溶解基本完成，纖維素充分暴露出來(lái)，預(yù)處理時(shí)間增加到60、90 min時(shí)，酶解產(chǎn)生還原糖的濃度變化不大，考慮到增加預(yù)處理時(shí)間會(huì)顯著增加能耗，故將60 min確定為最佳預(yù)處理時(shí)間。
2.2 NaOH預(yù)處理對(duì)小麥秸稈酶解效果的影響
通過(guò)上述試驗(yàn)可以得到NaOH預(yù)處理小麥秸稈的最佳條件為NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.00%，小麥秸稈固體含量0.050 g/mL，預(yù)處理時(shí)間60 min。將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的小麥秸稈殘?jiān)附?20 h，其反應(yīng)進(jìn)程見(jiàn)圖4。
由圖4可知，在最佳預(yù)處理?xiàng)l件下，酶解24 h時(shí)，酶解液總還原糖產(chǎn)量達(dá)到最大，為34.65 g/L，其產(chǎn)率為86.61%。而未經(jīng)預(yù)處理的小麥秸稈在酶解剛開(kāi)始時(shí)總還原糖產(chǎn)量便開(kāi)始下降，最高僅為4.80 g/L，其產(chǎn)率僅為12.01%。最佳預(yù)處理?xiàng)l件下的總還原糖產(chǎn)率也明顯高于常規(guī)的稀堿預(yù)處理的總還原糖產(chǎn)率[3]。這是因?yàn)镹aOH預(yù)處理對(duì)半纖維素和木質(zhì)素均有較好的去除效果，解除了木質(zhì)素和半纖維素對(duì)纖維素的保護(hù)作用，同時(shí)破壞纖維素大分子之間的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，增大了小麥秸稈的比表面積，改善了底物與纖維素酶的接觸效果，同時(shí)也有效減少了木質(zhì)素對(duì)纖維素酶的特異性吸附，使纖維素酶可以充分作用于底物，有效提高了小麥秸稈的酶解效果[11，12]。
2.3 小麥秸稈成分分析
使用NREL實(shí)驗(yàn)室的方法分別測(cè)定未經(jīng)NaOH預(yù)處理的小麥秸稈與經(jīng)過(guò)最優(yōu)條件預(yù)處理過(guò)的小麥秸稈成分，結(jié)果如表1所示。由表1可見(jiàn)，小麥秸稈在經(jīng)過(guò)了最優(yōu)條件預(yù)處理后，木質(zhì)素的含量由25.73%降低至11.75%，同時(shí)纖維素的含量由39.31%升高至58.84%。表明NaOH能夠提高纖維素在底物中所占比例，同時(shí)降低木質(zhì)素等所占比例[13]，有利于后續(xù)酶解進(jìn)程。
2.4 同步糖化發(fā)酵結(jié)果
未經(jīng)NaOH預(yù)處理的小麥秸稈與經(jīng)過(guò)最佳條件預(yù)處理的小麥秸稈經(jīng)同步糖化發(fā)酵后上清液成分如表2所示。
由表2可見(jiàn)，未經(jīng)NaOH預(yù)處理的小麥秸稈由于結(jié)晶以及木質(zhì)結(jié)構(gòu)的保護(hù)，酶解過(guò)程受到抑制，進(jìn)而影響了酵母菌對(duì)還原糖的發(fā)酵。而經(jīng)過(guò)最佳NaOH預(yù)處理?xiàng)l件處理后，乙醇的產(chǎn)量大幅上升，由處理前的7.98 g/L上升到38.32 g/L，乙醇產(chǎn)率由22.40%上升至71.70%，無(wú)法被酵母菌利用的木糖含量也由處理前的0.80 g/L上升到了12.94 g/L。
由此可見(jiàn)，NaOH預(yù)處理不僅能夠有效去除木質(zhì)素，而且基本不影響纖維素[14]，纖維素可以進(jìn)一步水解并發(fā)酵產(chǎn)生乙醇，NaOH預(yù)處理是一種高效的木質(zhì)纖維素產(chǎn)乙醇的預(yù)處理方法。
2.5 NaOH預(yù)處理前后小麥秸稈結(jié)構(gòu)分析
小麥秸稈粉末在NaOH溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.00%、固體含量0.050 g/mL、121 ℃、0.2 MPa的條件下預(yù)處理60 min，恢復(fù)至室溫干燥后備用。同時(shí)準(zhǔn)備一份未經(jīng)預(yù)處理的小麥秸稈粉末，干燥后備用。樣品平鋪在導(dǎo)電膠上，噴金45 s后用掃描電鏡觀(guān)察，其SEM結(jié)果如圖5所示。
由圖5可見(jiàn)，未經(jīng)NaOH預(yù)處理的小麥秸稈表面光滑，纖維排列比較整齊，沒(méi)有明顯的破損和孔隙，結(jié)構(gòu)致密。經(jīng)過(guò)NaOH預(yù)處理后的小麥秸稈的半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的部分結(jié)構(gòu)遭到破壞、分離，纖維和纖維束出現(xiàn)卷曲和折疊，變得柔軟疏松，排列凌亂；秸稈表面由預(yù)處理前的致密變得疏松，有序排列變得雜亂無(wú)章；原來(lái)光滑的表面上出現(xiàn)了片狀的物質(zhì)，這可能是溶出的半纖維素和木質(zhì)素[15]。經(jīng)過(guò)預(yù)處理的小麥秸稈的比表面積大大增加，這更有利于纖維素酶的吸附，有利于水解，從而提高了酶水解液中還原糖的得率。
3 結(jié)論
1）NaOH預(yù)處理小麥秸稈的最佳條件為：NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.00%，小麥秸稈固體含量0.050 g/mL，預(yù)處理時(shí)間60 min。
2）經(jīng)過(guò)NaOH預(yù)處理的小麥秸稈水解液還原糖得率可提升74.60個(gè)百分點(diǎn)。
3）通過(guò)SEM觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)NaOH預(yù)處理后，秸稈表面變得粗糙，有利于纖維素酶的吸附及進(jìn)一步水解。
4）經(jīng)過(guò)最佳條件NaOH預(yù)處理的小麥秸稈進(jìn)行同步糖化發(fā)酵其乙醇產(chǎn)率提高了49.30個(gè)百分點(diǎn)。
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關(guān)鍵詞：纖維素原料；纖維素酶；預(yù)處理；水解；發(fā)酵；生物能源乙醇；精餾和脫水；產(chǎn)業(yè)化
長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)能源生產(chǎn)以煤炭、石油、天然氣等化石能源為主，不僅消耗了大量的自然資源，而且對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒的數(shù)據(jù)顯示，2003年能源生產(chǎn)總量為1．7億t標(biāo)準(zhǔn)煤，2012年為3．3億t標(biāo)準(zhǔn)煤，增幅達(dá)93％，我國(guó)迫切需要一種可再生能源來(lái)代替化石能源。在美國(guó)、巴西及歐洲已形成新的可再生能源－燃料乙醇產(chǎn)業(yè)。隨著糧食價(jià)格的不斷上漲，土地資源日益緊張，以糧食為原料的生物液體燃料技術(shù)發(fā)展前景并不樂(lè)觀(guān)。而木質(zhì)纖維素是地球上最豐富的可再生資源，發(fā)展纖維素生物乙醇成為我國(guó)和其他能源發(fā)達(dá)國(guó)家的必然選擇。木質(zhì)纖維素是地球上最豐富的可再生資源，以其作為原料生產(chǎn)生物乙醇是最具發(fā)展前景的生產(chǎn)路線(xiàn)，利用現(xiàn)代化生物技術(shù)手段開(kāi)發(fā)以纖維素為原料的生物能源，已成為當(dāng)今世界發(fā)達(dá)國(guó)家能源戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。
1纖維素乙醇主要技術(shù)
路線(xiàn)纖維素乙醇的工藝技術(shù)路線(xiàn)主要包括預(yù)處理、水解、發(fā)酵、蒸餾脫水等幾大環(huán)節(jié)。其中關(guān)鍵步驟是酶水解，該過(guò)程具有反應(yīng)條件溫和、過(guò)程可操縱性、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。
1．1纖維素原料的預(yù)處理方法
目前，纖維素原料的預(yù)處理方法可分為物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)相結(jié)合法以及生物法等。
1．1．1物理法
常見(jiàn)的物理法預(yù)處理技術(shù)包括機(jī)械粉碎法、高溫?zé)崴幚矸ā⑽⒉ㄝ椛洹⑸渚€(xiàn)處理等等，該類(lèi)處理方法操作簡(jiǎn)單，無(wú)環(huán)境污染，但需要較高的動(dòng)力，其耗能約占糖化總過(guò)程耗能的60％以上。機(jī)械粉碎法：用振動(dòng)磨等物理外力將纖維素原料進(jìn)行粉碎處理，可以破壞木質(zhì)素和半纖維素與纖維素之間的結(jié)合層，但是木質(zhì)素仍然會(huì)被保留，其結(jié)果降低三者的聚合度，改變纖維素的結(jié)晶構(gòu)造。該處理方法可提高反應(yīng)性能和提高糖化率，保證酶解過(guò)程中纖維素酶或木質(zhì)素酶發(fā)揮作用。高溫?zé)崴幚矸ǎ杭此岽呋淖运夥磻?yīng)，原理就是在高溫（200℃以上）且壓力高于同溫度下飽和蒸汽壓時(shí)，使用高溫液態(tài)水去除部分木質(zhì)素及全部半纖維素，但高溫作用會(huì)使產(chǎn)物有所損失，并產(chǎn)生一些有機(jī)酸等次級(jí)代謝產(chǎn)物抑制酶解與發(fā)酵過(guò)程。按照水與底物的進(jìn)料順序不同，可分為以下3種，即流動(dòng)水注入、水與物料相對(duì)進(jìn)料及兩者平行進(jìn)料，這3種方式都是利用沸水的高介電常數(shù)去溶解所有的半纖維素和1／3～2／3的木質(zhì)素，但反應(yīng)需要的pH值要求較高，一般控制在4～7之間，來(lái)減少副作用。
1．1．2化學(xué)法
稀酸預(yù)處理和濃酸預(yù)處理：濃酸具有腐蝕性，生產(chǎn)過(guò)后需要回收，因此大大增加了成本，所以稀酸水解應(yīng)用的范圍廣，稀酸水解一般是在高溫高壓下進(jìn)行，稀酸能夠斷裂纖維素內(nèi)部的氫鍵，使得纖維素易水解且提高木聚糖到木糖的轉(zhuǎn)化率，雖然該方法較其他方法比較而言有很高的轉(zhuǎn)化率，但是據(jù)Selig等研究表示，在高溫條件下（如140℃處理時(shí)），在纖維素表面可能會(huì)形成一些木質(zhì)素與碳水化合物復(fù)合物形成的球狀液滴。堿預(yù)處理技術(shù)：該方法原理是破壞木質(zhì)素和碳水化合物之間的連接，破壞生物質(zhì)的結(jié)晶區(qū)，使木質(zhì)素溶于堿液從而促進(jìn)水解的進(jìn)行。常用的堿包括Ca（OH）2和氨水等。Chen等采用價(jià)格便宜的Ca（OH）2處理TK－9芒草秸稈半纖維素，其水解率大于59．8％，木質(zhì)素的去除率為40．1％。Kim等發(fā)現(xiàn)利用NH4OH、在60℃條件下、采用1∶7的料液比處理廢棄秸稈9h可以去除70％～80％的木質(zhì)素，若酶用量充足，可以將所有的纖維素水解掉。
1．1．3物理化學(xué)方法
氨冷凍爆破法：類(lèi)似于蒸汽爆破法，其區(qū)別之處在于氨處理對(duì)設(shè)備的要求和所需的能耗降低，在蒸煮的過(guò)程中加入氨，同時(shí)還要注意氨的有效回收，其原理是液氨在50～80℃、1．5MPa條件下，采用物理方法，將壓力驟降，使液氨蒸發(fā)，使木質(zhì)素晶體爆裂，破壞木質(zhì)素與糖類(lèi)的連接，脫去部分木質(zhì)素，使得木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)得以破壞，增加纖維素表面積和酶解的可及度。隨后向系統(tǒng)加入固液混合物，經(jīng)過(guò)蒸發(fā)的氨通過(guò)壓縮可以得到有效回收。Alizadeh等采用柳枝為原料，將葡聚糖的轉(zhuǎn)化率從20％提高到90％，木質(zhì)纖維素原料的酶解速率得到較大提高，另外該方法避免了酶的降解，無(wú)干擾抑制物的產(chǎn)生，因此處理過(guò)后無(wú)需處理。
1．1．4生物方法
自然界中有多種能夠分解木質(zhì)素的微生物，其中分解能力最強(qiáng)的是木腐菌，包括3種：百腐菌、軟腐菌、褐腐菌。百腐菌能分泌胞外氧化酶包括漆酶、過(guò)氧化酶、錳過(guò)氧化酶等，因此百腐菌是自然界最主要的木質(zhì)素降解菌，這些木質(zhì)素降解酶能有效、徹底地將木質(zhì)素降解成為水和二氧化碳。
1．2發(fā)酵酶解
發(fā)酵酶解技術(shù)是木質(zhì)素生產(chǎn)纖維素乙醇技術(shù)的關(guān)鍵，國(guó)內(nèi)研究人員經(jīng)過(guò)多年的探索，取得了較好的進(jìn)展，如生產(chǎn)成本下降，生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)化。酶解發(fā)酵主要將五碳糖或六碳糖經(jīng)過(guò)微生物發(fā)酵同時(shí)轉(zhuǎn)化為乙醇。利用木質(zhì)纖維素原料生物轉(zhuǎn)化乙醇主要有4種途徑：分步水解和發(fā)酵（SHF）、同步糖化發(fā)酵（SSF）、同步糖化共發(fā)酵（SSCF）和直接微生物轉(zhuǎn)化（DMC）。
1．2．1分步水解和發(fā)酵（SHF）
分步水解和發(fā)酵的原理是，2個(gè)過(guò)程獨(dú)立進(jìn)行，其優(yōu)點(diǎn)就是各步能在各自適宜的溫度下（50～55℃酶解，35～340℃發(fā)酵）進(jìn)行，有利于反應(yīng)完全，纖維素酶首先將纖維素原料水解，再將得到的C5或C6分別發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，也可共發(fā)酵產(chǎn)乙醇，該途徑最大的缺點(diǎn)就是酶解過(guò)程中的水解產(chǎn)物積累會(huì)抑制酶的活性，導(dǎo)致水解不徹底。世界上第一座纖維素乙醇示范裝置是加拿大Iogen公司于2004年在渥太華建立的，該公司以纖維素為原料利用SHF工藝，固液分離水解糖，利用工程菌生產(chǎn)乙醇，產(chǎn)能1800t／年。瑞典的O－Vik公司以木屑為原料采用SHF工藝建立的乙醇廠(chǎng)，成本只有0．46歐元。美國(guó)的Verenium則以甘蔗渣為原料，采用稀酸水解，采用基因工程大腸桿菌發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，1t干生物質(zhì)年產(chǎn)100加侖乙醇。
1．2．2同步糖化發(fā)酵（SSF）
同步糖化和發(fā)酵，即在同一個(gè)反應(yīng)容器里，纖維素酶解與葡萄糖的乙醇發(fā)酵同時(shí)進(jìn)行，微生物能直接利用酶解產(chǎn)生的糖，這樣避免了對(duì)纖維素酶的反饋抑制作用，SSF是目前生產(chǎn)乙醇最主要的方式，國(guó)內(nèi)外的中試裝置上基本都采用此方法，主要代表就是瑞典Lund大學(xué)，采用木屑為原料，利用工程酵母發(fā)酵，其原料轉(zhuǎn)化率可達(dá)90％，提高乙醇產(chǎn)量。在生產(chǎn)過(guò)程中，原料在經(jīng)過(guò)預(yù)處理之后，加入纖維素酶和酵母共發(fā)酵，不能被酶解的木質(zhì)素則被分離出來(lái)，通過(guò)再利用提供能量，通過(guò)乙醇蒸餾工藝進(jìn)行回收。
1．2．3同步糖化共發(fā)酵（SSCF）
SSCF法是SSF法的改進(jìn)，最主要的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)戊糖的利用。半纖維素中含有豐富的戊糖，如木聚糖、阿拉伯聚糖，在SSF法中大量戊糖并未能轉(zhuǎn)化成乙醇；如果在發(fā)酵過(guò)程中接種能夠?qū)⑽焯寝D(zhuǎn)化為乙醇的微生物，將大大提高發(fā)酵液中最終乙醇含量。Su等研究發(fā)現(xiàn)，利用重組的Zymomonasmobilis發(fā)酵玉米秸稈，在SSCF法中，當(dāng)葡萄糖存在時(shí)，縮短了木糖的發(fā)酵時(shí)間；但葡萄糖與木糖會(huì)競(jìng)爭(zhēng)相同的膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，而且蛋白優(yōu)先轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖，在培養(yǎng)基中葡萄糖含量降低到一定程度后，菌種才開(kāi)始利用木糖進(jìn)行發(fā)酵。現(xiàn)階段SSCF法采用混合菌種發(fā)酵居多，在下一步研究過(guò)程中，應(yīng)開(kāi)發(fā)能夠同時(shí)利用戊糖和己糖發(fā)酵產(chǎn)乙醇的新菌種。
