纖維素水解精選(九篇)

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第1篇：纖維素水解范文

（浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江 臨安311300）

摘要：以竹（Bambusa emeiensis）漿粕為原料，不同含水率的異丙醇和乙醇為反應(yīng)介質(zhì)，采用淤漿法制備羧甲基纖維素（CMC），并通過氣相色譜法（GC）、傅里葉變換紅外光譜法（FTIR）和X－射線衍射法（XRD）對原料和產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性能進行表征。結(jié)果表明，制備CMC的堿化和醚化條件及用量為竹漿粕5 g，30％的氫氧化鈉17．5 mL，氯乙酸11．5 g，堿化溫度25 ℃，醚化溫度60 ℃，得到的最佳反應(yīng)介質(zhì)是含水率10％的乙醇。在此工藝條件下，CMC的增重率和黏度分別為30％和1 720 mPa·s。

關(guān)鍵詞 ：竹（Bambusa emeiensis）漿粕；反應(yīng)介質(zhì)；含水率；羧甲基纖維素；增重率；黏度

中圖分類號：Q81文獻標(biāo)識碼：A文章編號：0439－8114（2015）03－0661-04

羧甲基纖維素（Carboxymethyl cellulose， CMC）是一種用途廣，發(fā)展迅速的重要水溶性高分子纖維素醚，因具有優(yōu)良的增稠、乳化、懸浮、分散、穩(wěn)定、保水、膨化、賦形等功能，被廣泛應(yīng)用于食品、日化、醫(yī)藥、造紙、紡織、石油、建筑等領(lǐng)域，有著很好的應(yīng)用前景，享有“工業(yè)味精”的美譽［1］。CMC是天然纖維素與氫氧化鈉在溶劑中反應(yīng)生成堿纖維素，再與氯乙酸反應(yīng)生成CMC產(chǎn)品。CMC的重要指標(biāo)有取代度和黏度。取代度是纖維素分子中葡萄糖基的羥基被羧甲基鈉取代的數(shù)目，由于每個葡萄糖基上只有3個自由羥基可發(fā)生取代反應(yīng)，所以其取代度最大是3［2］。CMC的黏度高低與原料的聚合度和α－纖維素含量有關(guān)，生產(chǎn)高黏度的CMC，就需要以高聚合度的精制棉［3，4］為原料加以制備，這是工業(yè)生產(chǎn)的普遍做法，具有一般代表性。本試驗以竹（Bambusa emeiensis）漿粕為原料，采用淤漿法制備羧甲基纖維素，并且以黏度為主要評價指標(biāo)，尋找合成高性能CMC的最優(yōu)反應(yīng)介質(zhì)，以期為制備羧甲基纖維素提供參考。

1材料與方法

1．1材料與試劑

材料：粉碎過40目的四川永豐造紙廠慈竹（Bambusa emeiensis）硫酸鹽漿粕（竹漿粕）。

試劑：無水乙醇、氫氧化鈉、氯乙酸、乙酸，均為分析純。

1．2儀器與設(shè)備

恒溫水浴鍋、恒速攪拌器、循環(huán)水式多用真空泵、微型植物粉碎機（FZ 102型）、送風(fēng)定溫干燥箱（WFO－710型）、分析天平（BS 224 S型）、旋轉(zhuǎn)黏度計（HAAKE Viscotester 6 plus型）、氣象色譜儀（GC－2010型）、傅里葉變換紅外光譜儀（IR Prestige－21型）、X－射線衍射儀（XRD 6000型）。

1．3試驗原理

纖維素與堿反應(yīng)生成堿纖維素，簡稱堿化。堿化、醚化等主要反應(yīng)

參考文獻［5］。

1．4竹漿粕糖基組成及含量分析

糖基組成分析采用硫酸水解法，將高聚糖完全水解為中性糖和酸性糖，采用氣相色譜法定量（Alditol－acetate procedure）［6］。在10 mL容積的玻璃試管中放入約20 mg材料，加入0．125 mL的72％硫酸，在室溫下反應(yīng)1 h后，加去離子水稀釋成4％的硫酸，在121 ℃下水解60 min，冷卻后加入內(nèi)標(biāo)肌醇充分混勻。用氨水將反應(yīng)物pH調(diào)至中性，加入氫硼化鈉還原反應(yīng)液使其成為糖醇，用乙酸酐將糖醇乙?；螅D(zhuǎn)入到2 mL小試管中，用高壓氮氣濃縮，按照以下條件進行氣相色譜分析。分析柱用TC17毛細管柱 （25 m×0．25 mm，id），柱溫210 ℃、恒溫保持30 min，進樣口溫度和氫火焰檢測器溫度均為250 ℃。

