纤维素酶在玉米芯上的吸附和水解作用分析

时间：2024-05-19

王东

（陇东学院，甘肃庆阳 745000）

玉米芯中的纤维素是一种经济性非常高的可再生资源。现今主要将玉米芯纤维素通过酶水解或者酸处理的方式提取出葡萄糖。本实验就通过酶水解的方式制取葡萄糖来展开深入性的研究。该项研究对玉米芯中纤维素的再利用有着非常重要的现实意义。

1 实验与分析

1.1 实验材料

1.1.1 纤维材料

选取玉米芯作为实验材料，玉米芯中纤维含量（100%）如下所示：全纤维：39.5%;半纤维：37.0%;灰分 7.1%;木质素 16.6%。

1.1.2 处理方式

（1）酸处理方式：玉米芯200G，固体与液体比例为1比8，将玉米芯放入浓度为百分之一的稀硫酸溶液中，在条件为摄氏110度的情况下反应三小时后滤出残渣，将此残渣通过一定的处理方式，洗至中性，经测量，酸处理后的残渣纤维含量为半纤维6.02%，纤维56.83%木质素20.21%其他16.94%。

（2）碱处理方式：玉米芯200G，固体与液体比例为1比8，将玉米芯放入浓度为百分之二的氢氧化钠溶液中进行反应。（室温，24h)得出滤渣，洗至中性，经测量件处理后的残渣纤维素含量为63.5%半纤维素10.1%木质素14.5%其他11.9%[1]。

1.1.3 酶溶液

纤维素酶溶液：取自制酶溶液若干，每毫升含有25FPIU。

Cellobiase溶液：取自制cellobiase溶液若干，每毫升含5CBIU。

1.2 实验方法

FPA和CB酶活性标准参照国际标准测定法进行测量。两者的表示方法用FPIU/mL与IU/mL来进行表示。外切Exocellobiohydrolase利用水解脱脂棉的方式来表示。内切exocellobiohydrolase利用CMC-Na底物来测量活力。酶的活性利用DNS法进行测量。

水解率计算公式为：水解率=还原糖×0.9/底物中纤维素及半纤维素总量×100%

1.2.1 纤维素酶吸附性实验

按照相关公式吸附酶量=(初始状态酶活-酶解液中酶活)/初始状态酶活×100%来进行具体实验，实验步骤如下：

在三角瓶器皿中放入30克经过处理的纤维底物。将含量为15FPIU放入三角形器皿中使之充分反应，将该反应的相关pH值调节到4.7，经反应，纤维底物的质量数为10.1%，通过震荡，得取样品。之后测量该溶液中C1、CMC、CB酶活。

1.2.2 回收复用的实验

取用经过碱处理纤维底物与水的混合液200ML（玉米纤维20G，单位为15FPIU酶适量，其余为蒸馏水）测得溶液的pH值为4.9.环境温度为50摄氏度，静置48H，加20G新底物。在加入水，步骤上同。如此反复。（溶液体积始终保持在200ML)

2 相关实验结果与讨论

2.1 玉米芯纤维素酶吸附性受影响的关键原因

2.1.1 粒度

实验取底物粒度为20目及100目的玉米纤维底物吸附差异作为比较，底物为20目和底物为100目的CB酶的吸附量吸附情况不佳，没有超过19.5%。底物粒数为20目的玉米芯纤维酶和100目的纤维酶相比，吸附量较低，这种现象的出现时由于玉米芯纤维的面积较大，粒度较小，被吸附的概率也随之减小。

2.1.2 酸处理和碱处理的环境影响玉米芯纤维只要是经过处理，玉米芯中所含的CB酶都呈游离状出现。上述实验可知，对玉米芯底物进行处理之后，对原玉米芯中所含的CMC、C1两种酶的吸附性影响极大。没有经过酸处理与碱处理的玉米芯纤维的纤维物质都较为紧实。因此，纤维酶在反应的时候体现不出良好的可及性。但经过预处理之后的玉米芯纤维三种酶的吸附性显著性提高。

2.1.3 酸碱度的影响

当pH值为4.8的时候，CMC酶被大量的吸附于纤维底物中，峰值可以达到98%,且性质相对稳定；C1酶在反应初期尚有一丝波动，但过了6H之后，吸附量明显增加，吸附量峰值可达到95.5%。在pH值为4.2的环境下，CMC酶吸附峰值能够达到90%以上，C1酶的水解情况呈下降趋势。在pH值为5.5的环境下，CMC酶吸附率依然高，但C1吸附量明显下降。在三种pH值环境下，CB酶始终都呈游离状态。

2.1.4 温度影响因素

致使玉米芯纤维中酶分子反应速率不同的根本原因在于反应温度不同。在实验环境设定在50摄氏度的时候，CMC酶在1小时内的吸附量便达到了98.5%.在反应的过程中出现过细微的波动。C1酶在6H内在溶液中呈游离状态存在，6H后观察吸附量呈上升趋势。6—24H内吸附量峰值能够达到90.5%。将实验温度设定在在40摄氏度的时候，CMC酶的吸附量在1—4H的时候呈上升趋势，在4H之后呈下降趋势。反应10H的时候，该种类酶吸附量可达80%。而C1酶在同样条件下，峰值测量其吸附量仅有72.5%。在一般情况下，反应环境温度低，能使酶的反应更具活跃性，但对于玉米芯中纤维素酶来讲，最佳反应温度为50摄氏度。在此温度下，有利于酶的吸附。

2.2 酶回收复用相关实验

（1）从上述结果可知，玉米芯纤维素酶在反应温度为50摄氏度，pH4.9的环境下C1和CMC两种酶能够大量被吸附在纤维上。（质量分数10%）在反应中，CB酶是呈游离状态存在于溶液中的。当酶完全融溶解情况下，通过观察可以看出玉米芯上仍然有大量的CMC酶以及C1酶。这时，可以利用cellobiase和玉米芯纤维素酶进行继续试验。

（2）利用cellobiase进行反应的过程中，要加入适量（cellobiase）新的底物进行反应

利用补加cellobiase的方式对分解酶是有效。试验次数越多，酶的活性就会越弱，水解率也会随之变小。

（3）利用纤维素酶进行反应的过程中，加入适量含有纤维素酶的底物进行再反应。在再实验的过程中，虽然添加了纤维素酶进行反应，但水解率并没有明显的变化。

（4）在反应溶液中同时加入两种酶，当第一次完全反应完毕后，加入经过处理的底料，（两种酶的单位用量分别是41U的cellobiase以及7.5FP1U的纤维素酶。多次反应后，可以观察计算得出该种方式的水解率均超过百分之八十。这种方法理论上可以节约一半的纤维素酶。该项研究成果对废物的酶法糖化有着极其重要的现实作用。