1．2．4直接微生物轉(zhuǎn)化（DMC）
直接微生物轉(zhuǎn)化又稱(chēng)為統(tǒng)合生物工藝，即原料中木質(zhì)纖維素成分通過(guò)某些能夠產(chǎn)生纖維素酶的微生物群生產(chǎn)乙醇的工藝，同時(shí)該微生物還能利用發(fā)酵糖生產(chǎn)乙醇，這就要求該種微生物同時(shí)具有以下3個(gè)步驟：產(chǎn)纖維素酶、酶解纖維素、發(fā)酵產(chǎn)乙醇。目前，研究最多的就是粗糙脈孢菌和尖鐮孢菌這2種真菌，該菌有獨(dú)立的纖維素酶生產(chǎn)，在有氧和半通氧2種狀態(tài)下，分別產(chǎn)水解后的底物和發(fā)酵糖為乙醇，方法簡(jiǎn)便，和普遍使用的SSF相比，無(wú)需額外酶的加入，能夠同時(shí)利用五碳糖或六碳糖，具有很廣的應(yīng)用前景。Mascoma公司利用酵母和細(xì)菌共同完成產(chǎn)生纖維素酶和發(fā)酵產(chǎn)乙醇的工藝步驟，酶生產(chǎn)單元大大減少，在中試裝置上使用該技術(shù)，降低了成本，減少了費(fèi)用。
1．3精餾和脫水技術(shù)
精餾和脫水技術(shù)主要是提純產(chǎn)物乙醇，其工藝類(lèi)似于淀粉燃料乙醇的生產(chǎn)過(guò)程。精餾和脫水技術(shù)可以借鑒淀粉質(zhì)原料燃料乙醇生產(chǎn)工藝中已經(jīng)發(fā)展成熟的工業(yè)化技術(shù)，木質(zhì)纖維素類(lèi)原料發(fā)酵液中乙醇濃度比較低，一般情況下均在5％以下，致使精餾操作能耗高。有研究者建議，在木質(zhì)纖維素水解液乙醇發(fā)酵工藝中耦合滲透蒸發(fā)技術(shù)來(lái)提高進(jìn)入精餾系統(tǒng)發(fā)酵液中乙醇濃度，但是滲透蒸發(fā)系統(tǒng)本身的動(dòng)力消耗也比較大，而且滲透蒸發(fā)所用的透醇膜容易被菌體污染的問(wèn)題也很突出。
2纖維素乙醇發(fā)展展望
2．1纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的局限
目前，木質(zhì)纖維素類(lèi)生物質(zhì)制備生物乙醇因其在生產(chǎn)、能耗和政策支持3個(gè)方面存在問(wèn)題，不能實(shí)現(xiàn)大范圍的工業(yè)化生產(chǎn)。生產(chǎn)技術(shù)方面存在工藝流程和預(yù)處理技術(shù)2個(gè)方面的限制，能源利用率存在成本和產(chǎn)出之比高低問(wèn)題，以及存在政府是否頒布相應(yīng)的支持條例的問(wèn)題。首先，從原料上來(lái)看，木質(zhì)纖維素由于自身堅(jiān)固的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和難以水解的結(jié)晶纖維素，使得生產(chǎn)燃料乙醇需要較高的成本費(fèi)用，其次，從生產(chǎn)工藝流程來(lái)看，制備燃料乙醇要經(jīng)過(guò)預(yù)處理、酶解、發(fā)酵等過(guò)程，在預(yù)處理過(guò)程中，不同的處理方法針對(duì)不同的原料有不同的處理效果，雖然對(duì)燃料乙醇提供了有力的支持，但是也存在不同程度的局限之處。在水解和發(fā)酵方面，一般采用的技術(shù)工藝是分步水解和發(fā)酵（SHF）、同步糖化發(fā)酵（SSF）、同步糖化共發(fā)酵（SSCF）和直接微生物轉(zhuǎn)化（DMC）。分步水解和發(fā)酵的反應(yīng)特點(diǎn)是纖維素水解和水解液發(fā)酵可以在不同的反應(yīng)容器中進(jìn)行，所以?xún)烧呖梢赃x擇適宜條件。其缺點(diǎn)在于，水解產(chǎn)物糖對(duì)纖維素酶有反饋抑制作用，使水解不完全，同時(shí)在轉(zhuǎn)移產(chǎn)物過(guò)程中，由于在不同容器中進(jìn)行，易造成微生物污染。而SSF則與此相反，在酶水解糖化纖維素的同時(shí)加入能產(chǎn)生乙醇的纖維素發(fā)酵菌，使兩者在同一裝置中連續(xù)進(jìn)行，工藝大大簡(jiǎn)化，又能消除底物葡萄糖對(duì)纖維素酶的反饋抑制作用。但是也存在局限因素，如木糖的抑制作用、酶解溫度和發(fā)酵溫度不一致等。研究最多的假絲酵母菌、管囊酵母菌能夠?qū)⒛咎寝D(zhuǎn)化為乙醇，解決此難題。同步糖化共發(fā)酵（SSCF）是由該方法衍生出的新工藝，同樣具有廣闊應(yīng)用前景。中國(guó)科學(xué)院生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳洪章等在了解了SSF法之后，提出秸稈分層多級(jí)轉(zhuǎn)化液體燃料的新構(gòu)想，在秸稈不經(jīng)過(guò)添加化學(xué)藥品的低壓爆理之后，采用發(fā)酵－分離乙醇耦合系統(tǒng)，多級(jí)轉(zhuǎn)化燃料乙醇和生物油，降低成本費(fèi)用和酶的用量，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，提高酶解效率。
2．2纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的趨勢(shì)目前，國(guó)外纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化研究正進(jìn)入一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期，中國(guó)在這方面也有很好的基礎(chǔ)，為了更快地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)當(dāng)吸取國(guó)外石油化工的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，堅(jiān)持生物精煉和乙醇聯(lián)產(chǎn)的創(chuàng)新模式，促使纖維素乙醇實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。該模式即實(shí)現(xiàn)原料的充分利用和產(chǎn)品價(jià)值最大化，就是所謂的“吃干榨凈”，具體含義指利用玉米生產(chǎn)燃料乙醇，還能生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品，如玉米油、高果糖漿、蛋白粉、蛋白飼料和其他系列產(chǎn)品，這樣既提升了纖維素乙醇經(jīng)濟(jì)附加值，又能取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，一舉兩得。燃料乙醇將很快進(jìn)入全球的成品油市場(chǎng)，在替代汽油供應(yīng)方面發(fā)揮不可替代的作用。
在未來(lái)幾年，隨著中國(guó)對(duì)石油進(jìn)口依賴(lài)度加深，擴(kuò)大國(guó)內(nèi)燃料乙醇產(chǎn)能已經(jīng)成為必需。但是由于糧食生產(chǎn)乙醇的工藝不適合我國(guó)采用，因此，纖維素乙醇研究已經(jīng)成為目前研究工作的重點(diǎn)。纖維素乙醇研究工作涉及物理、生物工程、化學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，為了早日實(shí)現(xiàn)纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)當(dāng)提出相應(yīng)的發(fā)展戰(zhàn)略，首先，應(yīng)該制定生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的國(guó)家和地方的發(fā)展戰(zhàn)略，政府應(yīng)采取鼓勵(lì)政策繼續(xù)加大科研資金投入；其次，利用己糖發(fā)酵菌種的構(gòu)建及木質(zhì)纖維原料生物量全利用等方面來(lái)提升纖維素乙醇的經(jīng)濟(jì)效益：最后，要建立工業(yè)示范裝置，為纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。纖維素乙醇作為主要的生物能源，應(yīng)加快以纖維素乙醇為核心的綜合技術(shù)的開(kāi)發(fā)，整合多方力量，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使其在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變中發(fā)揮重要的作用。
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關(guān)鍵詞：糧粒皮層 纖維素 半纖維素 礦物成 維生素
在糧食中皮層含量一般占6～20%，皮層的主要成分是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素及蛋白質(zhì)、脂肪、可溶性糖、維生素、礦物質(zhì)。其中纖維素、半纖維素的含量占皮層重量的一半以上。礦物質(zhì)主要集中在皮層，維生素也豐富地含在胚中。在糧粒生長(zhǎng)和儲(chǔ)藏中皮層起保護(hù)胚乳的作用，機(jī)械性能較強(qiáng)。在加工成品糧時(shí)，精度不同，皮層混入的量不同，營(yíng)養(yǎng)成分的比例也不同。
首先分析纖維素，糧食籽粒中纖維素含量大約2～10%，主要集中在糧粒皮層。小麥籽粒中纖維素含量為2.3～3.7%，皮層中纖維素含量53%。玉米2.3～2.4%，燕麥為12.6%。就整粒而言，皮殼中含量最多，胚含量較少，胚乳幾乎不含。纖維素的一般分子式和淀粉相等，為（C5H1005）n,但n的數(shù)值比淀粉大得多，是所有多糖中最大的一種，近一萬(wàn)個(gè)葡萄糖殘基。纖維素水解后，產(chǎn)生大量的葡萄糖。纖維素分子間以氫鍵互相結(jié)合成微晶束，微晶束間又是非常多的氫鍵結(jié)合，十分牢固。不但機(jī)械性能很強(qiáng)，化學(xué)性質(zhì)也很穩(wěn)定。它不溶于水及各種有機(jī)溶劑，也不溶于稀酸和稀堿，即使在熱水中長(zhǎng)時(shí)間煮沸也不溶解，所以不能被人體消化吸收，纖維素雖不溶解于水，但親水性很強(qiáng)，容易吸水膨脹，利用這一特性加工中能有效去除皮層。纖維素可用高濃度強(qiáng)酸水解，用稀酸水解則需在加壓下長(zhǎng)時(shí)間加熱，水解的最終產(chǎn)物為β—D—葡萄糖，因此那些含纖維素很多的糧食加工付產(chǎn)品都可以通過(guò)工業(yè)水解或反芻動(dòng)物的腸道變成葡萄糖，直接作為飼料或其他發(fā)酵工業(yè)的原糧。反芻動(dòng)物的腸道中有大量能消化纖維素的微生物寄生菌，它能分泌纖維素酶，而纖維素的分解產(chǎn)物葡萄糖則被寄主加以利用，這也是含纖維素多的糧食加工副產(chǎn)品作為飼料的理論基礎(chǔ)。
人體消化系統(tǒng)不能分泌纖維素酶類(lèi)，故不能消化纖維素。因此在糧食加工中務(wù)必去掉糧粒外部纖維素很多的皮層，去掉越多，則精度越高。但是從現(xiàn)代營(yíng)養(yǎng)學(xué)的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，人類(lèi)膳食中都必須含有這種不能消化的纖維素，膳食纖維又稱(chēng)為“第七類(lèi)”營(yíng)養(yǎng)素。因?yàn)樗哂写龠M(jìn)腸道蠕動(dòng)解除便秘，加速毒素排除，防止結(jié)腸病變的作用。根據(jù)流行病的調(diào)查結(jié)果，在膳食含有大量纖維素的人群中出現(xiàn)結(jié)腸炎和結(jié)腸癌的機(jī)會(huì)要少得多，尤其是中老年人及室內(nèi)辦公人員，活動(dòng)少腸胃蠕動(dòng)功能低，故建議食用含些皮層的粗制糧。
纖維素經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)靥幚砜芍频酶男岳w維素，如羧甲基纖維素，在食品工業(yè)中廣泛用作增稠劑；微晶纖維素，在療效食品中用作無(wú)熱量填充劑。
半纖維素也是一種多聚糖，常與纖維素在一起，但化學(xué)成分很復(fù)雜，往往不是一種單糖聚合而成。其水解產(chǎn)物中既有戊糖，又有己糖，還有糖醛酸。所以半纖維素與纖維素在分子組成上不同，它是雜聚多糖，而纖維素是同聚多糖。半纖維素的組成成分隨植物種類(lèi)而異，一般以木聚糖以及木聚糖的葡萄糖醛酸居多。半纖維素與稀酸共熱則幾乎全部水解，水解的木糖可以制成結(jié)晶木糖或木糖漿及糖醛，木糖經(jīng)過(guò)氧化反應(yīng)生成木糖醇。木糖醇味覺(jué)好，甜度大，可作食糖的代用品，也具有一定的醫(yī)療作用。在某些方面還能改進(jìn)食品的質(zhì)量和有利于食品的保存。半纖維素對(duì)家畜來(lái)說(shuō)，消化率可以達(dá)到90%，但只有很少一部分被人體消化，因此最好直接用作飼料及工業(yè)水解。
木質(zhì)素，不是碳水化合物，但它在細(xì)胞壁中常與纖維素及半纖維素混在一起，是細(xì)胞壁特別是木質(zhì)化細(xì)胞壁的主要成分之一。木質(zhì)素是填充在纖維素的微晶束之間的空隙中，也有一部分木質(zhì)素與纖維素成結(jié)合狀態(tài)。木質(zhì)素的細(xì)胞都是死細(xì)胞，不再起代謝作用，是植物中最穩(wěn)定的物質(zhì)，故木質(zhì)素主要是加強(qiáng)組織的機(jī)械強(qiáng)度，增強(qiáng)對(duì)腐生菌的抵抗力。
糧食籽粒的皮層含有大量礦質(zhì)元素，如P,K,Mg,Ca,Fe,Si,Na等及微量礦質(zhì)元素如Zn,Mn,Ni,As等。這些礦質(zhì)元素有的是細(xì)胞壁或原生質(zhì)的組成成分。如稻殼中的Si,蛋白質(zhì)的S，白和磷脂中的P,葉綠素中的Mg,果膠中的Ca及植酸鹽中的Ca和Mg等。有的是生物有機(jī)體生理活動(dòng)機(jī)能的調(diào)節(jié)者，如k對(duì)于光合作用，Ca對(duì)養(yǎng)分運(yùn)輸，F(xiàn)e對(duì)葉綠素的形成都具有調(diào)節(jié)作用。有的還是酶的組成成分，如Fe是抗壞血酸氧化酶和多酚氧化酶的組成成分，這些元素就成為酶的活化催化劑。總之，礦質(zhì)元素是一切動(dòng)植物生長(zhǎng)所不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)之一，尤其以鈣和鐵用以評(píng)定食物中的礦質(zhì)元素的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。一般情況下，糧粒加工精度越高，皮層除去越徹底礦質(zhì)元素含量越低，故粗制糧中礦質(zhì)元素含量豐富些。
還有重要的一類(lèi)營(yíng)養(yǎng)素——維生素，它分為水溶性維生素和脂溶性維生素兩類(lèi)。維生素是維持人和動(dòng)物正常生理功能所必須的一類(lèi)天然有機(jī)化合物。一般不能在體內(nèi)合成，腸道微生物可合成一些，但遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足機(jī)體需要，通常由食物來(lái)供給，糧食籽粒中的種種維生素大部分分布在胚和皮層中的糊粉層中，胚乳含量很少。加工后大多數(shù)維生素轉(zhuǎn)入副產(chǎn)品中，所以加工精度越高，保留下來(lái)的維生素越少，專(zhuān)門(mén)米白面的人常常容易患腳氣病，這就是人們共知的維生素缺乏病。故適當(dāng)食用粗制糧能最大限度滿(mǎn)足人體對(duì)礦物質(zhì)及維生素的需求。
蛋白質(zhì)和脂肪及可溶性糖也是糧粒皮層的構(gòu)成成分，但由于它們的來(lái)源比較豐富，一般情況都能滿(mǎn)足。
綜上所述，糧粒皮層營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富，它既含有不易被人體消化吸收但極具生理功能的纖維素、半纖維素及木質(zhì)素，還含有其他部位相對(duì)缺乏的礦物質(zhì)和維生素，對(duì)人體具有重要的生理功能，故人類(lèi)膳食細(xì)中有粗是必要的也是科學(xué)的。
參考文獻(xiàn)
[1]王旭峰,何計(jì)國(guó),陶純潔,單秀峰.小麥麩皮的功能及其加工利用現(xiàn)狀[J].糧食與食品工業(yè),2006(1):19～22.