1．5CMC的制備

量取不同含水率的異丙醇和乙醇溶液150 mL倒入250 mL三口圓底燒瓶中，然后再向三口圓底燒瓶滴加30％的NaOH 17．5 mL，并用玻璃棒攪拌均勻，最后加入5 g竹漿粕，在25 ℃下恒溫攪拌60 min。堿化60 min后，向三口圓底燒瓶中加入11．5 g氯乙酸，并且在60 ℃下恒溫攪拌120 min，得到CMC粗品。隨后加入一定濃度的乙酸，在室溫下中和至pH 7～8，然后用80％的乙醇洗滌2次，再用無水乙醇洗滌1次，每次200 mL，抽濾后在50 ℃下干燥至恒重，制得CMC成品。

1．6CMC增重率測定

竹漿粕質(zhì)量為W0，CMC干燥至恒重測量其質(zhì)量，記為W，則增重率公式為：

增重率＝（W－W0）／W0×100％

1．7CMC黏度的測定

采用黏度計（HAAKE Viscotester 6 plus型）測定2％ CMC水溶液的黏度：稱取絕干的CMC 2 g，配成2％ CMC水溶液，通過攪拌使其全部溶解均勻，然后倒入小瓶內(nèi)，選定合適的轉(zhuǎn)子，于25 ℃下測定CMC的黏度。

2結(jié)果與分析

2．1竹漿粕糖基組成及含量分析

α－纖維素含量是表征漿粕質(zhì)量最重要的指標(biāo)，漿粕中α－纖維素含量高，有利于均勻地吸收堿液制得膨化均勻的堿纖維素，提高醚化反應(yīng)的效率和反應(yīng)均勻性，從而提高CMC產(chǎn)品的黏度和取代度［3］。α－纖維素是由β－D－吡喃型葡萄糖基以1，4苷鍵連接而成的線型高分子，其葡萄糖基的數(shù)量，即聚合度直接影響CMC水溶液黏度［7］。葡萄糖主要是α－纖維素的降解產(chǎn)物，得率為79．0％（為竹漿粕絕干重的百分比）。木糖得率為20．3％，是竹漿粕半纖維素的主要組分。阿拉伯糖得率為0．7％。半纖維素是具有支鏈、分子質(zhì)量較纖維素低的非均一高聚糖，因此半纖維素的存在使α－纖維素含量減少，聚合度降低，但在工業(yè)生產(chǎn)中，為保證漿粕得率，盡量保留半纖維素。本研究采用半纖維素含量為20．3％的竹漿粕為原料，采用淤漿法制備CMC，研究不同反應(yīng)介質(zhì)及其含水率對CMC增重率和黏度的影響，確立最佳工藝條件。

2．2最優(yōu)反應(yīng)介質(zhì)及其含水率的確定

為了取得高黏度CMC的最優(yōu)反應(yīng)介質(zhì)及其含水率，分別選取常用的異丙醇和乙醇作為反應(yīng)介質(zhì)，然后設(shè)計不同含水率，分別是0、5％、10％、15％，共進行了8組試驗，結(jié)果如圖1和圖2所示。由圖1和圖2可知，無論反應(yīng)介質(zhì)是異丙醇還是乙醇，均是在含水率10％時所制得的產(chǎn)物CMC的增重率和黏度最大。但是含水率10％的乙醇溶劑相對于含水率10％的異丙醇制得的CMC性能更優(yōu)。說明該工藝制備CMC的最優(yōu)反應(yīng)介質(zhì)是含水率10％的乙醇溶劑，所得到的CMC的增重率和黏度分別是30％和1 720 mPa·s。

2．3CMC的結(jié)構(gòu)表征

如圖3和圖4所示，試驗制得的羧甲基纖維素均在1 605 cm－1附近出現(xiàn)了強烈的吸收峰，這是羧甲基纖維素－CH2COONa基團中－C＝O的伸縮振動，從而證明了羧甲基化反應(yīng)的完成［8］，進而說明了試驗所得的產(chǎn)物均是羧甲基纖維素。3 441 cm－1附近的吸收峰表示羥基－OH的振動吸收峰，2 922 cm－1附近的吸收峰表示亞甲基－CH的伸縮振動，1 417 cm－1和1 325 cm－1附近的吸收峰分別代表－CH2和－OH的伸縮振動峰，1 065～1 160 cm－1是纖維素骨架－CH－O－CH2的振動區(qū)域［8，9］。

2．4原料與堿性纖維素的結(jié)晶性能

原料與堿性纖維素的XRD譜圖如圖5和圖6所示。原料的X射線衍射峰的半圓錐角（2θ）出現(xiàn)在16．3　°、22．2　°、34．3　°，分別為天然纖維素101、101、002晶格面的衍射峰［10］，屬于典型的纖維素Ⅰ型的特征峰。除了f和g在16．3　°有明顯的衍射峰，其他的堿性纖維素在該處的衍射峰基本上消失了。f和g在22．0　°附近有較強的衍射峰，說明它們的纖維素Ⅰ型結(jié)構(gòu)發(fā)生了較小的晶型變化。h和i的主要衍射峰出現(xiàn)在21．0　°左右，b、c、d和e的主要衍射峰均出現(xiàn)20．6 °左右，而22．2 °的衍射峰基本上消失了，這說明它們經(jīng)過堿化后已經(jīng)由纖維素Ⅰ型的結(jié)構(gòu)變成了另外一種結(jié)構(gòu)。由衍射峰的位置可以推斷，這種結(jié)構(gòu)為纖維素Ⅱ型［11］。結(jié)合表2中堿性纖維素結(jié)晶度的變化可知，天然纖維素的結(jié)晶已經(jīng)被不同程度地破壞了。

