1. 研究目的与意义
资源和环境问题是人类在21世纪面临的最主要的挑战,纤维素是自然界中存在的最广泛的一类碳水化合物,是地球上最为丰富、最廉价的可再生资源,绝大多数由绿色植物通过光合作用合成,全球每年光合作用产生的植物生物量高达1.141012t,其中纤维素总量约为50%,但是这类资源并没有被充分合理地利用,不仅造成了资源的浪费,也污染了人类赖以生存的环境。
每年全球形成大约1000~2000亿t植物的有机物质,其中纤维素物质占到一半,我国是一个农业大国,每年都生产数量巨大的农业废弃物,如秸秆5-6亿吨、玉米芯1000万吨、米糠1000万吨、麦麸1000万吨、稻壳2000万吨、甘蔗渣700万吨,以及数百万吨的纤维素工业废弃物,这些物质中均含有大量的纤维素物质。但是目前我国对玉米芯的利用很少,绝大部分作为农家燃料被白白烧掉,棉籽壳基本上全作为饲料蛋白原料;而稻壳几乎全部被燃烧掉,它们污染环境,又没有得到充分的利用。若能将这些可再生植物资源合理利用,可提高农产品加工的附加值和农副产品的经济价值,又能够减少环境污染,并且可带动产区产品结构调整,提高种植者的经济收入,形成新的产业,促进当地的经济发展,具有极其重要的现实意义和可持续发展的长远意义。所以科学利用和合理开发这一天然资源成为我国关注的重点领域
纤维素物质是一个潜在的物质资源宝库,它是人类未来的能量、食物和化学原料的重要来源。纤维素物质主要由纤维素、半纤维素等多糖成分及木质素组成,它们的大致比例为4:3:3。许多农林废弃物,例如玉米秸秆、麦秆和稻秆等都富含半纤维素物质。木聚糖则是半纤维素的重要组成部分,也是自然界继纤维素之后含量第二的可更新多糖。在阔叶材和一年生禾本科植物中木聚糖占原料干重的20~35%,在针叶材中木聚糖的含量较少,一般为干重的7~10%。
2. 研究内容和预期目标
技术要求:学会木聚糖酶水解反应操作、产物分析、反应条件优化等
设计条件:木质纤维素是世界上分布较多的一种可再生资源,利用木质纤维素生产能源或相关化学品目前已得到世界各国的高度重视。其中木聚糖是木质纤维素的重要组成部分,利用木聚糖生产的低聚木糖在功能食品、医药及保健品领域有广泛应用。目前低聚木糖主要依靠酶水解来生产,但生产成本偏高。本研究考察不同木聚糖酶活对玉米芯中的木聚糖降解生产低聚木糖的影响,结合水热法预处理操作,以降低生产低聚木糖的木聚糖酶用量。
工作要求:分析不同木聚糖酶活对玉米芯中木聚糖降解影响,分析不同木聚糖酶活对水热法预处理后木聚糖液降解的影响,获得有利于产低聚木糖的最低酶用量。
3. 研究的方法与步骤
1.热液法预处理对木聚糖降解的影响
1.1实验材料
底物:玉米芯
催化剂:乙酸
反应器:50mL高压反应釜
溶剂:去离子水/蒸馏水
1.2实验操作
电子天平称量0.3g玉米芯
去离子水/蒸馏水与乙酸配成溶液
实验组反应参数温度和时间的影响
实验序号 | 溶剂
| 去离子水/蒸馏水 | 底物浓度 | 反应温度 | 反应时间 (不包括升温降温时间) |
1 | 去离子水/蒸馏水 | 30mL | 10%(w/w) | 200 | 5min |
2 | 去离子水/蒸馏水 | 30mL | 10%(w/w) | 200 | 10min |
3 | 去离子水/蒸馏水 | 30mL | 10%(w/w) | 220 | 5min |
4 | 去离子水/蒸馏水 | 30mL | 10%(w/w) | 220 | 10min |
5 | 去离子水/蒸馏水 | 30mL | 10%(w/w) | 240 | 5min |
6 | 去离子水/蒸馏水 | 30mL | 10%(w/w) | 240 | 10min |
1.3产物分析
利用高效液相色谱进行分析
色谱柱:PrevailcarbohydrateEScolumn(250×4.6mm)
检测器:蒸发光散射检测器(ELSD)
流动相:去离子水 乙腈
1.4结果讨论
探讨反应温度,反应时间对木聚糖水解转化低聚木糖,及对低聚木糖聚合度分布的影响。
2.酶水解对木聚糖水解产低聚木糖的影响
2.1实验材料
底物:玉米芯
催化剂:木聚糖酶
反应器:恒温摇床,锥形瓶
溶剂:0.05M柠檬酸钠缓冲液(pH4.8,ph可通过乙酸调节)
2.2实验操作
酶用量对玉米芯酶水解效果的影响
实验序号 | pH值 (通过乙酸调节) | 去离子水/蒸馏水 | 底物浓度 | 取样时间 | 酶用量 | 温度、转速 |
1 | 4.8 | 100mL | 2%(w/w) | 4h、72h | 酶1 (0.5%w/w) | 50oC,150rpm |