纖維素酶是一組復(fù)合酶系,通過(guò)多種酶的協(xié)同作用水解降解纖維素,纖維素酶主要來(lái)源于可產(chǎn)纖維素酶的細(xì)菌和真菌。其中,由于絲狀真菌纖維素酶產(chǎn)量高于細(xì)菌和酵母菌等真菌,被廣泛應(yīng)用于纖維素酶產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。作為絲狀真菌中的一員,黑曲霉菌高產(chǎn)纖維素酶,且安全、無(wú)毒素,在產(chǎn)纖維素酶微生物研究領(lǐng)域,黑曲霉菌是開(kāi)發(fā)、利用最為廣泛的真菌之一。近年來(lái),在高產(chǎn)纖維素酶微生物,發(fā)酵產(chǎn)酶工藝,應(yīng)用領(lǐng)域等方面國(guó)內(nèi)外均開(kāi)展了相關(guān)研究,且取得了一定的進(jìn)展。
1 纖維素酶的組成與催化機(jī)制
纖維素酶是由三種不同酶組成的復(fù)合酶系,主要包括內(nèi)切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶或纖維二塘水解酶、β - 葡萄糖苷酶。三種酶通過(guò)協(xié)同作用將纖維素降解為寡糖和纖維二塘,并最終水解為葡萄糖。內(nèi)切葡聚糖酶主要作用于纖維素分子的非結(jié)晶區(qū),隨機(jī)水解β - 1,4 糖苷鍵并產(chǎn)生大量帶有非還原末端的小分子纖維,此外,也能水解纖維素的某些基團(tuán)取代產(chǎn)物,如羧甲基纖維素和羥乙基纖維素等。外切葡聚糖酶主要作用于微晶纖維素分子的還原端和非還原端,水解β - 1,4 糖苷鍵,從而裂解下二糖分子。β - 葡萄糖苷酶可將纖維二糖和其他可溶性寡糖水解為葡萄糖。
2 產(chǎn)纖維素酶微生物
產(chǎn)纖維素酶的微生物主要包括細(xì)菌、真菌和放線(xiàn)菌。放線(xiàn)菌和細(xì)菌纖維素酶產(chǎn)量相對(duì)較低,放線(xiàn)菌生長(zhǎng)緩慢,相關(guān)研究較少,細(xì)菌纖維素酶多為內(nèi)切葡聚糖酶,對(duì)結(jié)晶纖維素?zé)o活性,且分離難度較大,影響其產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)。高產(chǎn)纖維素酶的真菌主要包括曲霉菌屬、木霉菌屬、青霉菌屬、鐮孢菌屬和枝頂孢雄屬等。其中,絲狀真菌是纖維素酶產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)與利用的首選微生物。曲霉菌屬是絲狀真菌中著名的高產(chǎn)纖維素酶菌屬之一,而作為曲霉菌屬中的一員,黑曲霉菌除高產(chǎn)纖維素酶外,還能合成木聚糖酶、果膠酶、淀粉酶、α - 半乳糖苷酶、β - 葡聚糖酶、葡萄糖氧化酶、脂肪酶、甘露聚糖酶、植酸酶、蛋白酶等酶,可促進(jìn)生物質(zhì)的高效降解,且安全、無(wú)毒素,其研究與產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)也較為廣泛。
3 黑曲霉菌產(chǎn)酶工藝與影響因素
由于黑曲霉菌需在低含水量固態(tài)發(fā)酵底物中生長(zhǎng)、傳代,其生產(chǎn)纖維素酶工藝通常采用固體發(fā)酵法。固體發(fā)酵法的最大優(yōu)點(diǎn)是可以利用木質(zhì)纖維素廢棄物作為發(fā)酵底物,且固體發(fā)酵法提供的生長(zhǎng)環(huán)境與黑曲霉菌的天然生長(zhǎng)環(huán)境相似,更有利于其生長(zhǎng)、傳代。此外,固體發(fā)酵法還具備成本低,工藝簡(jiǎn)單,酶產(chǎn)物回收率高,能源需求低,污水排放少等優(yōu)點(diǎn)。主要缺點(diǎn)是發(fā)酵過(guò)程中溫度、pH、營(yíng)養(yǎng)成分含量等工藝條件的控制與監(jiān)測(cè)較為復(fù)雜與困難。另外,國(guó)外也有學(xué)者改良了黑曲霉菌發(fā)酵產(chǎn)酶工藝,Cunha 等選用黑曲霉菌為生產(chǎn)菌,甘蔗廢棄物為發(fā)酵底物,應(yīng)用固液連續(xù)發(fā)酵法生產(chǎn)纖維素酶,研究結(jié)果表明,應(yīng)用固液連續(xù)發(fā)酵法獲得內(nèi)切葡聚糖酶和木聚糖酶產(chǎn)量高于傳統(tǒng)的固體發(fā)酵法。
黑曲霉菌纖維素酶產(chǎn)量受到多種因素影響,主要包括發(fā)酵培養(yǎng)工藝,產(chǎn)酶誘導(dǎo)因子,菌株產(chǎn)酶效率,發(fā)酵設(shè)備生產(chǎn)效率等均可影響黑曲霉菌的生長(zhǎng)狀態(tài),從而影響其酶合成量。其中,發(fā)酵培養(yǎng)條件( 如pH、溫度、培養(yǎng)基氮源、碳源、陽(yáng)離子等) 可通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)改良。在固體發(fā)酵底物中添加不同種類(lèi)的纖維素和木質(zhì)素,乳糖等誘導(dǎo)因子,可在一定程度上誘導(dǎo)黑曲霉菌提高纖維素酶產(chǎn)量。
4 產(chǎn)纖維素酶黑曲霉菌應(yīng)用研究
黑曲霉菌高產(chǎn)纖維素酶,在乙醇等生物燃料開(kāi)發(fā)領(lǐng)域具有一定應(yīng)用前景。此外,在食品加工,木質(zhì)纖維素廢棄物降解,動(dòng)物飼料添加劑等領(lǐng)域也取得了相關(guān)研究進(jìn)展。
4. 1 生物燃料
2010 年我國(guó)可收集秸稈資源量約為7 億t,加上工業(yè)和林業(yè)纖維廢棄物,每年木質(zhì)纖維素資源總量將超過(guò)20 億t。產(chǎn)纖維素黑曲霉菌可將農(nóng)作物的秸稈、工業(yè)和林業(yè)纖維廢棄物等木質(zhì)纖維素原料水解為葡萄糖,用于生產(chǎn)乙醇、有機(jī)酸和其他化學(xué)制品,從而緩解人們對(duì)礦物燃料的依賴(lài)。Bjorn 等將甘蔗渣和云杉木水解液作為發(fā)酵底物,研究了重組黑曲霉菌D15 菌株的產(chǎn)酶特性,結(jié)果表明,重組黑曲霉菌D15 不僅可降解木質(zhì)纖維素,還可降解和轉(zhuǎn)化其衍生物,如乙酸、呋喃醛、紫錐菊多酚等,有利于酵母菌乙醇發(fā)酵,從而促進(jìn)以木質(zhì)纖維素生物質(zhì)為原料第二代生物乙醇工廠(chǎng)的發(fā)展。
4. 2 食品加工
在保健食品、果汁和蔬菜汁加工和茶葉加工等領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)外學(xué)者報(bào)道了相關(guān)研究。Dhillon 等選用蘋(píng)果醬、稻殼、藜蘆醇、硫酸銅、乳糖等原料配制固體發(fā)酵培養(yǎng)基,研究了黑曲霉菌NRRL - 567 纖維素酶粗提液中非特異性殼多糖酶和殼聚糖酶的活性,殼多糖酶和殼聚糖酶活性分別達(dá)到了70. 28 U/g 和64. 20 U/g,且保存1 個(gè)月后酶活性仍達(dá)到92% ~94%。高殼多糖酶和殼聚糖酶活性的黑曲霉菌纖維素酶提取液,可用于生產(chǎn)低分子量殼多糖和殼聚糖低聚體。在保健食品生產(chǎn)方面具有重要的用途。Ajay等從黑曲霉菌DFR - 5 酶液中提純木聚糖酶,并研究了木聚糖酶與果膠酶和纖維素酶混合物對(duì)菠蘿汁產(chǎn)量和澄清度的影響。與對(duì)照組相比,木聚糖酶試驗(yàn)組菠蘿汁的生產(chǎn)率和澄清度分別達(dá)到了71. 3% 和64. 7%,均高于對(duì)照組( 61. 8% 和57. 8%) 。結(jié)果表明,黑曲霉菌木聚糖酶提取液可用于提高果汁澄清度,在果汁和蔬菜汁加工領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。另外,在茶葉加工領(lǐng)域,黑曲霉菌是普洱茶發(fā)酵過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)菌,通過(guò)合成多種酶類(lèi),促進(jìn)酚類(lèi)物質(zhì)、纖維素、果膠、蛋白質(zhì)等物質(zhì)的分解,可一定程度上改善茶葉感官特性,縮短加工時(shí)間,提高茶葉品質(zhì)。
4. 3 木質(zhì)纖維素廢棄物降解
纖維素類(lèi)城市固體廢棄物作為一類(lèi)可再生生物質(zhì),其資源量巨大,可用于生產(chǎn)纖維素酶,Gautam等選用城市固體廢棄物作為碳源,研究了黑曲霉菌和木霉菌纖維素酶活,固體廢棄物、蛋白胨、酵母提取液為最理想的碳源和氮源,黑曲霉菌和木霉菌培養(yǎng)物中酶的總量比其他真菌高40% ~ 60%。結(jié)果表明,纖維素類(lèi)城市固體廢棄物作為一種碳源,可由黑曲霉菌和木霉菌降解、利用。此外,黑曲霉菌還可降解農(nóng)作物秸稈、甘蔗渣、椰殼廢棄物等纖維素廢棄物資源,合成纖維素酶,變廢為寶,從而減少資源浪費(fèi),降低環(huán)境污染。
4. 4 動(dòng)物飼料添加劑
由于黑曲霉菌安全,無(wú)毒素,且高產(chǎn)纖維素酶,在動(dòng)物飼料添加劑研究與應(yīng)用領(lǐng)域,已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。Chandra 等分別以牛落花生飼草、麥麩、米糠、鋸屑等木質(zhì)纖維素作為固體發(fā)酵底物,研究了黑曲霉菌濾紙酶活、羧甲基纖維素酶活和葡萄糖苷酶酶活,比較了各種底物發(fā)酵前后蛋白含量。其中,黑曲霉菌發(fā)酵落花生飼草和麥麩底物后濾紙酶活、羧甲基纖維素酶活、β - 葡萄糖苷酶酶均顯著高于其他實(shí)驗(yàn)組。此外,發(fā)酵后的牛落花生飼草蛋白含量有所提高。結(jié)果表明,黑曲霉菌可發(fā)酵牛落花生飼草、麥麩等木質(zhì)纖維素合成纖維素酶,且提高了牛落花生飼草營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。張福元等研究了黑曲霉發(fā)酵玉米秸稈產(chǎn)纖維素酶及降解基質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)條件,優(yōu)化營(yíng)養(yǎng)條件后可使黑曲霉菌株產(chǎn)CMCase、FPase 酶活性達(dá)到最高。此外,經(jīng)黑曲霉菌發(fā)酵后,玉米秸稈粗蛋白含量提高了1. 2 倍,粗纖維、中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維含量分別下降了34%、19%、23%。結(jié)果表明,黑曲霉菌可發(fā)酵玉米秸稈合成纖維素酶,且提高了玉米秸稈營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,為玉米秸稈青貯、黃貯發(fā)酵飼料的產(chǎn)業(yè)化開(kāi)
發(fā)和應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。 5 小結(jié)
關(guān)鍵詞 活性添加劑；沼氣發(fā)酵；產(chǎn)氣率
中圖分類(lèi)號(hào) S216.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2012）20-0197-01
沼氣發(fā)酵是一個(gè)多菌群在厭氧條件下共生代謝、使有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳的過(guò)程[1]。在厭氧消化過(guò)程中，沼氣產(chǎn)量與各種水解酶活性呈正比關(guān)系。水解酶包括脂肪酶、纖維素酶、淀粉酶等。有研究表明，要加快發(fā)酵原料中纖維素的降解速度，明顯提高沼氣產(chǎn)量，可采用適量添加水解酶的方法[2-4]。有機(jī)廢物是發(fā)酵所用的主要原料，包括有機(jī)垃圾、人畜糞便等，具有淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素等有效成分。發(fā)酵過(guò)程開(kāi)始這些成分也隨之進(jìn)行水解，整個(gè)發(fā)酵的速度由其決定，而水解的速度由各種成分對(duì)應(yīng)的酶活決定。由此可見(jiàn)，水解酶活與沼氣產(chǎn)量存在直接關(guān)系。因此，維持沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中的一定水解酶活力，有利于提高沼氣產(chǎn)量和原料的利用率。該文主要研究活性添加劑對(duì)沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣率的影響，以為借助生物酶的手段提高原料產(chǎn)氣率和利用率提供理論依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 供試材料
供試菌種：以前期研究中收集的混合菌種進(jìn)行初步篩選得到的水解性混合菌種作為菌種。發(fā)酵原料：新鮮的豬糞。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 活性添加劑的制備。以麥麩和米糠作為培養(yǎng)基原料，加水至原料含水60%～70%，發(fā)酵原料攪勻后接入5%左右的混合麩曲種，攪勻裝入簸箕中，裝入簸箕的料量厚5～7 cm；上架擺放，上面扣蓋相同大小的簸箕，于室溫下培養(yǎng)3～4 d，其間翻料1～2次；翻料時(shí)，不宜把料弄碎，應(yīng)成塊狀進(jìn)行翻料降溫；發(fā)酵完畢，風(fēng)干至水分含量低于5%。各簸箕發(fā)酵產(chǎn)物集中混合均勻后，取樣分析各酶活值[5-6]。
1.2.2 添加劑對(duì)產(chǎn)氣量的影響。以豬糞為試驗(yàn)原料，用12套裝置在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展試驗(yàn)，將配制好的發(fā)酵料液混合均勻后分裝在發(fā)酵瓶中，在室溫下進(jìn)行批量發(fā)酵，每瓶裝入發(fā)酵料液800 mL。3 d后產(chǎn)氣正常，將12套裝置隨機(jī)分為4組，每組設(shè)3次重復(fù)，設(shè)1個(gè)對(duì)照組，不加添加劑，第1、2、3組分別加入占發(fā)酵料液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.005%、0.010%、0.020%的添加劑，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。在試驗(yàn)過(guò)程中，記錄每天的產(chǎn)氣量，試驗(yàn)共進(jìn)行30 d。