由純異丙醇為反應(yīng)介質(zhì)制備的堿性纖維素的結(jié)晶度較純乙醇制備的堿性纖維素?。?2］。這是因為在純乙醇溶劑中，由于乙醇的極性大，NaOH在乙醇中的溶解度高，NaOH、水和乙醇幾乎屬于均相共存，當(dāng)堿用量一定時，乙醇的存在使體系中的NaOH濃度明顯降低；另外，由于Na＋外層同時吸附有乙醇和水分子，水化離子半徑較大，不利于其向纖維原纖間滲透，過渡區(qū)氫鍵打開遲緩，更難進入結(jié)晶區(qū)。而NaOH在異丙醇中的溶解度較低，減小了水合離子的尺寸，易于滲進原纖之間，拉大原纖間距離，過渡區(qū)大分子間、分子內(nèi)氫鍵被迅速破壞。相對于純乙醇溶劑，Na＋在異丙醇體系中的濃度更高，并且其水合離子外層更多的是水分子，尺寸較小，易于滲透并被纖維素有效吸附，可有效拉大原纖間距離，加速過渡區(qū)乃至結(jié)晶區(qū)分子間、分子內(nèi)氫鍵的破壞，所以其結(jié)晶度相對較小，堿化效果更好。

對于同一反應(yīng)介質(zhì)，隨著含水率的增加，堿性纖維素的結(jié)晶度呈先減小后增大的趨勢。這是因為溶劑中含水率的增加可能使部分貫穿于竹漿粕纖維素中的半纖維素分離出來，從而使得Na＋更易于滲透并被纖維素有效地吸附，加速了過渡區(qū)紅外結(jié)晶區(qū)分子間、分子內(nèi)氫鍵的破壞；但是隨著含水率的繼續(xù)增加，NaOH濃度明顯降低，且Na＋的水合離子半徑變大，不利于其向纖維原纖間滲透，以及對過渡區(qū)和結(jié)晶區(qū)氫鍵的破壞。所以，反應(yīng)介質(zhì)含水率的增加使得堿性纖維素的結(jié)晶度呈先減小后增大的趨勢。

由于堿性纖維素結(jié)晶度的減小更有利于氯乙酸的充分反應(yīng)，從而使制得的CMC的性能指標(biāo)更優(yōu)，這與本試驗結(jié)果中CMC的增重率和黏度的變化相一致。

3結(jié)論

1）以半纖維素含量20．3％的竹漿粕為原料，可制得高增重率（30％）和高黏度（1 720 mPa·s）的羧甲基纖維素產(chǎn)品。

2）以竹漿粕為原料制備高性能羧甲基纖維素的最佳反應(yīng)介質(zhì)是含水率為10％的乙醇。

3）純異丙醇相較于乙醇制備的堿性纖維素，前者的堿化效果更好。對于同一種介質(zhì)，隨著含水率的增加，堿性纖維素的結(jié)晶度呈先減小后增大的趨勢。

參考文獻：

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［10］ AKIRA I． Cellulose Material Science［M］． Tokyo： The University of Tokyo Press，2001．

第2篇：纖維素水解范文

關(guān)鍵詞：纖維素乙醇；木質(zhì)纖維素；產(chǎn)業(yè)化；生物精煉；乙醇聯(lián)產(chǎn)

Abstrct：With the energy crisis and environmental problems? becoming increasingly prominent， world energy development is entering a new period .That is， the world is experiencing the revolution that the energy? is being restructured from fossil energy consumption to focusing mainly on the renewable energy revolution. Cellulose ethanol is been the best alternative liquid fuel and industrial biotechnology research focuses on ecological benefits. In this paper， the authors summarize the status of cellulose ethanol at home and abroad， and analyz the impact? factors? affecting cellulose ethanol industry development and the development trend of the cellulose ethanol industry .