2 | 4.8 | 100mL | 2%(w/w) | 4h、72h | 酶1 (1%w/w) | 50oC,150rpm |
3 | 4.8 | 100mL | 2%(w/w) | 4h、72h | 酶1 (2%w/w) | 50oC,150rpm |
5 | 4.8 | 100mL | 2%(w/w) | 4h、72h | 酶2 (0.5%w/w) | 50oC,150rpm |
6 | 4.8 | 100mL | 2%(w/w) | 4h、72h | 酶2 (1%w/w) | 50oC,150rpm |
7 | 4.8 | 100mL | 2%(w/w) | 4h、24h、48h、72h | 酶2 (2%w/w) | 50oC,150rpm |
实验序号 | pH值 (通过乙酸调节) | 去离子水/蒸馏水 | 底物 | 取样时间 | 酶用量 | 温度、转速 |
1 | 4.8 | 100mL | 第一组实验1 | 4h、72h | 酶1 (0.5%w/w) | 50oC,150rpm |
2 | 4.8 | 100mL | 第一组实验2 | 4h、72h | 酶1 (1%w/w) | 50oC,150rpm |
3 | 4.8 | 100mL | 第一组实验3 | 4h、72h | 酶1 (2%w/w) | 50oC,150rpm |
5 | 4.8 | 100mL | 第一组实验4 | 4h、72h | 酶2 (0.5%w/w) | 50oC,150rpm |
6 | 4.8 | 100mL | 第一组实验5 | 4h、72h | 酶2 (1%w/w) | 50oC,150rpm |
7 | 4.8 | 100mL | 第一组实验6 | 4h、24h、48h、72h | 酶2 (2%w/w) | 50oC,150rpm |
酶用量对预处理后木聚糖水解效果的影响
实验序号 | pH值 (通过乙酸调节) | 去离子水/蒸馏水 | 底物 | 取样时间 | 酶用量 | 温度、转速 |
1 | 4.8 | 100mL | 第一组实验1 | 4h、72h | 酶1 (0.5%w/w) | 50oC,150rpm |
2 | 4.8 | 100mL | 第一组实验2 | 4h、72h | 酶1 (1%w/w) | 50oC,150rpm |
3 | 4.8 | 100mL | 第一组实验3 | 4h、72h | 酶1 (2%w/w) | 50oC,150rpm |
5 | 4.8 | 100mL | 第一组实验4 | 4h、72h | 酶2 (0.5%w/w) | 50oC,150rpm |
6 | 4.8 | 100mL | 第一组实验5 | 4h、72h | 酶2 (1%w/w) | 50oC,150rpm |
7 | 4.8 | 100mL | 第一组实验6 | 4h、24h、48h、72h | 酶2 (2%w/w) | 50oC,150rpm |
2.3产物分析
利用高效液相色谱进行分析
色谱柱:PrevailcarbohydrateEScolumn(250×4.6mm)
检测器:蒸发光散射检测器(ELSD)
流动相:去离子水 乙腈
2.1结果讨论
探讨酶用量对玉米芯水解的效果的影响。
探讨预处理对玉米芯产低聚木糖降低酶用量所起的作用(能减少多少酶用量)。
4. 参考文献
1.pengilly,c.,garcía-aparicio,m.p.,diedericks,d.,brienzo,m.,ggens,j.f.2015.enzymatichydrolysisofsteam-pretreatedsweetsorghumbagassebycombinationsofcellulaseandendo-xylanase.fuel,154,352–360.
2.lloyd,t.a.,wyman,c.e.2005.combinedsugaryieldsfordilutesulfuricacidpretreatmentofcornstoverfollowedbyenzymatichydrolysisoftheremainingsolids.bioresourtechnol,96(18),1967-77.
5. 计划与进度安排
1、2022年1月1日2022年3月1日查阅文献,根据任务书书写开题报告,制定实验方案,翻译外文文献;
2、2022年3月2日2022年3月10日准备酶水解反应材料,熟悉摇床操作;
3、2022年3月11日2022年4月22日酶水解反应、产物分析;
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