1.2.3 添加劑酶活性的測(cè)定。主要測(cè)定添加劑中糖化型淀粉酶、纖維素酶和半纖維素酶的活性。
2 結(jié)果與分析
2.1 添加劑的酶活性
利用篩選的混合菌種制備出沼氣發(fā)酵添加劑，經(jīng)測(cè)定，各混合水解酶活性見(jiàn)表2。從表中數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)混合菌種進(jìn)行篩選和馴化可制備出酶活性較高的沼氣發(fā)酵活性添加劑。
2.2 添加劑對(duì)沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響
試驗(yàn)共開(kāi)展了30 d，活性添加劑對(duì)豬糞產(chǎn)沼氣的影響見(jiàn)圖1。可以看出，CK總產(chǎn)氣量為2 634 mL，添加添加劑0.005%的第1組總產(chǎn)氣量為2 823 mL，產(chǎn)氣量比CK增加7.18%；添加添加劑0.010%的第2組總產(chǎn)氣量為3 063 mL，產(chǎn)氣量比CK增加16.29%；添加添加劑0.020%的第3組總產(chǎn)氣量為3 103 mL，產(chǎn)氣量比CK增加17.81%。研究結(jié)果表明，添加發(fā)酵添加劑后對(duì)沼氣發(fā)酵環(huán)境是有益的，產(chǎn)氣量有所增加。
3 結(jié)論
（1）對(duì)混合菌種進(jìn)行篩選和馴化制備出酶活性較高的沼氣發(fā)酵活性添加劑，糖化型淀粉酶的酶活為55 000 mg葡萄糖/g·h，纖維素酶的酶活為1 700 μg葡萄糖/g·min，半纖維素酶的酶活為8 400 μg木糖/g·h。
（2）試驗(yàn)研究結(jié)果表明，添加0.005%、0.010%和0.020%的活性添加劑，產(chǎn)氣量比不加添加劑分別增加7.18%、16.29%、17.81%，說(shuō)明沼氣發(fā)酵活性添加劑對(duì)提高產(chǎn)沼氣量有促進(jìn)作用。
4 參考文獻(xiàn)
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【關(guān)鍵詞】 纖維素酶；生物學(xué)研究；生物學(xué)應(yīng)用進(jìn)展
doi：10.3969/j.issn.1004—7484（x）.2012.10.659 文章編號(hào)：1004—7484（2012）—10—4174—02
纖維素酶由多種水解酶組成，既能在大自然中合成，也是我國(guó)四大工業(yè)酶種工業(yè)合成的重要組成部分，它是一種可再生的、可持續(xù)發(fā)展的酶，它的主要作用就是催化纖維素轉(zhuǎn)化成葡萄糖，纖維素酶普遍存在于大自然中，很多真菌能夠分泌，纖維素酶多年來(lái)也廣泛的應(yīng)用于我國(guó)的食品工業(yè)、制酒工業(yè)以及紡織工業(yè)中，對(duì)我國(guó)發(fā)展具有極大的促進(jìn)作用。近年來(lái)，隨著生物工程的發(fā)展，對(duì)于纖維素酶分離純化、克隆以及其結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)成為人們研究的熱點(diǎn)以及要解決的難點(diǎn)問(wèn)題。本文主要分析了纖維素酶組分、基因結(jié)構(gòu)、克隆及表達(dá)、作用機(jī)理、纖維素酶生活中應(yīng)用以及進(jìn)展研究。
1 纖維素酶組分
竇全林1等對(duì)于不同真菌產(chǎn)生的纖維素酶性質(zhì)以及種類(lèi)做了研究，狹義上一般分成纖維二糖水解酶、內(nèi)切葡聚糖酶以及β葡糖苷酶，內(nèi)切葡聚糖酶是最初破壞纖維素鏈并且起作用的酶，纖維二糖水解酶經(jīng)內(nèi)切葡聚糖酶激活之后的酶，β葡糖苷酶可以分解纖維二糖，使之成為葡萄糖。通過(guò)三種酶的共同作用，能夠成功時(shí)的纖維素分解，變成葡萄糖，三者稱(chēng)為完全纖維素酶系。
2 纖維素酶基因結(jié)構(gòu)
真菌編碼纖維素酶的基因主要在染色體上面，并且隨機(jī)分布，形成基因簇，各具備自己的轉(zhuǎn)錄以及調(diào)節(jié)相應(yīng)的單位，轉(zhuǎn)錄單位叫做轉(zhuǎn)錄終止子，但是目前纖維素酶基因結(jié)構(gòu)上的主要啟動(dòng)因子還不是很明了，值得進(jìn)行進(jìn)一步研究。
3 纖維素酶克隆及表達(dá)
陳小堅(jiān)等對(duì)纖維素酶克隆及表達(dá)進(jìn)行了研究，纖維素酶克隆及表達(dá)主要包括獲得高產(chǎn)菌株以及基因、選擇宿主、構(gòu)建表達(dá)載體、進(jìn)行轉(zhuǎn)化等四大階段。首先是獲得高產(chǎn)菌株以及基因，對(duì)微生物進(jìn)行篩選，選出高產(chǎn)菌株，實(shí)施誘變措施進(jìn)行誘變，然后是獲得基因，如果已知基因序列的情況下，可以從基因組中調(diào)出，未知的情況下，可以從自然界中進(jìn)行微生物分離以及培養(yǎng)，選擇基因進(jìn)行克隆。其次，真菌是比較好的表達(dá)宿主，可以達(dá)到分泌蛋白量，進(jìn)行乙酰化以及糖基化，獲得纖維素酶的正確表達(dá)，獲得很高的蛋白產(chǎn)量。再者是構(gòu)建表達(dá)載體，對(duì)篩選方式、轉(zhuǎn)化以及表達(dá)的方式以及載體進(jìn)行構(gòu)建，爭(zhēng)取能夠啟動(dòng)強(qiáng)啟動(dòng)子，實(shí)現(xiàn)基因轉(zhuǎn)錄，提高啟動(dòng)子效率，表達(dá)目標(biāo)蛋白，提高目標(biāo)蛋白產(chǎn)量。最后是進(jìn)行轉(zhuǎn)化，主要的轉(zhuǎn)化方式有氯化鋰、原生質(zhì)以及農(nóng)桿菌等轉(zhuǎn)化方式，有效提高轉(zhuǎn)化率。
4 纖維素酶作用機(jī)理
陳燕勤2等對(duì)纖維素酶作用機(jī)理進(jìn)行了探討，在1954年，GiIIigan等學(xué)者提出了纖維素酶能夠有效的促進(jìn)纖維素酶的分解的觀(guān)點(diǎn)，并且復(fù)合分解的效果大于單獨(dú)分解的效果。此后年間，更過(guò)的學(xué)者對(duì)于這種作用進(jìn)行了證明，證明方法包括電子顯微鏡以及多種菌種的纖維素酶的應(yīng)用。隨后，F(xiàn)aterstam等發(fā)現(xiàn)，纖維二糖水解酶的分解作用是一般的單組酶的兩倍之多，并且分解的時(shí)候，與內(nèi)切葡聚糖酶具有協(xié)同的作用，隨后更多的學(xué)者證明了這種理論，目前，專(zhuān)家以及學(xué)者們對(duì)于這種協(xié)同作用理論也大多呈認(rèn)可或者不反對(duì)狀態(tài)，具體還要做進(jìn)一步研究。
5 纖維素酶生活中應(yīng)用
李燕紅3等已經(jīng)對(duì)目前纖維素酶生活中應(yīng)用做了一個(gè)比較系統(tǒng)的研究，從1995到2005年，2005年工業(yè)上酶使用已經(jīng)為1995年的三倍，主要來(lái)源為美國(guó)以及日本，這兩個(gè)國(guó)家是纖維素酶應(yīng)用的兩大巨頭，目前纖維素酶以及被廣泛的應(yīng)用于我國(guó)的制酒、紡織、飼料以及食品業(yè)中，并且對(duì)于我國(guó)工業(yè)起到了極大的推動(dòng)作用，首先在食品工業(yè)中，一方面，主要是進(jìn)行橄欖油以及果蔬汁的榨取，去除掉果汁以及蔬菜汁的沉淀物，促進(jìn)谷物水分吸收，去除豆子中的豆衣，實(shí)現(xiàn)谷物蛋白以及淀粉的成功分離等。另一方面，纖維素酶可以用于提取纖維寡糖等可溶性糖，脫離細(xì)胞壁，取出有用的蛋白等。
其次在制酒工業(yè)中，主要有力于葡萄酒以及啤酒的制造，利用纖維素酶，能夠促進(jìn)水解制酒過(guò)程中葡萄汁以及大麥汁，有效的分解沉淀物，提高過(guò)濾的效率，增加酒香，提高釀酒的效率，促進(jìn)釀酒業(yè)的發(fā)展。
再者是在紡織行業(yè)中，紡織行業(yè)纖維素酶的應(yīng)用仍然屬于比較新興的應(yīng)用，主要用于拋光以及打磨兩個(gè)階段，日常應(yīng)用范圍也比較廣，主要是能夠有效的取出衣物表面存在的碎纖維，方便家庭日常的洗滌工作，通過(guò)拋光以及打磨兩個(gè)階段，提高衣物光澤。
最后是飼料行業(yè)。這個(gè)行業(yè)我我國(guó)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，是保證滿(mǎn)足16億人口大國(guó)溫飽的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而纖維素酶又是其中的重點(diǎn)問(wèn)題，纖維素酶加入到飼料當(dāng)中，能夠起到很好的補(bǔ)充作用，增強(qiáng)動(dòng)物體能，防止動(dòng)物反芻事件發(fā)生。除此以外，還能通過(guò)應(yīng)用在纖維素物質(zhì)如去掉谷物殼等中，有效提高動(dòng)物消化的效率，并且分泌相應(yīng)的物質(zhì)，促進(jìn)動(dòng)物體內(nèi)的粗糙糧食得到消化以及吸收。
當(dāng)前，無(wú)論是能源問(wèn)題還是食品問(wèn)題都是建設(shè)中要解決的重點(diǎn)以及難點(diǎn)問(wèn)題，纖維素酶作為一種生物工程主要建設(shè)工業(yè)酶，其成功的提取以及應(yīng)用，對(duì)于保證我國(guó)解決能源以及食品問(wèn)題，促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展有著空前意義，纖維素酶憑借其價(jià)格以及成本低廉、應(yīng)用廣泛、使用方便等特點(diǎn)，已經(jīng)成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)話(huà)題之一，只有加強(qiáng)對(duì)纖維素酶組分、基因結(jié)構(gòu)、克隆及表達(dá)、作用機(jī)理、纖維素酶生活中應(yīng)用以及進(jìn)展進(jìn)行研究，才能使得各環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問(wèn)題得到很好的改善，促進(jìn)各個(gè)環(huán)節(jié)的完善，使得纖維素酶克隆及表達(dá)順利，實(shí)現(xiàn)成功的合成，并且利用纖維素酶，為我國(guó)的農(nóng)業(yè)、紡織業(yè)、制酒業(yè)以及飼料行業(yè)做出貢獻(xiàn)，隨著發(fā)展的深入，擴(kuò)展纖維素酶使用的范圍，促進(jìn)纖維素酶的發(fā)展，使其使用范圍深入到我們生活的各個(gè)方面，為我們生活做出貢獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞：園林廢棄物；纖維素；降解；鑒定
園林廢棄物包括落葉、枯枝等，是城市園林綠化過(guò)程中常見(jiàn)的生物質(zhì)廢物，其主要成分是纖維素。為提高園林廢棄物利用效率，分離和篩選具有高效纖維素降解能力的降解菌株具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于纖維素降解的研究很多，包括單一高效菌株的篩選、鑒定及改造[1]，菌種的產(chǎn)酶性能、作用機(jī)理及應(yīng)用效果[2-7]，復(fù)合菌株的研究等[8-9]。例如，張夢(mèng)君等[1]從高海拔的植物根際土壤中篩選具有高效降解纖維素能力的低溫真菌，得到可在低溫條件下生長(zhǎng)且有較強(qiáng)降解能力的菌株；趙鈺[2]從腐殖土中篩選出具有降解纖維素酶能力的放線(xiàn)菌，測(cè)定其酶活及其影響因素；孟建宇等[9]對(duì)酶活性高的菌株構(gòu)建復(fù)合系，測(cè)定其濾紙降解能力，發(fā)現(xiàn)復(fù)合菌的降解能力是單菌株的5~10倍。因此，本研究的主要目的是篩選并獲得高效園林廢棄物降解菌株，并在此基礎(chǔ)上與同類(lèi)降解菌進(jìn)行比較分析，可為進(jìn)一步開(kāi)展高效園林廢棄物降解菌種制備提供基礎(chǔ)和技術(shù)支持。
1材料與方法
1.1試驗(yàn)材料
1.1.1樣本。對(duì)園林廢棄物堆積的腐殖土壤（0~20cm土樣）及腐爛的樹(shù)葉進(jìn)行取樣，作為供試樣本。1.1.2培養(yǎng)基與試劑。沙氏培養(yǎng)基配方為蛋白胨10g、葡萄糖40g、瓊脂15.0g、氯霉素0.1g、蒸餾水1000mL；LB培養(yǎng)基配方為瓊脂20g、胰蛋白胨10g、酵母粉5g、NaCl5g、蒸餾水1000mL；CMC-Na培養(yǎng)基配方為CMC-Na15.0g、酵母粉5.0g、KH2PO41.0g、瓊脂2.0g、MgSO40.5g、NaCl5.0g、蛋白胨10.0g、蒸餾水1000mL，調(diào)節(jié)pH值至7.2；產(chǎn)酶培養(yǎng)基配方為CMC-Na15.0g、酵母粉5.0g、KH2PO42.0g、蒸餾水1000mL，調(diào)節(jié)pH值至7.0。培養(yǎng)基均為121℃滅菌25min后使用。試劑包括二硝基水楊酸（DNS試劑）、剛果紅染色劑等。試驗(yàn)所用試劑均為分析純。1.1.3主要儀器設(shè)備。試驗(yàn)儀器包括恒溫振蕩培養(yǎng)箱（上海智城分析儀器制造公司）、珠江牌培養(yǎng)箱（韶關(guān)市泰宏醫(yī)療器械有限公司）、立式高壓蒸汽滅菌鍋（上海申安醫(yī)療器械廠(chǎng)）、超凈工作臺(tái)（上海智城分析儀器制造公司）、高速冷凍離心機(jī)（鉑金埃爾默企業(yè)管理上海有限公司）、酶標(biāo)儀（鉑金埃爾默企業(yè)管理上海有限公司）、旋渦混合器（海門(mén)市其林貝爾儀器制造有限公司）。
1.2試驗(yàn)方法