Key words：Cellulose ethanol ;lignocellulose; industrialization ;bio-refining ;co-production of ethanol

0引 言

能源問題是當(dāng)今世界各國都面臨的關(guān)系國家安全和經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的中心議題，已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點。因此，人們開始把目光轉(zhuǎn)移到有利于社會可持續(xù)發(fā)展的可再生能源體系。專家認為，生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化體系是引領(lǐng)第三次世界能源革命的技術(shù)平臺。在此背景下，燃料乙醇已經(jīng)被視為替代和節(jié)約汽油的最佳燃料，其高效的轉(zhuǎn)換技術(shù)和潔凈利用日益受到全世界的重視，已經(jīng)被廣泛認為是21世紀(jì)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的有效途徑。

在中國，燃料乙醇的主要原料是玉米和小麥。隨著燃料乙醇的快速發(fā)展，原料問題日益突出，成為制約燃料乙醇發(fā)展的瓶頸；另外，以糧食作物為原料的燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展還有可能引發(fā)國家糧食安全問題。因此，中國政府提出生物乙醇堅持非糧之路，即“不與人爭糧，不與糧爭地”。經(jīng)濟分析顯示，中國發(fā)展纖維素乙醇有更大的優(yōu)勢。木質(zhì)纖維素是地球上最豐富的可再生資源，也是當(dāng)前利用率最低的資源，是各國新資源戰(zhàn)略的重點。中國可利用的木質(zhì)纖維素每年在7億噸左右，這些豐富而廉價的自然資源主要來源于農(nóng)林業(yè)廢棄物、工業(yè)廢棄物和城市廢棄物。所以，纖維素乙醇是未來發(fā)展的必然方向。

1木質(zhì)纖維素原料組成及性質(zhì)

木質(zhì)纖維素是由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和少量的可溶性固形物組成。纖維素大分子是由葡萄糖脫水，通過β-1，4葡萄糖苷鍵連接而成的直鏈聚合體。在常溫下不發(fā)生水解，高溫下水解也很緩慢。只有在催化劑的作用下，纖維素的水解反應(yīng)才顯著進行。常用的催化劑是無機酸或纖維素酶，由此分別形成了酸水解和酶水解工藝。半纖維素是由不同的多聚糖構(gòu)成的混合物，這些多聚糖由不同單糖聚合而成，有直鏈也有支鏈，上面連接有不同數(shù)量的乙酰基和甲基。半纖維素的水解產(chǎn)物主要有己糖、葡萄糖、半乳糖、甘露糖、戊糖和阿拉伯糖等幾種不同的糖。半纖維素的聚合度較低，相對比較容易降解成單糖。二者的水解機理可以用下列方程式簡單地表示：

(C6H10O5)n + nH2OnC6H10O6

(C5H804) n + nH2OnC5H10O5

2國外纖維素乙醇的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，大規(guī)模開發(fā)利用作為清潔能源的可再生資源顯得日益重要。許多國家都制定了相應(yīng)的開發(fā)研究計劃，例如：美國的“能源農(nóng)場”、巴西的“酒精能源計劃”、印度的“綠色能源工程”和日本的“陽光計劃”等發(fā)展規(guī)劃。其它諸如丹麥、荷蘭、德國等國，多年來一直在進行各自的研究與開發(fā)，并形成了各具特色的生物質(zhì)能源研究與開發(fā)體系，擁有各自的技術(shù)優(yōu)勢。

自1973年世界石油危機后，巴西就實施了“國家乙醇生產(chǎn)計劃”，主要依靠本國豐富的甘蔗資源，積極發(fā)展燃料乙醇產(chǎn)業(yè)，目前已經(jīng)發(fā)展320多家燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)，1400萬噸/年的乙醇生產(chǎn)規(guī)模。大部分企業(yè)實行燃料乙醇和糖聯(lián)產(chǎn)。美國在燃料乙醇的生產(chǎn)上仍然是世界乙醇生產(chǎn)的領(lǐng)頭羊，在將纖維素轉(zhuǎn)化為燃料酒精的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用方面也走在世界的前列。美國加州大學(xué)Berkeley分校采用的流程是纖維素水解與發(fā)酵同步進行，該工藝以粉碎的玉米芯為原料，再用稀酸水解，將半纖維素水解成木糖等產(chǎn)物。該流程的酸水解是連續(xù)進行的，反應(yīng)器中的纖維原料含量為5%，玉米芯水解率達40%，水解液中糖為2.6%，然后采用多效蒸發(fā)器濃縮至糖濃度為11%再進行發(fā)酵。美國維吉尼亞州立大學(xué)利用80%的濃磷酸循環(huán)使用進行木質(zhì)纖維素“溶解性分離”的研究，然后經(jīng)纖維素酶水解，得到較純的葡萄糖，其得率達到35%。瑞典隆德大學(xué)Karin Ohgren等研究了將蒸汽爆破預(yù)處理后的玉米秸稈進行同步糖化與發(fā)酵的工藝研究，試驗結(jié)果表明，發(fā)酵結(jié)束后乙醇達到25g/L。

近年，隨著纖維乙醇技術(shù)的快速發(fā)展，一些大公司開始計劃建造較大規(guī)模的試驗性工廠。美國的Gulfoil Chemical公司建成了可處理1t/d纖維廢料的中試車間，年產(chǎn)純乙醇2億升，乙醇產(chǎn)率為27.7%。加拿大的Iogen生物技術(shù)公司，在渥太華開設(shè)了以麥秸為原料的3.2萬加侖/年纖維素乙醇廠，采用稀酸結(jié)合蒸汽氣爆預(yù)處理半纖維素，隨后用纖維素酶水解，分離后的液體進行木糖和葡萄糖聯(lián)合發(fā)酵。經(jīng)評估，其生產(chǎn)成本比谷物乙醇高出30%～50%。