1.2.1園林廢棄物降解菌的分離與篩選。（1）菌株分離。將采集的土樣、腐爛落葉置于無(wú)菌水中，振蕩均勻，稀釋成一系列不同稀釋度，取10-3、10-4、10-5、10-6稀釋液100μL，分別涂布于沙氏培養(yǎng)基和LB培養(yǎng)基，每個(gè)梯度重復(fù)2次。LB培養(yǎng)基置于37℃培養(yǎng)24h，沙氏培養(yǎng)基置于28℃培養(yǎng)72h。待長(zhǎng)出菌落后，挑選單菌落接種于CMC-Na培養(yǎng)基上進(jìn)行初步分離，CMC-Na培養(yǎng)基上分離得到纖維素降解菌株55株，將細(xì)菌編號(hào)為1~40號(hào)、真菌編號(hào)為41~55號(hào)。細(xì)菌、真菌分別于37℃和28℃培養(yǎng)48h。（2）菌株篩選。菌株初篩采用剛果紅染色法，用1mg/mL剛果紅染液染色1h，棄去染液，加入1mol/LNaCl溶液脫色1h。纖維素降解菌的位置會(huì)形成透明圈，選出具有水解圈的菌株共計(jì)15株。復(fù)篩采用產(chǎn)酶培養(yǎng)菌液，然后分別測(cè)定菌液內(nèi)切型-β-葡聚糖酶活力（CMC酶活）、外切型-β-葡聚糖酶活。（3）CMC酶活的測(cè)定。以1%羧甲基纖維素鈉溶液作為底物，測(cè)試組選取1%羧甲基纖維素鈉1mL加入pH值=4.5的檸檬酸緩沖液0.5mL、粗酶液0.5mL，于50℃水浴鍋中反應(yīng)30min。中止反應(yīng)后，加入DNS試劑1.5mL，將各管搖勻，沸水浴5min，取出。待冷卻至室溫后，定容至20mL，加塞，顛倒混勻，并測(cè)量其在540nm下的OD值。空白組不進(jìn)行50℃水浴，先加DNS以鈍化酶活，其他操作都與測(cè)試組相同。以每分鐘生成相當(dāng)于1μg的葡萄糖為1個(gè)酶活單位。（4）外切型-β-葡聚糖酶活力的測(cè)定。在試管中加入1%微晶纖維素底物溶液和緩沖液0.5mL，再加入酶液0.5mL，于50℃水浴鍋中反應(yīng)30min。中止反應(yīng)后，與CMC酶的處理方式相同，在540nm下測(cè)定其OD值。空白組不進(jìn)行50℃水浴，先加DNS用于鈍化酶活，其他操作都與對(duì)照組相同。以每分鐘生成相當(dāng)于1μg的葡萄糖為1個(gè)酶活力單位。1.2.2纖維素降解菌鑒定。纖維素分解菌14、20、28、29、30、38號(hào)等菌株16SrDNA序列及系統(tǒng)發(fā)育分析。利用DNA提取試劑盒（OmegaSoilDNAKit）提取菌株基因組DNA，并以此DNA為模板，分別利用16SrDNA通用引物27F（5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′）、1492R（5′-GGTTACCTTGTTACGACTT-3′）、ITS3（5′-GCATCGATGAAGAACGCAGC-3′）和ITS4（5′-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3′）進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR的反應(yīng)體系為用量50μL，DNA模板1μL，10×Tagbuffer5.0μL，上、下游引物各1μL，dNTP1μL，Taq酶1μL，無(wú)菌去離子水40μL。反應(yīng)程序?yàn)?4℃預(yù)變性5min，94℃變性30s，52℃退火30s，72℃延展1min，72℃再次延展8min，共30個(gè)循環(huán)。取PCR產(chǎn)物5μL在1.5%瓊脂凝膠上進(jìn)行電泳檢測(cè)，然后送至賽默飛世爾公司進(jìn)行測(cè)序。將得到的序列在NCBI中進(jìn)行Blast比對(duì)，并在GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取相似性較高的16SrDNA序列，然后利用MEGA7.0版本軟件進(jìn)行聚類(lèi)分析，構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)，進(jìn)行同源性分析。
2結(jié)果與分析
2.1纖維素降解菌的篩選
2.1.1初篩。從降解菌菌株的剛果紅染色結(jié)果（表1）看出：水解圈直徑較大的為52號(hào)和4號(hào)菌株，形成的水解圈直徑分別達(dá)到36.00mm和48.00mm；水解圈與菌落大小（直徑）比值較大的為20號(hào)、39號(hào)菌株，比值大小分別為7.00和6.00。對(duì)水解圈比值較大的10株菌株進(jìn)行復(fù)篩。2.1.2復(fù)篩。測(cè)定上述10株菌株（4號(hào)、14號(hào)、20號(hào)、28號(hào)、29號(hào)、30號(hào)、31號(hào)、38號(hào)、39號(hào)、51號(hào)）的粗酶液酶活，并進(jìn)行復(fù)篩。CMC酶活和外切型-β-葡聚糖酶活測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知，這10株纖維素降解菌株中CMC酶活最大的為51號(hào)菌株（48.8U/mL），其次為4號(hào)菌株（40.1U/mL）、39號(hào)菌株（38.2U/mL）、31號(hào)菌株（37.7U/mL）、14號(hào)菌株（34.5U/mL）。外切型-β-葡聚糖酶活最大的是51號(hào)菌株（6.6U/mL），其次是28號(hào)菌株（6.2U/mL）、4號(hào)菌株（6.0U/mL）、20號(hào)菌株（5.2U/mL）。
2.2菌株的鑒定
提取4號(hào)、14號(hào)、20號(hào)、28號(hào)、29號(hào)、30號(hào)、31號(hào)、38號(hào)、39號(hào)、51號(hào)共10株菌株的總DNA，成功提取6株菌株的DNA。利用16SrDNA通用引物擴(kuò)增后外送測(cè)序，最終成功獲得4株菌株拼接序列，即14號(hào)、20號(hào)、29號(hào)和30號(hào)菌株。對(duì)各菌株及其相近序列進(jìn)行建樹(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知，系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的各節(jié)點(diǎn)自展值高于70，該系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)可信。14號(hào)菌、29號(hào)菌與假蕈狀芽孢桿菌（ACMV01000212）聚為一支，且可信度達(dá)到100%，初步可斷定14號(hào)、29號(hào)菌株為芽孢桿菌屬（Bacillusspp.）。20號(hào)菌株與假單胞菌（LT718459）、蒙特氏假單胞菌（NR114224）聚為一支，可信度達(dá)到79%，可將20號(hào)菌株初步歸為假單胞菌屬（Pseudomonassp.）。30號(hào)菌株與3株泛菌（NR118857、KJ427829、MG450362）聚為一大支，與其中的泛菌（MG450362）聚為一小支，可信度達(dá)100%，30號(hào)菌株可初步判定為泛菌屬（Pantoeasp.）。
3結(jié)論與討論
【摘要】
目的研究黃姜皂素清潔生產(chǎn)工藝。方法采用預(yù)發(fā)酵法、分離法、酶解法、預(yù)發(fā)酵-黑曲霉發(fā)酵法、雙分離法等提取黃姜皂素。結(jié)果雙分離法的纖維素的平均得率為46.36%，淀粉的平均得率為32.75%，黃姜皂素的平均得率為預(yù)發(fā)酵法的86.47％，但酸用量為預(yù)發(fā)酵法的8.33%。結(jié)論雙分離法為黃姜皂素清潔生產(chǎn)工藝，資源利用程度高，且生產(chǎn)周期縮短。
【關(guān)鍵詞】 黃姜； 皂素； 淀粉； 纖維素； 清潔生產(chǎn)
Abstract：ObjectiveTo study the clean production technology of diosgenin. MethodsThe diosgenin was extracted by prefermentation，separation， enzymic hydrolysis， prefermentation and fermentation by A.niger and double-separation.ResultsThe average yield rate of cellulose and starch were 46.36% and 32.75% by double-separation，respectively. The average yield rate of diosgenin of double-separation was 86.47% of that of pre-fermentation， but acid utilizing of the former was only 8.33% of that of the latter.ConclusionThe double-separation is clean production technology of diosgenin. The utilization rate of yam increases. Furthermore， the period of this process is greatly shorter than pre-fermentation.
Key words：Yam； Diosgenin； Starch； Cellulose； Clean production
皂素又名皂苷元，難溶于水，易溶于苯、氯仿等有機(jī)溶劑，是一種重要的甾體激素藥物合成原料，主要用于腦體激素類(lèi)藥物的合成，如黃體酮、抗多靈、口服避孕藥等藥物合成原料，在醫(yī)藥生產(chǎn)中具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值，有“藥用黃金”的美稱(chēng)［1］。目前工業(yè)上生產(chǎn)黃姜皂素一般先經(jīng)自然發(fā)酵，再進(jìn)行酸水解和溶劑浸提，該法使占原料重量約45%～50％的淀粉基本未加利用［2］，且經(jīng)過(guò)酸水解后產(chǎn)生的大量廢水給環(huán)境造成很大的污染。本研究比較了7種黃姜皂素的生產(chǎn)工藝，確定了黃姜皂素清潔生產(chǎn)工藝，為黃姜的綜合利用及黃姜皂素生產(chǎn)造成的環(huán)境污染的解決奠定一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
1 材料與方法
1.1 材料黃姜由咸陽(yáng)綠世紀(jì)公司提供。黑曲霉菌種由實(shí)驗(yàn)室提供。石油醚（30～60℃）、鹽酸。
1.2 方法
1.2.1 預(yù)發(fā)酵法提取黃姜皂素工藝流程： 鮮黃姜 選擇、清洗 粉碎 預(yù)發(fā)酵 酸水解 中和 減壓抽濾、洗滌 干燥 提取 干燥 石油醚沖洗 皂素
1.2.2 分離法提取黃姜皂素［3］
1.2.3 酶解法提取黃姜皂素［4］工藝流程： 鮮黃姜 選擇、清洗 粉碎 酶解發(fā)酵 抽濾 酸水解 中和 減壓抽濾、洗滌 干燥 提取 干燥 石油醚沖洗 皂素
1.2.4 預(yù)發(fā)酵-黑曲霉發(fā)酵法提取黃姜皂素［5］工藝流程： 鮮黃姜 選擇、清洗 粉碎 預(yù)發(fā)酵 黑曲霉發(fā)酵 抽濾 酸水解 中和 減壓抽濾、洗滌 干燥 提取 干燥 石油醚沖洗 皂素
1.2.5 酶解-黑曲霉發(fā)酵法提取黃姜皂素工藝流程： 鮮黃姜 選擇、清洗 粉碎 酶解發(fā)酵 高壓滅菌 黑曲霉發(fā)酵 抽濾 酸水解 中和 減壓抽濾、洗滌 干燥 提取 干燥 石油醚沖洗 皂素
1.2.6 雙分離法提取黃姜皂素
工藝要點(diǎn)說(shuō)明：① 將粉碎過(guò)的黃姜料液用120目濾布擠壓過(guò)濾，并沖洗纖維渣至濾液無(wú)色，使渣漿分離，靜置漿液4 h。此時(shí)，可觀(guān)察到該漿液分3 層，上層清液，中間一層為懸濁液，下層為淀粉沉淀。收集淀粉沉淀，用清水沖洗1～2遍，干燥，稱(chēng)重，并干燥纖維渣，稱(chēng)重。② 在3 000 r/min以上的離心速度離心懸濁液10～15 min，收集沉淀。
1.2.7 雙分離-懸濁液預(yù)發(fā)酵法
2 結(jié)果
2.1 黃姜各組分皂素含量情況將纖維素渣、淀粉、懸濁液分別酸水解，再提取。結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 雙分離法提取黃姜皂素（略）
由表1可知，淀粉層、纖維素及上清液中沒(méi)有提取出皂素，可知皂素全部集中在懸濁液中，提取皂素只需加工處理懸濁液即可。
2.2 7種工藝的比較將7種工藝在淀粉得率，纖維素得率，用酸量及皂素得率等方面進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表2。
由表2可知，雙分離法和雙分離－預(yù)發(fā)酵法的淀粉得率分別為32.75％和30.81％，而分離法的淀粉僅為9.36％；雙分離法和雙分離－預(yù)發(fā)酵法的纖維素得率分別為46.36％和33.56％，其余工藝都沒(méi)有得到副產(chǎn)物淀粉和纖維素，沒(méi)有綜合利用黃姜，雙分離法的皂素得率為86.47％，而雙分離－預(yù)發(fā)酵法的皂素得率僅為60.81％，可見(jiàn)從資源的綜合利用、皂素得率及用酸量比較可知，雙分離法為最佳清潔生成工藝。
表2 7種工藝的比較結(jié)果（略）
2.2.1 不同工藝相對(duì)用酸量的比較見(jiàn)圖1。
由圖1可明顯看出，在7種工藝中，雙分離法及雙分離-預(yù)發(fā)酵法的酸用量最低，均為預(yù)發(fā)酵法的8.3％，而分離法所需酸量最大，為預(yù)發(fā)酵法的133％，其余幾種工藝用酸量和預(yù)發(fā)酵法相同。
2.2.2 不同工藝皂素得率的比較見(jiàn)圖2。
圖1 不同工藝相對(duì)酸用量的比較（略）
圖2 不同工藝黃姜皂素相對(duì)得率的比較（略）
由圖2可知，預(yù)發(fā)酵-黑曲霉發(fā)酵法的皂素得率很高，但其酸用量不能減少，不能實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)的目的，且生產(chǎn)周期長(zhǎng)。分離法、酶解法、酶解-黑曲霉發(fā)酵法等法的得率都比雙分離法略高，但都沒(méi)有減少用酸量。雙分離法得率為預(yù)發(fā)酵的86.47％，但酸用量?jī)H為預(yù)發(fā)酵的8.33％，且不需要預(yù)發(fā)酵，可縮短生產(chǎn)周期，另外可得到大量的淀粉和纖維素，基本實(shí)現(xiàn)了黃姜的綜合利用及清潔生產(chǎn)。
3 結(jié)論
通過(guò)對(duì)7種工藝的比較，綜合考慮各工藝的酸用量、淀粉得率、纖維素得率以及皂素得率等方面，確定雙分離法為最優(yōu)工藝。
雙分離-酸水解法的工藝條件：將粉碎的黃姜過(guò)120目篩分離纖維素，濾液靜置沉淀4h分離淀粉，再將分離淀粉后的懸濁液離心(3 000 r/min，10 min)取沉淀物，沉淀物酸水解4 h(1 mol/L鹽酸，121℃)，水解物經(jīng)減壓抽濾沖洗至中性后用石油醚(沸程30～60℃)索氏抽提6 h(回流速度為7～8 min/次)，抽提物用回收的石油醚沖洗至白色，干燥得成品。
雙分離法的皂素得率為預(yù)發(fā)酵的86.47％，纖維素的平均得率為46.36%，淀粉的平均得率32.75%，但酸用量?jī)H為預(yù)發(fā)酵法的8.3%，且不需要預(yù)發(fā)酵，可縮短生產(chǎn)周期，基本實(shí)現(xiàn)了清潔生產(chǎn)的目的。
參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞：香菇多糖；纖維素酶；超聲波；苯酚-硫酸法
中圖分類(lèi)號(hào)：R284 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160230002
香菇（Lentinus edodes）屬擔(dān)子菌綱，傘菌目，側(cè)耳科，香菇屬植物。香菇在世界范圍內(nèi)被廣泛種植，占全世界蘑菇種樹(shù)總產(chǎn)量的25%，也是世界上第2大流行的食用菌。香菇原產(chǎn)于中國(guó)，因其口味鮮美、營(yíng)養(yǎng)豐富，并兼具藥用價(jià)值，較其他菇類(lèi)具有明顯優(yōu)勢(shì)[1]。
據(jù)分析，每100g鮮香菇中，含有粗蛋白13g，遠(yuǎn)超一般植物性食品中蛋白質(zhì)的含量；含鈣124mg，磷416mg，鐵252mg，還含有豐富的碳水化合物、維生素B1、B2、C等。因此，香菇一直享有“菌類(lèi)皇后”“抗癌食品”等美譽(yù)[2]。
多糖是廣泛存在于自然界的一類(lèi)大分子物質(zhì)，近十幾年來(lái)的研究表明，香菇多糖是香菇中重要的有效藥用成分，具有抗病毒、抗腫瘤、抗輻射、抗衰老等生物活。雖然香菇多糖的研究雖然起步較晚，但傳統(tǒng)的水提醇沉法、稀堿浸提法、稀酸浸提法和酶法等，近幾年隨著超濾法、微波輔助浸提法、超聲波輔助浸提法、酶復(fù)合浸提法等新方法、新工藝的不斷出現(xiàn)，香菇多糖提取率和純度不斷提高，新的功能也被相繼發(fā)現(xiàn)[3]。本文采用纖維素酶輔助超聲波提取香菇多糖，以期得到1種提取率高、純度高的提取方法。
1 材料與方法
1.1 材料與設(shè)備
香菇購(gòu)于江蘇淮安三河農(nóng)場(chǎng)；纖維素酶、胰蛋白酶（活力不低于3IU/g、5IU/g），購(gòu)于上海國(guó)藥集團(tuán)；其余試劑均為分析純。
紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，日立UV-3800；超聲波清洗劑，濟(jì)寧市魯超儀器有限公司；電子天平，德國(guó)SR公司；干燥箱，上海市實(shí)驗(yàn)儀器公司；電子恒溫水浴鍋，天津泰斯特儀器公司；糧優(yōu)粉碎機(jī)，浙江糧機(jī)有限公司。
1.2 方法
1.2.1 香菇多糖的提取
將香菇干燥至恒重后，粉碎過(guò)60目篩，稱(chēng)取粉末20g，加入蒸餾水500mL后，再加入0.5g的纖維素酶，在42℃恒溫水浴鍋內(nèi)水解90min。將水解液分別過(guò)不同功率、不同時(shí)間、不同溫度和不同pH值下的超聲波條件下進(jìn)行香菇多糖的浸提。然后在浸提液中加入0.5%的胰蛋白酶，在42℃恒溫水域下除蛋白15min，接著采用真空抽濾，浸提液冷卻至室溫后，采用3000r/min的速度離心15min，取上清液，采用sevag試劑法進(jìn)行脫蛋白，加入3倍體積的無(wú)水乙醇后，置于4℃條件下冷藏10h，再次離心，得到沉淀放入烘箱，在60℃下烘干至恒重。
1.2.2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
選擇超聲波處理功率、處理時(shí)間、處理溫度和pH值作為正交實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)因素，選取L9（34）正交表探討纖維素酶輔助超聲波法提取香菇多糖的最佳工藝參數(shù)，具體因素水平表如表1所示。
1.3 香菇多糖的測(cè)定
本實(shí)驗(yàn)以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)，用苯酚-硫酸法測(cè)定總糖含量，用DNS法測(cè)定還原糖總量[4]。多糖含量=總糖-還原糖。其中，香菇粗多糖提取率計(jì)算公式為：多糖提取率（%）=m/M×100%，m為所提多糖質(zhì)量（g），M為預(yù)處理后的香菇粉末質(zhì)量（g）。
2 結(jié)果與分析
正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，超聲波的功率（A）以及提取溫度（C）對(duì)多糖的提取率具有顯著性的影響，而超聲時(shí)間（B）和提取pH值（D）則表現(xiàn)為非重要影響因素。由結(jié)果可以得出，4種因素對(duì)香菇多糖提取的影響為A>C>D>B，而香菇多糖最佳提取工藝為A2B1C2D3，此時(shí)的提取率為15.43%
3 結(jié) 論
采用纖維素酶輔助超聲波提取香菇多糖，相比傳統(tǒng)的熱水和有機(jī)溶劑浸提法，可有效提高多糖的提取率。之所以能夠獲得較高的提取率，可能的原因一之是采用了超聲波處理技術(shù)，超聲波的空化作用可以使得香菇細(xì)胞壁破裂，促進(jìn)香菇中多糖成分的有效溶出，而超聲波的次級(jí)作用，如乳化、擊碎、化學(xué)效應(yīng)、機(jī)械振動(dòng)等，也都能加速多糖成分的擴(kuò)散和釋放，有利于進(jìn)一步的提取[5]；另一個(gè)可能原因就是纖維素酶的水解作用，可將香菇細(xì)胞壁進(jìn)行破壞，從而使多糖分析易于從細(xì)胞中擴(kuò)散溶出。
因此，通過(guò)0.1%的纖維素酶的水解作用之后，采用300W的超聲波處理功率，在70℃和pH為5.5的條件下提取30min，可以得到較高的香菇多糖提取率，有利于香菇保健產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)。
參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞：纖維素；光合作用；葡萄糖；纖維素降解
中圖分類(lèi)號(hào)：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： C 文章編號(hào)：1672-1578（2014）6-0260-01
1838年法國(guó)農(nóng)業(yè)學(xué)家佩因（A. Payen）從植物中提取某種化合物時(shí)分離出一種物質(zhì)，由于該物質(zhì)是在破壞細(xì)胞組織后得到的，并且?guī)缀踉谒兄参矬w內(nèi)都存在，因此，佩因把它用cell（細(xì)胞）和lose（遭受破壞）合成了一個(gè)新名詞，稱(chēng)為“cellulose”，意思是細(xì)胞“破裂”后的產(chǎn)物[1]。
地球上，植物通過(guò)光合作用，每年產(chǎn)生約1000億噸纖維
素[2]，是地球上最重要的資源之一，將在后石油時(shí)揮更大的作用，將是一切化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)原料。
纖維素主要存在于棉花、樹(shù)木、苧麻、亞麻、竹、草和花中，是植物細(xì)胞壁的主要組成部分，這些植物通過(guò)光合作用將空氣中的二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為纖維素，其主要化學(xué)反應(yīng)過(guò)程為[3]：
CO2+H2OCH2O+O2（反應(yīng)條件：光能和葉綠體）
6H2O + 6CO2+陽(yáng)光C6H12O6（葡萄糖）+6O2（與葉綠素產(chǎn)生化學(xué)作用）
H2O2H+2e-+1/2O2（水的光解）
NADP+ +2e-+H+NADPH（遞氫）
ADP+Pi+能量ATP（遞能）
CO2+C5化合物2C3化合物（二氧化碳的固定）
2C3化合物+4NADPHC3糖（有機(jī)物的生成或稱(chēng)為C3的還原）
C3（一部分）C5化合物（C3再生C5）
C3（一部分）儲(chǔ)能物質(zhì)（如葡萄糖、蔗糖、淀粉，有的還生成脂肪）
因此，植物合成纖維素的同時(shí)，還伴隨合成木質(zhì)素、半纖維素和淀粉等，不能產(chǎn)生純纖維素。
事實(shí)上，除了植物外，動(dòng)物界也產(chǎn)生纖維素，如被囊綱（Tunicata class）內(nèi)有些海洋生物的外膜中就有動(dòng)物纖維素（tunicin）。還有某些微生物也產(chǎn)生纖維素，如醋酸桿菌屬、無(wú)色桿菌屬（Achromobacter）、根瘤桿菌屬（Rhizobium）、產(chǎn)堿菌屬
（Alcaligenes）、八疊球菌屬（Sarcina）、土壤桿菌屬（Agrobacterium）、氣桿菌屬（Aerobacter）、固氮菌屬（Azotobacter）和假單胞菌屬（Pseudomounas），都能產(chǎn)生纖維素[4]，而且微生物合成的纖維素中99%是纖維素，基本上沒(méi)有半纖維素和木質(zhì)素。
這些微生物合成纖維素主要經(jīng)歷4個(gè)酶促反應(yīng)步驟：（1）在葡萄糖激酶的作用下將葡萄糖轉(zhuǎn)化為6-磷酸葡萄糖；（2）在變位酶作用下將6-磷酸葡萄糖通過(guò)變位作用轉(zhuǎn)化為1-磷酸葡萄糖；（3）在焦磷酸化酶（UDPG）的作用下將1-磷酸葡萄糖轉(zhuǎn)化為尿苷二磷酸葡萄糖（UDP-Glc）；（4）由纖維素合成酶將UDP-Glc合成為β-1，4-葡萄糖苷鏈，再裝配形成纖維素[5]。
纖維素酶不僅能合成纖維素，在不同的生物環(huán)境下，也能分解纖維素。能產(chǎn)生纖維素酶的微生物可以將稻草、秸稈等植物經(jīng)過(guò)初級(jí)水解和次級(jí)水解，把纖維素長(zhǎng)分子鏈截?cái)酁樾》肿佣嗵牵M(jìn)一步分解為葡萄糖，供人類(lèi)和動(dòng)物食用后，代謝出水和二氧化碳，而這些水和二氧化碳正是植物光合作用的原料，在植物體內(nèi)轉(zhuǎn)化為葡糖糖和纖維素，整個(gè)循環(huán)如圖1所示。
從圖1上可以看出，植物利用太陽(yáng)能將二氧化碳和水合成葡萄糖，是整個(gè)循環(huán)的關(guān)鍵，而太陽(yáng)能才是地球上取之不盡、用之不竭的能源，其他諸如石油、天然氣、煤炭等資源，按照人類(lèi)當(dāng)前消費(fèi)速度，不出二百年，這些資源將枯萎甚至消失，太陽(yáng)能是人類(lèi)最可靠的能源，通過(guò)植物光合作用將太陽(yáng)能固定，纖維素是主要的載體。因此，我們從中學(xué)階段教育學(xué)生，要愛(ài)護(hù)植物，保護(hù)自然環(huán)境，通過(guò)植物實(shí)現(xiàn)地球上二氧化碳的循環(huán)，避免溫室效應(yīng)給地球帶來(lái)的災(zāi)難，實(shí)現(xiàn)人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展。
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酶是自然界動(dòng)植物、部分有機(jī)體內(nèi)產(chǎn)生的一類(lèi)大型蛋白質(zhì)，具有專(zhuān)一、高效和多樣性的特點(diǎn)，可降解部分特定的高分子，作為生物催化劑加快反應(yīng)速度。20年來(lái)，酶制劑在制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用有了很大的發(fā)展，尤其在生物制漿中減少蒸煮化學(xué)品的用量、生物漂白過(guò)程中減少漂劑的用量、生物酶促打漿節(jié)能減排技術(shù)、酶法廢紙脫墨性能的改善、紙漿的酶法改性、制漿造紙廢液生物處理、利用生物酶改進(jìn)紙漿的濾水性、紙漿中樹(shù)脂控制、用生物手段控制腐漿等諸多方面。
1酶制劑在制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用
1.1酶在生物制漿方面的應(yīng)用
生物制漿主要包括化學(xué)法制漿和機(jī)械法制漿。生物化學(xué)法制漿是指通過(guò)生物方法對(duì)木片進(jìn)行預(yù)處理，以減輕木片成漿的蒸解度，減少蒸煮化學(xué)藥品的用量，降低堿回收強(qiáng)度、減少漂白化學(xué)藥品用量，以及降低漂白廢液的污染負(fù)荷等。當(dāng)今，生物化學(xué)制漿的研究已發(fā)展到中試和工業(yè)化規(guī)模，而且預(yù)處理方法從菌的預(yù)處理轉(zhuǎn)向采用酶進(jìn)行預(yù)處理，這是因?yàn)榫蝗缙洚a(chǎn)生的酶穩(wěn)定和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性好。經(jīng)過(guò)酶制劑處理的植物纖維原料，再經(jīng)過(guò)化學(xué)法處理和蒸煮后，纖維的質(zhì)量有一定的改善和提高。白延坤等〔3〕研究光葉褚白皮機(jī)械生物法制漿的結(jié)果表明，和對(duì)照漿相比，纖維素的脫除率略高，果膠脫除率略低、木素脫除率較高、戊聚糖得到保留更多，而且成漿周期明顯縮短。陳嘉川等首先用聚木糖酶預(yù)處理麥草，在相同的工藝條件下對(duì)常規(guī)化學(xué)法制漿和酶法化學(xué)制漿進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)得出:聚木糖酶的預(yù)處理明顯提高麥草的脫木素程度，紙漿的卡伯值降低兩個(gè)單位，蒸煮的用堿量減少，紙漿得率有所提高。與常規(guī)的化學(xué)法制麥草漿相比，酶制劑處理的化學(xué)麥草漿的物理強(qiáng)度和光學(xué)性能都有明顯改善。因此，聚木糖酶預(yù)處理可以改善原料的制漿性能、減少能耗。