3國內(nèi)纖維素乙醇研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

我國在纖維素乙醇技術(shù)開發(fā)上也取得了一些重要進展。浙江大學(xué)主持的“利用農(nóng)業(yè)纖維廢棄物代替糧食生產(chǎn)酒精”的項目已在河北完成中試生產(chǎn)，以玉米芯為原料，乙醇產(chǎn)率為22.2%（W/W）。南京林業(yè)大學(xué)建立了玉米秸稈間歇蒸汽爆破預(yù)處理、纖維素酶水解和戊糖己糖同步發(fā)酵技術(shù)制取纖維乙醇的中試裝置。水解得率為71.3%，還原糖利用率和乙醇得率分別為87.17%和0.43%。華東理工大學(xué)于2005年已建成了纖維乙醇600噸/年的示范性工廠，以廢木屑為原料，以稀鹽酸水解和氯化亞鐵為催化劑的水解工藝以及葡萄糖與木糖的發(fā)酵，轉(zhuǎn)化率達到了70%。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)利用黃胞原毛平革菌和雜色云芝的復(fù)合預(yù)處理，對選擇性降解木質(zhì)素的能力和規(guī)律進行了試驗研究。生物降解后原料水解率達到了36.67%。山東大學(xué)微生物技術(shù)國家重點實驗室主要開展“纖維素原料轉(zhuǎn)化乙醇關(guān)鍵技術(shù)”研究。對纖維素酶高產(chǎn)菌的篩選和誘變育種、用基因手段提高產(chǎn)酶量或改進酶系組成、纖維素酶生產(chǎn)技術(shù)等研究。吉林輕工業(yè)設(shè)計研究院“玉米秸稈濕氧化預(yù)處理生產(chǎn)乙醇”在實驗室規(guī)模為10L發(fā)酵罐條件下，經(jīng)濕氧化預(yù)處理和酶水解后酶解率86.4 %；糖轉(zhuǎn)化為乙醇產(chǎn)率48.2 %。

近年來，以河南天冠集團和中糧集團為代表的幾家大型燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)，與高校聯(lián)合進行纖維素乙醇的工業(yè)化技術(shù)的探索性研發(fā)。目前，河南天冠集團將建成300噸/年的乙醇中試生產(chǎn)線，原料轉(zhuǎn)化率超過了16%。中糧集團于2006年在黑龍江肇東啟動建設(shè)500噸/年纖維素乙醇實驗裝置。吉林九新實業(yè)集團建立了3000噸/年的玉米秸稈生產(chǎn)纖維乙醇示范性工廠。

迄今為止，全世界已經(jīng)建有幾十套纖維質(zhì)原料經(jīng)纖維素酶水解成單糖的中試生產(chǎn)線或小試生產(chǎn)線。纖維燃料乙醇在國內(nèi)外研究正步入一個新的時代，在一些關(guān)鍵技術(shù)上取得了重要的進展，并建立了多個示范性工廠。但整體上，由于在纖維素酶生產(chǎn)技術(shù)、戊糖己糖發(fā)酵菌株構(gòu)建等方面還沒有取得根本性的突破，所以距離纖維素乙醇的產(chǎn)業(yè)化還有一定的距離。

4影響纖維乙醇產(chǎn)業(yè)化的主要因素

近年來，國內(nèi)外對利用木質(zhì)纖維轉(zhuǎn)化乙醇進行了大量的研究， 工藝路線已經(jīng)打通，但當(dāng)前要想實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，在原料收集、預(yù)處理、糖化、發(fā)酵和精餾各工藝過程中還存在著制約纖維素乙醇生產(chǎn)的問題，主要表現(xiàn)為以下四個方面

（1）木質(zhì)纖維素原料分散，季節(jié)性強，尤其是農(nóng)作物秸稈。

（2）木質(zhì)纖維素預(yù)處理技術(shù)有待進一步優(yōu)化和提高。由于天然纖維素原料的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特性，使得其纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三者不能有效分離；另外伴隨產(chǎn)生一些中間副產(chǎn)物，實驗表明，這些物質(zhì)抑制酵母的生長和代謝，最終影響乙醇產(chǎn)率。

（3）缺乏高效的纖維酶菌株，現(xiàn)有的纖維素酶制劑效果較低，使得酶解糖化經(jīng)濟成本較高，當(dāng)前生產(chǎn)一噸纖維乙醇需要酶制劑成本在2200～2600元。

（4）缺乏能夠同時高效利用戊糖和己糖的發(fā)酵菌株。在木質(zhì)纖維水解中，其中有相當(dāng)比重的木糖（葡萄糖/木糖約為2）。因此，戊糖的利用是影響纖維乙醇綜合成本的關(guān)鍵一項。