當(dāng)今，生物法機(jī)械漿是國(guó)內(nèi)外制漿造紙科研人員研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。生物法機(jī)械漿是在磨漿前用微生物菌如白腐菌對(duì)木片進(jìn)行預(yù)處理，或者用酶制劑對(duì)木片進(jìn)行預(yù)處理，以降低樹(shù)脂的含量，節(jié)約磨漿能耗，減輕環(huán)境污染，改善紙漿的成紙強(qiáng)度。現(xiàn)己表明，對(duì)預(yù)處理后的木片進(jìn)行磨漿可節(jié)省10%一30%的動(dòng)力，而且紙漿的強(qiáng)度有所提高。在機(jī)械磨漿前用真菌或酶處理?xiàng)钅酒c未經(jīng)生物預(yù)處理的機(jī)械法制漿相比，電能節(jié)約20%一40%，耐破指數(shù)由o.92kPa•m飛上升到2.05kpa.m飛，撕裂指數(shù)由2.03IllN•耐g上升到4.53mN•耐g、抗張指數(shù)由29.5N•耐g上升為52.8N•而g〔6一7〕。經(jīng)過(guò)生物酶預(yù)處理的火炬松木片機(jī)械漿和未經(jīng)處理的相比，除了抗張指數(shù)略微降低外，其他成紙的物理指標(biāo)與楊木相似。實(shí)驗(yàn)研究還表明，預(yù)處理的最適宜條件是木片處理時(shí)要有充足的菌或酶、處理時(shí)間和適合的處理?xiàng)l件。上述的生物制漿法雖然針對(duì)木材原料進(jìn)行研究，但對(duì)其他造紙?jiān)系纳锓C(jī)械漿制備也同樣有效。
1.2生物酶制劑在生物漂白技術(shù)方面的應(yīng)用
生物漂白是利用微生物菌或酶制劑與紙漿中的某些成分作用，然后進(jìn)行脫木素或使其有利于脫木素，從而改善紙漿可漂性，提高紙漿白度的過(guò)程。生物漂白可節(jié)省化學(xué)漂劑，改善紙漿性能，減少漂白污染。
目前，用于紙漿漂白的酶制劑主要有兩大類(lèi):半纖維素酶和木素降解酶。半纖維素酶是指聚木糖酶和聚甘露糖酶;木素降解酶主要包括漆酶、過(guò)氧化物酶和錳過(guò)氧化物酶。20世紀(jì)80年代，制漿造紙工作者對(duì)聚木糖酶輔助漂白進(jìn)行了廣泛而深入的研究，并取得大量的研究成果:無(wú)論是闊葉木漿、針葉木漿、竹漿、草漿，還是硫酸鹽漿、其他化學(xué)漿和化學(xué)機(jī)械漿，無(wú)論是與傳統(tǒng)的有氯漂白，還是與先進(jìn)的無(wú)氯漂白相結(jié)合，聚木糖酶的助漂作用都能促進(jìn)漿中殘余木素的降解，進(jìn)一步提高木素的脫除程度、漂后紙漿的白度和穩(wěn)定性，同時(shí)減少后續(xù)漂白段漂劑的用量，從而減輕紙漿漂白對(duì)環(huán)境的污染。
對(duì)于聚木糖酶漂白機(jī)理探索和研究，國(guó)內(nèi)外制漿造紙工作者進(jìn)行了大量的探索和實(shí)驗(yàn)，目前尚未得到明確的理論。但普遍認(rèn)為的助漂理論有以下幾點(diǎn):第一，聚木糖酶破壞了聚木糖的連接鍵，使LCC鍵斷裂，漂白化學(xué)試劑到達(dá)紙漿纖維的可及度提高，利于木素的脫除;第二，蒸煮后期蒸煮堿液濃度降低引起聚木糖的二次沉淀，這些聚木糖阻礙了漂白化學(xué)試劑對(duì)紙漿中殘余木素的作用，而聚木糖酶能使這些聚木糖水解或部分水解，使漂白化學(xué)試劑更易脫去殘余木素，紙漿的漂白得以實(shí)現(xiàn);第三，聚木糖酶還會(huì)降解紙漿中的一少部分半纖維素，使纖維細(xì)胞壁變得疏松，木素更容易脫除;第四，聚木糖酶能去除蒸煮中產(chǎn)生的己烯糖醛酸聚木糖衍生物[8]，進(jìn)一步改善紙漿的漂白性能。
用于生物漂白的聚木糖酶，要求有很強(qiáng)的耐堿耐高溫性，可利用蛋白質(zhì)工程和基因工程方法和手段獲取耐堿耐熱性能優(yōu)良的聚木糖酶，這是目前制漿造紙酶制劑研究的熱點(diǎn)，相信將來(lái)重組酶會(huì)更有效地應(yīng)用于漂白工藝中去。漆酶能氧化非酚型的木素模型化合物〔9]，因而吸引了眾多專(zhuān)家學(xué)者研究其對(duì)紙漿的助漂白作用。漆酶介體系統(tǒng)(laccase一mediator一system，LMS)在一定條件下對(duì)紙漿進(jìn)行適當(dāng)時(shí)間的處理，能使紙漿卡伯值大幅下降。錳過(guò)氧化物酶漂白需要在添加劑存在的情況下才能實(shí)現(xiàn)助漂性能，雖然其助漂效果良好，但因?yàn)槊柑砑觿┑膬r(jià)格昂貴，較難實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。表1是多種酶在紙漿漂白中的應(yīng)用情況。
1.3酶制劑在酶促打漿和節(jié)能減排方面的應(yīng)用
酶促打漿的概念是用高活性的纖維素酶以及半纖維素酶在打漿前對(duì)紙漿進(jìn)行預(yù)處理，目的使纖維表面松弛和活化，進(jìn)而促進(jìn)纖維的吸水潤(rùn)脹，提高細(xì)纖維化和微細(xì)纖維化的程度。在后面的磨漿機(jī)械作用下，纖維被切斷或分絲帚化，單根纖維的比表面積和多根纖維分子之間的鍵合力增強(qiáng)，抄成的紙張各項(xiàng)物理指標(biāo)有所提高匯‘創(chuàng)，同時(shí)打漿能耗降低。
酶促打漿，是把酶制劑以溶液的形式添加到漿料中去，組成漿料和酶的非均相體系。在酶制劑處理初期，纖維表面的半纖維素部分被酶分解，纖維表面吸水潤(rùn)脹的程度明顯提高，同時(shí)纖維表面的滲透性增強(qiáng)，因而酶分子更容易滲透并擴(kuò)散到纖維的內(nèi)部，微細(xì)纖維間的半纖維素被酶制劑降解，它們相互間的作用力減弱。然后，生物酶開(kāi)始進(jìn)攻纖維素的P層，51層的結(jié)構(gòu)有所松弛，細(xì)小纖維間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，由于半纖維素酶制劑能破壞木素一碳水化合物復(fù)合體(LCC)之間的連接鍵，生物酶制劑進(jìn)入次生壁的通道被打開(kāi)，纖維素酶作用于纖維表面產(chǎn)生一定的剝離反應(yīng)，把51層和P層去除，把S:層更好地出來(lái)但使其不受損傷，并加快了細(xì)纖維化，保持紙漿強(qiáng)度性能良好的情況下，改善打漿性能，節(jié)約打漿能耗。
表2是酶促磨漿的主要研究結(jié)果，從1968年Yerkes利用纖維素酶(來(lái)自白腐香栓菌)研究化學(xué)漿和棉短絨的磨漿能耗到現(xiàn)在的復(fù)合酶制劑用于降低磨漿能耗的研究，經(jīng)歷了40多年的時(shí)間，并取得了一系列的成績(jī)。利用酶制劑對(duì)磨前紙漿進(jìn)行處理，無(wú)論是針葉木還是闊葉木的化學(xué)漿或者機(jī)械漿，都可降低10%一40%的能耗。當(dāng)今，具備更好反應(yīng)和控制能力的制漿造紙專(zhuān)用酶制劑得以廣泛應(yīng)用，但對(duì)新酶種的識(shí)別和它們潛在的價(jià)值仍然制約著酶制劑在制漿造紙工業(yè)中的工業(yè)化和商業(yè)化。
1.4酶制劑在廢紙脫墨中的應(yīng)用
酶法脫墨是一種經(jīng)濟(jì)有效的脫墨方法，它能減輕或解決化學(xué)脫墨帶來(lái)的一系列環(huán)境污染問(wèn)題，降低漂白化學(xué)藥品的用量、改善漿料的濾水性能等。當(dāng)今，廢紙脫墨的酶制劑主要有纖維素酶、聚木糖酶、漆酶、果膠酶、脂肪酶、酷酶、淀粉酶等。纖維素酶、半纖維素酶和素木降解酶主要是通過(guò)改變纖維表面或附近的連接鍵，從而使油墨與纖維分離，借助洗滌或浮選的方法將油墨去除;而脂肪酶、酉旨酶等則是利用酶制劑直接攻擊油墨，以降解油墨中的油性連接料，碎解油墨，使其與纖維分離，從而實(shí)現(xiàn)廢紙脫墨目的。
廢紙漿中的植物纖維、油墨、淀粉和其他添加劑，大都能作為酶制劑作用的底物，是酶法脫墨的物質(zhì)基礎(chǔ)。目前，酶法脫墨主要有兩種不同的方法，一種是與廢紙漿中的纖維素和半纖維素反應(yīng)的酶，另一種是和油墨反應(yīng)的酶。對(duì)于酶制劑與纖維素和半纖維素的作用機(jī)理目前主要有四種推測(cè):第一，對(duì)纖維素微纖維的剝皮作用;第二，對(duì)可及的纖維素鏈的水解;第三，對(duì)纖維素微纖維或微細(xì)組分的脫除;第四，對(duì)半纖維素的分解作用使碳水化合物一木素復(fù)合體釋放出木素。與油墨反應(yīng)的酶主要是酷酶和脂肪酶，它們可以破壞油基印刷油墨的連接料或者載體。目前情況是酶制劑可以加到脫墨的初始階段，部分或者全部取代傳統(tǒng)脫墨方法的脫墨劑，利用浮選洗滌法脫除油墨粒子。但研究還表明，采用酶法脫墨的油墨粒子要比其他脫墨方法的油墨粒子小很多，這些油墨小粒子能擴(kuò)散進(jìn)入纖維中，降低洗滌效果。但總體來(lái)看，酶法脫墨能減少墨點(diǎn)數(shù)，紙漿的白度基本持平，效果與傳統(tǒng)方法相當(dāng)，但很大程度上減少了廢水中的污染負(fù)荷。目前廢紙的纖維素酶和半纖維素酶法脫墨己部分實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，探索其他能用于廢紙脫墨的酶對(duì)于酶法脫墨的發(fā)展具有重要的意義。
酶法脫墨的研究最初主要集中在舊報(bào)紙的脫墨，研究結(jié)果表明:酶制劑可以部分甚至全部代替化學(xué)品，減少污染，同時(shí)舊紙的疏解時(shí)間縮短，能耗降低;所得脫墨漿白度較高，并且濾水性能好，易于漂白。顧其萍等L20]研究了脂肪酶用于舊報(bào)紙脫墨，發(fā)現(xiàn)脂肪酶脫墨漿效果良好，并且脂肪酶脫墨漿的返黃值低于化學(xué)脫墨漿。還有人研究了漆酶介體體系對(duì)舊報(bào)紙的脫墨效果和對(duì)后續(xù)漂白的影響，發(fā)現(xiàn)脫墨漿的白度稍微下降，但后續(xù)的可漂性明顯提高，研究還發(fā)現(xiàn)，漆酶與聚木糖酶一起使用會(huì)產(chǎn)生協(xié)同作用，對(duì)舊報(bào)紙脫墨后漂白漿的質(zhì)量改善明顯。這可能是因?yàn)榫勰咎敲柑岣吡似崦附轶w體系對(duì)紙漿纖維的可及性〔2，〕。近些年，酶法脫墨研究重點(diǎn)已轉(zhuǎn)向靜電復(fù)印紙和激光打印紙的辦公廢紙脫墨上，并取得了良好進(jìn)展:實(shí)驗(yàn)表明，加入少量商品纖維素酶和表面活性劑，能很大程度上提高辦公廢紙油墨的脫除率t221。
1.5酶制劑在纖維改性中的作用
利用酶制劑對(duì)紙漿纖維進(jìn)行改性，在保證紙漿纖維強(qiáng)度的前提下，提高紙漿濾水性，降低打漿能耗。纖維改性的方法，包括化學(xué)法改性、機(jī)械法改性和物理法改性三種。根據(jù)酶對(duì)纖維的改性作用，可分為三類(lèi):一是改善紙漿濾水性能、抄紙性能和提高高得率紙漿成紙性能的纖維素酶為主的酶制劑體系，二是降低打漿能耗、改善濾水性能和高得率漿成紙性能的半纖維素酶為主的酶制劑體系，三是以改善高得率紙漿物理性能的木素降解酶為主的酶系[23一24]。
纖維素酶處理紙漿能改善紙漿的濾水性，可能是因?yàn)榧垵{中纖維連接較緊密，纖維素酶很難把纖維素分子降解。它能改善紙漿的濾水性能，是因?yàn)槊柑幚砟芴岣呒垵{游離度。在酶制劑的作用下，纖維的性能會(huì)產(chǎn)生一定的變化，主要是由于纖維素酶對(duì)纖維表面進(jìn)行作用，主要表現(xiàn)在剝皮、腐蝕、微細(xì)纖維化和纖維切斷等幾個(gè)方面，最終影響紙漿的成紙性能。王兆榮等〔25j研究了纖維素酶對(duì)漂白針葉木漿的改性，發(fā)現(xiàn)適量的纖維素酶用量，能降低打漿能耗，提高紙張的抗張指數(shù)，但撕裂指數(shù)略微下降。Mansfield等仁26]的研究表明，復(fù)合纖維素酶處理紙漿能提高改性后紙漿的游離度，降低打漿能耗，提高紙張的印刷性能，改善成紙的平滑度，而且成紙的抗張強(qiáng)度也有所增加。
紙漿的纖維改性技術(shù)有著良好的發(fā)展和應(yīng)用前景，但對(duì)改性劑和纖維作用規(guī)律的研究需要深入和提高。研究紙漿纖維改性的機(jī)理，有針對(duì)性的利用不同的改性劑和改性手段，探索其適宜的環(huán)境條件和作用方式及理論，并用于實(shí)際生產(chǎn)，兩方面的結(jié)合研究將互相促進(jìn)，從而加快紙漿纖維改性的研究速度。酶制劑技術(shù)的發(fā)展，也必將在新的酶改性技術(shù)應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。
1.6酶在處理造紙廢水中的應(yīng)用
廢水的厭氧處理，是水解產(chǎn)酸菌利用自身產(chǎn)生的胞外酶將有機(jī)物水解成小分子并酸化，將其繼續(xù)乙酸化，最終將有機(jī)物污染物分解產(chǎn)生甲烷和二氧化碳?xì)怏w。厭氧生物處理由于產(chǎn)生的污泥產(chǎn)量低、動(dòng)力消耗少等優(yōu)點(diǎn)在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。
活性污泥法是好氧生物處理廢水的典型方法，好氧活性污泥的細(xì)菌如動(dòng)膠菌和革蘭氏陰性菌作用是能迅速穩(wěn)定制漿造紙廢水中的有機(jī)污染物，使其具備良好的自我凝聚能力和沉降性能。好氧細(xì)菌在有氧的環(huán)境條件下降解有機(jī)物，然后在沉淀池中沉淀成污泥，上面的清液被排出或重新利用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水的生物法處理。
固定化微生物技術(shù)是在固定化酶技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新的生物技術(shù)。即將微生物固定在載體上，并保持其生物功能。漆酶的固定化及其在造紙廢水處理中的應(yīng)用中表明〔28]，用固定化漆酶法處理紙廠(chǎng)廢水，能有效去除甲基酚，同時(shí)漆酶還能夠脫除甲基和溶解紙漿中的部分木素。漆酶經(jīng)固定化后，能進(jìn)一步提高漆酶處理廢水脫色的有效性，每一單位酶活所降低的廢水色度值明顯提高。
2酶制劑未來(lái)發(fā)展方向
隨著真菌和細(xì)菌的培養(yǎng)優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展，制漿造紙酶制劑技術(shù)也在不斷地更新，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，需求量也不斷增加。制漿造紙整個(gè)過(guò)程中的各個(gè)階段所需要的酶種有所不同，取自哪種真菌或細(xì)菌，其存在的基物是哪些，如何將其分離、鑒定和純化，以及它們的生長(zhǎng)環(huán)境和條件、應(yīng)用時(shí)的環(huán)境條件，都是未來(lái)的研究和發(fā)展方向。
知識(shí)的寬度、厚度和精度決定人的成熟度。每一個(gè)人比別人成功，只不過(guò)是多學(xué)了一點(diǎn)知識(shí)，多用了一點(diǎn)心而已。下面小編給大家分享一些高中生物選修一知識(shí)，希望能夠幫助大家，歡迎閱讀!
高中生物選修一知識(shí)1傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)
1.果酒制作：
1)原理：酵母菌的無(wú)氧呼吸 反應(yīng)式：C6H12O6 2C2H5OH+2CO2+能量。
2)菌種來(lái)源：附著在葡萄皮上的野生酵母菌或人工培養(yǎng)的酵母菌。
3)條件：18-25℃，密封，每隔一段時(shí)間放氣(CO2)
4)檢測(cè)：在酸性條件下，重鉻酸鉀與酒精反應(yīng)呈灰綠色。
2、果醋制作：
1)原理：醋酸菌的有氧呼吸。
O2，糖源充足時(shí)，將糖分解成醋酸
O2充足，缺少糖源時(shí)，將乙醇變?yōu)橐胰僮優(yōu)榇姿帷?/p>
C2H5OH+O2CH3COOH+H2O
2)條件：30-35℃，適時(shí)通入無(wú)菌空氣。
3、腐乳制作：
1)菌種：青霉、酵母、曲霉、毛霉等，主要是毛霉(都是真菌)。
2)原理：毛霉產(chǎn)生的蛋白酶將豆腐中的蛋白質(zhì)分解成小分子的肽和aa ;脂肪酶將脂肪水解為甘油和脂肪酸。
3)條件：15-18℃，保持一定的濕度。
4)菌種來(lái)源：空氣中的毛霉孢子或優(yōu)良毛霉菌種直接接種。
5)加鹽腌制時(shí)要逐層加鹽，隨層數(shù)加高而增加鹽量，鹽能抑制微生物的生長(zhǎng)，避免豆腐塊腐敗變質(zhì)。
4、泡菜制作：
1)原理：乳酸菌的無(wú)氧呼吸，反應(yīng)式：C6H12O6 2C3H6O3+能量
2)制作過(guò)程：①將清水與鹽按質(zhì)量比4：1配制成鹽水，將鹽水煮沸冷卻。煮沸是為了殺滅雜菌，冷卻之后使用是為了保證乳酸菌等微生物的生命活動(dòng)不受影響。②將新鮮蔬菜放入鹽水中后，蓋好壇蓋。向壇蓋邊沿的水槽中注滿(mǎn)水，以保證乳酸菌發(fā)酵的無(wú)氧環(huán)境。
3)亞硝酸鹽含量的測(cè)定：
①方法：比色法;
②原理：在鹽酸酸化條件下，亞硝酸鹽與對(duì)氨基苯磺酸發(fā)生重氮化反應(yīng)后，與N-1-萘基乙二胺鹽酸鹽結(jié)合形成玫瑰紅色染料。
高中生物選修一知識(shí)2酶的研究與應(yīng)用
1、果膠酶作用：分解果膠，瓦解植物的細(xì)胞壁及胞間層，提高水果的出汁率，并使果汁變得澄清。
2、果膠酶并不特指某一種酶，包括多聚半乳糖醛酸酶、果膠分解酶和果膠酯酶等。
3、酶的活性可用單位時(shí)間內(nèi)、單位體積中反應(yīng)物的減少量或產(chǎn)物的增加量來(lái)表示。
4、目前常用的酶制劑有四類(lèi)：蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶和纖維素酶，其中應(yīng)用最廣泛、效果最明顯的是堿性蛋白酶和堿性脂肪酶。
5、加酶洗衣粉的作用原理：堿性蛋白酶能將血漬、奶漬等含有的大分子蛋白質(zhì)水解成可溶性的氨基酸或小分子的肽，使污跡容易從衣物上脫落。
同樣道理，脂肪酶、淀粉酶和纖維素酶也能將大分子的脂肪、淀粉和纖維素水解為小分子物質(zhì)。
6、固定化技術(shù)包括：包埋法、化學(xué)結(jié)合法和物理吸附法。
一般來(lái)說(shuō)，酶更適合采用化學(xué)結(jié)合法和物理吸附法固定化，而細(xì)胞多采用包埋法固定化。因?yàn)榧?xì)胞個(gè)大，而酶分子很小;個(gè)大的細(xì)胞難以被吸附或結(jié)合，而個(gè)小的酶容易從包埋材料中漏出。
7、固定化酵母細(xì)胞時(shí)，酵母細(xì)胞的活化用蒸餾水;
配制海藻酸鈉溶液時(shí)，加熱要用小火，或者間斷加熱;要將海藻酸鈉溶液冷卻至室溫，再加入活化的酵母細(xì)胞。CaCl2溶液有利于凝膠珠形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
高中生物選修一知識(shí)3二、微生物的培養(yǎng)與應(yīng)用
1、培養(yǎng)基的種類(lèi)：按物理性質(zhì)分為固體培養(yǎng)基和液體培養(yǎng)基，按化學(xué)成分分為合成培養(yǎng)基和天然培養(yǎng)基，按用途分為選擇培養(yǎng)基和鑒別培養(yǎng)基。
2、培養(yǎng)基的成分一般都含有水、碳源、氮源、無(wú)機(jī)鹽P14
3、微生物在固體培養(yǎng)基表面生長(zhǎng)，可以形成肉眼可見(jiàn)的菌落。
4、培養(yǎng)基還需滿(mǎn)足微生物對(duì)PH、特殊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及O2的要求。
5、獲得純凈培養(yǎng)物的關(guān)鍵是防止外來(lái)雜菌的入侵。
6、常用滅菌方法有：灼燒滅菌，將接種工具如接種環(huán)、接種針滅菌;
干熱滅菌：如玻璃器皿、金屬用具等需保持干燥的物品。高壓蒸汽滅菌：如培養(yǎng)基的滅菌。
7、用固體培養(yǎng)基對(duì)大腸桿菌純化培養(yǎng)，可分為兩步：制備培養(yǎng)基和純化大腸桿菌。
8、固體培養(yǎng)基的制備：計(jì)算稱(chēng)量溶化滅菌倒平板
9、微生物常用的接種方法：平板劃線(xiàn)法和稀釋涂布平板法。
10、平板劃線(xiàn)法是通過(guò)連續(xù)劃線(xiàn)，將菌種逐步稀釋分散到培養(yǎng)基表面，稀釋涂布平板法是將菌液進(jìn)行一系列的梯度稀釋?zhuān)謩e涂布到培養(yǎng)基表面。
當(dāng)它們稀釋到一定程度后，微生物將分散成單個(gè)細(xì)胞，從而在培養(yǎng)基上形成單個(gè)菌落。
11、微生物的計(jì)數(shù)方法：活菌計(jì)數(shù)法、顯微鏡直接計(jì)數(shù)法、濾膜法。
12、活菌計(jì)數(shù)法就是當(dāng)樣品的稀釋度足夠高時(shí)，培養(yǎng)基表面生長(zhǎng)的一個(gè)菌落，來(lái)源于樣品稀釋液中的一個(gè)活菌。
通過(guò)統(tǒng)計(jì)平板上的菌落數(shù)，就能推測(cè)出樣品中大約含有多少個(gè)活菌。統(tǒng)計(jì)的菌落數(shù)往往比活菌的實(shí)際數(shù)目低。因?yàn)楫?dāng)兩個(gè)或多個(gè)細(xì)胞連在一起時(shí)，平板上觀(guān)察的只是一個(gè)菌落。
13、顯微鏡直接計(jì)數(shù)也是測(cè)定微生物數(shù)量的常用方法，但它包括了死亡的微生物。
14、設(shè)置對(duì)照的主要目的是排除實(shí)驗(yàn)組中非測(cè)試因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。
提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度。①如何證明培養(yǎng)基是否受到污染：實(shí)驗(yàn)組的培養(yǎng)基中接種要培養(yǎng)的微生物，對(duì)照組中的培養(yǎng)基接種等量的蒸餾水(設(shè)置空白對(duì)照)。②如何證明某選擇培養(yǎng)基是否有選擇功能：實(shí)驗(yàn)組中的培養(yǎng)基用該選擇培養(yǎng)基，對(duì)照組中培養(yǎng)基用普通培養(yǎng)基(牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基)。如果普通培養(yǎng)基的菌落數(shù)明顯大于選擇培養(yǎng)基中的數(shù)目，則說(shuō)明該選擇培養(yǎng)基有選擇功能。
15、如何分離分解尿素的細(xì)菌?培養(yǎng)基中以尿素為唯一氮源，加入酚紅指示劑，如果PH升高，指示劑變紅，可初步鑒定該菌能分解尿素。
16、如何分離分解纖維素的微生物?以纖維素為唯一碳源的培養(yǎng)基。
17、纖維素酶是一種復(fù)合酶，至少包括三組分：C1酶、CX酶和葡萄糖苷酶。
前兩種酶使纖維素分解成纖維二糖，第三種酶將纖維二糖分解成葡萄糖。
18、篩選纖維素分解菌的方法：剛果紅染色法，其原理是剛果紅可以與像纖維素這樣的多糖物質(zhì)形成紅色復(fù)合物，但并不和水解后的纖維二糖和葡萄糖發(fā)生這種反應(yīng)。
當(dāng)纖維素被纖維素酶分解后，剛果紅—纖維素的復(fù)合物無(wú)法形成，培養(yǎng)基中會(huì)出現(xiàn)以纖維素分解菌為中心的透明圈。(產(chǎn)生了透明圈，說(shuō)明纖維素被分解了，說(shuō)明有纖維素分解菌)
高中生物選修一知識(shí)4植物有效成分的提取。
1、植物芳香油的提取方法：蒸餾、壓榨和萃取。
2、水蒸汽蒸餾法是利用水蒸汽將揮發(fā)性較強(qiáng)的植物芳香油攜帶出來(lái)，形成油水混合物，冷卻后又重新分出油層和水層。
如玫瑰油、薄荷油等(也可用萃取法)。
3、柑橘、檸檬芳香油的制備常使用壓榨法，因?yàn)樗姓麴s會(huì)導(dǎo)致原料焦糊和有效成分水解。
4、胡蘿卜素的提取一般用萃取法。
萃取法是將粉碎、干燥的植物原料用有機(jī)溶劑浸泡，使芳香油溶解在有機(jī)溶劑中，然后蒸發(fā)出有機(jī)溶劑，獲取純凈的植物芳香油。
5、石油醚具有較高的沸點(diǎn)，能充分溶解胡蘿卜素，并且不與水混溶，所以適宜用作胡蘿卜素的萃取劑。
6、玫瑰精油的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，難溶于水，易溶于有機(jī)溶劑，能隨水蒸汽一同蒸餾。
故適用于蒸餾法。
7、玫瑰精油的油水混合物中加入NaCL目的是增加水層密度，使油水分層。
分離油層后加無(wú)水Na2SO4，目的是除去水，再過(guò)濾去除Na2SO4。
8、橘皮壓榨前用石灰水浸泡，目的是破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)、分解果膠、防止橘皮壓榨時(shí)滑脫，提高出油率。
9、胡蘿卜素是橘黃色結(jié)晶，化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，不溶于水，微溶于乙醇，易溶于石油醚等有機(jī)溶劑，所以適于用萃取法。
10、萃取時(shí)采用水浴加熱，以防有機(jī)溶劑燃燒、爆炸。
瓶口安裝回流冷凝裝置，以防止加熱時(shí)有機(jī)溶劑揮發(fā)。
高中生物選修一知識(shí)5DNA和蛋白質(zhì)技術(shù)
1、提取生物大分子的基本思路是選用一定的物理或化學(xué)方法分離具有不同物理或化學(xué)性質(zhì)的生物大分子。
2、DNA溶解性：①DNA在不同濃度的NaCL溶液中溶解度不同。
在0.14moL/L的NaCL溶液中，溶解度最小。②DNA不溶于酒精。
3、DNA對(duì)酶、高溫和洗滌劑的耐受性：因?yàn)槊赣袑?zhuān)一性，蛋白酶能水解蛋白質(zhì)，但對(duì)DNA沒(méi)有影響。
DNA比較能耐高溫。洗滌劑能夠瓦解細(xì)胞膜，但對(duì)DNA無(wú)影響。
4、在沸水浴條件下，DNA遇二苯胺會(huì)被染成藍(lán)色。
5、提取DNA的材料一般用雞血而不用豬血，因?yàn)椴溉閯?dòng)物(豬)成熟的紅細(xì)胞無(wú)細(xì)胞核，無(wú)DNA。
6、破碎雞血細(xì)胞時(shí)，可以加入一定量的蒸餾水，同時(shí)用玻璃棒攪拌，過(guò)濾后收集濾液即可。
7、為了純化提取的DNA，需要將濾液進(jìn)一步處理。
在濾液中加入NaCL，使其濃度為2mol/L，過(guò)濾除去不溶的雜質(zhì)，再加入蒸餾水，使NaCL濃度為0.14mol/L，析出DNA，過(guò)濾除去溶液中的雜質(zhì)。
8、向溶解了DNA的NaCL溶液中加入體積分?jǐn)?shù)為95%的冷卻的酒精溶液，目的是提取含雜質(zhì)更少的DNA。
9、PCR原理：DNA體外復(fù)制
10、PCR的條件：①一定的緩沖溶液;
②DNA模板;③分別與兩條模板鏈相結(jié)合的兩種引物;④四種脫氧核苷酸;⑤耐熱的DNA聚合酶;⑥控制溫度的儀器設(shè)備。
11、為什么要引物?因?yàn)镈NA聚合酶不能從頭開(kāi)始合成DNA，而只能從3′端延伸DNA鏈。
DNA的合成方向總是從子鏈的5′端向3′端延伸。
12、PCR三步驟：變性、復(fù)性和延伸。
在PCR循環(huán)之前，常要進(jìn)行一次預(yù)變性，以便增加大分子模板DNA徹底變性的概率。
13、PCR的結(jié)果：特異地復(fù)制處于兩個(gè)引物之間的DNA序列，使這段固定長(zhǎng)度的序列呈指數(shù)擴(kuò)增。
14、DNA在260nm的紫外線(xiàn)波段有一強(qiáng)烈的吸收峰。
15、蛋白質(zhì)分離的方法：凝膠色譜法和電泳。
16、凝膠色譜法是根據(jù)相對(duì)分子質(zhì)量的大小分離蛋白質(zhì)的有效方法。