5未來纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢

目前，國外纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化的研究已經(jīng)成為了熱潮，正步入一個關(guān)鍵時期，中國在這方面也有良好的基礎(chǔ)。為了使纖維素乙醇盡早地實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，除了以上幾項關(guān)鍵技術(shù)進一步解決好外，還應(yīng)當(dāng)借鑒石油化工的經(jīng)驗，堅持走生物精煉和乙醇聯(lián)產(chǎn)的模式，盡可能地最大提升和拓展底物的各組分的經(jīng)濟價值，也許是促使纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化的重要途徑。

盡管木質(zhì)纖維素原料本身非常廉價，但是將其轉(zhuǎn)化成乙醇的工藝過程非常復(fù)雜，需要大量的能耗。這主要是由木質(zhì)纖維素自身的結(jié)構(gòu)特性決定的，而得到的目標(biāo)產(chǎn)物是經(jīng)濟附加值并不很高的乙醇，致使單位乙醇的經(jīng)濟效益并不具備較強的市場優(yōu)勢。而生物精煉和乙醇聯(lián)產(chǎn)模式就打破了原來由生物質(zhì)生產(chǎn)單一產(chǎn)品的觀念，實現(xiàn)原料充分利用和產(chǎn)品價值最大化，就是所謂的“吃干榨凈”，正如目前的利用糧食生產(chǎn)乙醇一樣。例如，利用玉米同時生產(chǎn)燃料乙醇、玉米油、蛋白粉、高果糖漿、蛋白飼料和其他系列產(chǎn)品，這樣提升了整個工藝產(chǎn)品的經(jīng)濟附加值，同時取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。同樣利用木質(zhì)纖維素的三大類組分也可以衍生出多種產(chǎn)品。例如：目前，大多的木糖醇廠主要是利用玉米芯中的半纖維素生產(chǎn)木糖醇，結(jié)果剩下大量的木糖渣（主要是纖維素和木質(zhì)素），如果進行聯(lián)產(chǎn)模式，將剩下的纖維素與木質(zhì)素進行組分分離，分別生產(chǎn)纖維乙醇和優(yōu)質(zhì)燃料或木素磺酸鹽，就有可能進一步提升產(chǎn)品的綜合效益。

綜上所述，中國應(yīng)該利用纖維素乙醇作為主要的生物能源，加快以纖維素乙醇為核心的綜合技術(shù)開發(fā)，盡早實現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的目標(biāo)。相信經(jīng)過“十一五”計劃的實施，中國在利用纖維素廢棄物制取燃料乙醇方面，必將取得更大的進展，為緩解液體燃料短缺、促進環(huán)境保護和社會可持續(xù)發(fā)展等方面發(fā)揮重要作用。

參考文獻

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[8] Sun Y ，Cheng J.Hydrolysis of lingocellulosic materials for ethanol production [J]. Biomass? technology.? 2002， 83: 3-9.轉(zhuǎn)貼于

第3篇：纖維素水解范文

植物纖維素里有一種結(jié)構(gòu)叫結(jié)晶區(qū)，就是相鄰的纖維素通過氫鍵緊密相連，水是很難進入這一區(qū)域的。就算是用濃酸水解，破壞了結(jié)晶區(qū)，纖維素分子量還是太大，大分子本身也是難溶于水的，形成的是稠狀物，除非再給很大量的水才能讓大分子纖維素溶解。

一般在分析木材原料成分時，要去掉纖維素都是先濃酸水解再稀酸水解，就是先破壞纖維素結(jié)晶區(qū)，再讓一根根纖維素水解成單糖。

（來源：文章屋網(wǎng) ）

第4篇：纖維素水解范文

關(guān)鍵詞：酶 紡織品 染整 應(yīng)用

1、纖維素酶

1.1 纖維素酶的定義

纖維素酶是纖維素是由各種不同催化特性的酶組成的多組分的酶體系。一般認為，纖維酶主要由CBIⅠ、CBHⅡ和葡萄糖苷酶組成的，這些酶在纖維素水解過程中具有協(xié)同作用。纖維素酶正式應(yīng)用于紡織品化學(xué)加工中已有20多年歷史。

1.2 纖維素酶在紡織品染整加工中的作用

纖維素酶在紡織品染整加工中所起到的主要是水解作用，纖維 素酶的水解是固液多相反應(yīng)，首先纖維素酶擴散到纖維表面或內(nèi)部，吸附到纖維底物上，而進一步發(fā)生水解反應(yīng)。

1.3 纖維素酶在生物拋光整理中的應(yīng)用原理

生物拋光是一種用纖維素酶改善棉織物表面的整理工藝，以達到持久的抗起毛起球并增加織物的光潔度和柔軟度。天然纖維素的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)晶度高，在一定酶濃度和時間條件下很難把纖維素完全水解成葡萄糖單體，僅對織物表面或伸出織物表面的茸毛狀短小纖維作用。生物拋光也就是去除從纖維表面伸出的細微纖維，經(jīng)纖維素酶處理后稍經(jīng)機械加工就可以得到表面平滑而茸毛少的織物。生物拋光的主要功效是使服裝和面料長久保持光鮮、手感更柔軟。與傳統(tǒng)的加工方法比，生物拋光有如下優(yōu)點：織物表面更光潔無茸毛；織物表面顯得更加均勻；減少起毛起球的趨向；增加懸垂性并具滑爽手感；處理的織物更具有環(huán)保意義。經(jīng)過生物拋光處理的織物還有諸多優(yōu)點：穿著洗滌不易起球，染色鮮艷，保色保新時間長，尤其對印花織物效果更好。

1.4 纖維素酶在牛仔褲加工中作用

纖維素酶還應(yīng)用于牛仔褲產(chǎn)品的洗滌加工，代替石洗加工工藝。最早應(yīng)用在靛藍牛仔服裝的洗滌整理上，以獲得與石磨相同的染料脫色，洗白等褪色防舊效果。這種加工的原理是，首先將牛仔服裝上的漿料充分去除，充分發(fā)揮纖維素酶對牛仔服裝表面的剝蝕作用；纖維素酶僅對牛仔服裝表面部分水解，造成纖維在洗滌時發(fā)生脫落，在纖維素酶處理時，牛仔服裝在轉(zhuǎn)鼓中不斷發(fā)生摩擦，加速服裝表面纖維的脫落，并使吸附在纖維表面的靛藍等染料一起去除，產(chǎn)生石磨洗滌的效果，并具有獨特的外觀和柔軟的手感。目前應(yīng)用的纖維素酶大多為中性或酸性纖維素酶。纖維素酶用于牛仔服裝水洗石磨加工，加工后的服裝雪花點多、立體感強、色光好；與傳統(tǒng)的石磨工藝相比，酶洗工藝條件溫和，耗能降低，減少了服裝和設(shè)備的磨損，水洗效率高；與傳統(tǒng)的化學(xué)助劑整理工藝相比，酶洗工藝大大減少了污水排放，有利于環(huán)境保護。

2、淀粉酶

2.1 淀粉酶的定義

淀粉酶是水解淀粉和糖原的酶類總稱，通常通過淀粉酶催化水解織物上的淀粉漿料，由于淀粉酶的高效性及專一性，主要應(yīng)用與退漿，酶退漿的退漿率高，退漿快，污染少，產(chǎn)品比酸法、減法更柔軟，且不損傷纖維。用淀粉酶催化水解織物上的淀粉漿料，在目前的生產(chǎn)工藝中，仍舊是去除淀粉漿料的重要方法。只不過現(xiàn)在應(yīng)用的淀粉酶的工藝水平向高溫高效方向發(fā)展，最高溫度可達115℃，加工時間最短只有十幾秒鐘?，F(xiàn)在的高溫淀粉酶不但可以提高退漿效率，還可以同時去除混合漿料中的PVA等化學(xué)漿料。

2.2 淀粉酶的種類及其作用

（1）種類：淀粉酶的種類按作用方式可分為α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、支鏈淀粉酶和異淀粉酶等。

（2）作用：α-淀粉酶屬于內(nèi)切型淀粉酶，它作用于淀粉時從淀粉分子內(nèi)部以隨機的方式切斷α-1，4 苷鍵，最終水解產(chǎn)物為葡萄糖、麥芽糖和低聚糖，能快速降低淀粉的粘度，是最重要的一類淀粉酶。如淀粉酶應(yīng)用于棉織物的退漿。傳統(tǒng)的棉織物退漿工業(yè)應(yīng)用氧化劑、酸等退漿劑，這就產(chǎn)生了一個缺點：退漿劑在與淀粉作用的同時，也會與纖維素發(fā)生作用，并降低織物的強力。如果控制不當(dāng)，甚至?xí)鹂椢锶拷到?。酶能夠發(fā)生選擇性反應(yīng)并把淀粉轉(zhuǎn)化到可溶狀態(tài)。淀粉酶能夠完全破壞淀粉，同時又不損傷纖維素，這是淀粉酶退漿的一個非常突出的優(yōu)點。淀粉酶退漿工藝分為浸漬、保溫處理和水洗三個階段。浸漬階段：這個階段包括織物吸收酶溶液，使?jié){料凝膠化。其主要目的是使織物被酶溶液充分潤濕，充分保持酶的穩(wěn)定性，使?jié){料凝膠化。為使織物充分地被酶溶液潤濕，可在70℃或更高溫.。目前退漿用的淀粉酶都是α-淀粉酶。不同來源的α-淀粉酶具有不同的熱穩(wěn)定性和最適反應(yīng)溫度。α-淀粉酶的淀粉改性劑使得淀粉在調(diào)漿過程中降解和簡單變性.故可部分取代PVA對純棉、滌棉等織物上漿，大大降低了上漿成本，減少環(huán)境污染，并順應(yīng)廠找國今后新型漿料的發(fā)展方向：“高質(zhì)量、多功能、少組分、系列化、少用或不用PVA”。另外，近年來，α-淀粉酶還被用于變性淀粉生產(chǎn)中的淀粉預(yù)處理工藝中。實現(xiàn)淀粉在變性前被降解，提高變性效率，制得r高濃低粘的高質(zhì)量的變性淀粉漿料。

第5篇：纖維素水解范文

關(guān)鍵詞：纖維素酶；微/納纖絲；機械處理

中圖分類號：TQ340.1 文獻標(biāo)識碼：A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2013.11.002

21世紀(jì)以來，隨著資源的嚴(yán)重匱乏和人們對環(huán)保的日益重視，可再生生物質(zhì)資源的利用具有了重要意義[1]。纖維素是地球上極為豐富的可再生生物質(zhì)資源之一，占地球總生物量的40%[2-3]，廣泛應(yīng)用于造紙、塑料、炸藥、電工及科研等方面。從天然纖維中分離出的微/納纖絲具有高強度、高結(jié)晶度、高純度、生物可降解、親水性強等特性，因此，微/納纖絲在高性能復(fù)合材料中顯示出廣闊應(yīng)用前景。微/納纖絲（micro/nanofibrils）包括微纖絲（microfibril）和納米纖絲（nanofibril）兩種。微纖絲被定義為直徑在0.1～1 μm，長度在5～50 μm的纖維，納米材料則包括至少一維空間的尺寸為納米級（1～100 nm）[4]。

微/納纖絲的制備方法有化學(xué)法、機械法、生物法、人工合成法、靜電紡織法、酶處理法等[5]。相比較來說，酶處理法制備微/納纖絲具有反應(yīng)條件溫和、能耗低、設(shè)備要求相對簡單、經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)勢[6]，且所用的試劑酶與纖維素酶均為可再生資源[7]，因此，酶處理工藝更適合今后的大量生產(chǎn)微/納纖絲。

本研究以楊木紙漿纖維為原料，通過纖維素酶協(xié)同機械法處理，致力于以環(huán)境友好方式制備出微/納纖絲，運用高效液相色譜、X射線衍射儀和掃描電子顯微鏡對制備出的微/納纖絲進行表征分析，研究其細化后的性能變化。

1 材料和方法

1.1 材 料

楊木紙漿纖維：購置于江蘇某造紙廠，纖維素含量為77.44%，半纖維素含量為15.72%，酸不溶木素為5.1%，結(jié)晶度為68.2%。纖維素酶：購置于寧夏和氏璧公司，是由青霉菌發(fā)酵液精制而成，濾紙酶活為48.86 FPU·g-1。主要試劑：檸檬酸、過氧化鈉、亞硫酸鈉、硫酸、3，5-二硝基水楊酸、偏重亞硫酸鈉等分析純均購于南京化學(xué)試劑有限公司。

主要儀器：高效液相色譜（美國安捷倫公司），高壓均質(zhì)儀（定制于日本某研究公司），超聲波細胞粉碎機（南京先歐儀器制造有限公司），馬爾文激光粒度儀（馬爾文公司），X射線衍射儀（島津/KRATOS公司），JSM-7600F場發(fā)射掃描電鏡（日本電子）等。

1.2 酶解楊木紙漿纖維中纖維素/半纖維素的測定[8]

稱取（300.0±10.0） mg已用酶處理過的楊木紙漿纖維置于干燥皿中，加入（3.00±0.01） mL72%硫酸，充分潤濕混勻。將干燥皿置于（30±3） ℃水浴中振蕩反應(yīng)（60±5） min，振蕩須保證所有納米纖維素浸潤于硫酸溶液中，完全水解。水解完成后，從水浴槽中取出干燥皿，加入（84±0.04） g純水，將硫酸濃度稀釋至4%。將樣品置于高壓滅菌器中，溫度設(shè)置為121 ℃，時間60 min。反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫。用已準(zhǔn)備好的磨成粉狀的脫水Ba（OH）2，中和樣品pH值至5～6。離心后，取上清液作高效液相分析用，從圖譜中計算出葡萄糖、木糖濃度。從而可以計算出樣品中纖維素和半纖維素的絕干百分比。公式（1）如下：

纖維素/半纖維素含量=×100%（1）

式中，C為水解后單糖的濃度，單位為g·L-1；MC為楊木紙漿纖維的含水率，0.087為水解液的總體積，單位為L；0.3為酸水解原料的質(zhì)量，單位為g；0.9為纖維素和半纖維素水解葡萄糖對應(yīng)的系數(shù)。

用蒸餾水洗滌殘渣，后將殘渣在105 ℃下干燥至恒質(zhì)量并稱質(zhì)量，將其作為酸不溶木質(zhì)素的質(zhì)量；取一定量的水解上清液用分光光度法在205 nm處測定其吸光度AOD，然后按式（2）計算相應(yīng)的酸溶木素。

酸溶木素=×8.7%（2）

1.3 楊木紙漿纖維預(yù)處理

（1）楊木紙漿纖維的粉碎。由于纖維過于粗，用植物粉碎機對楊木紙漿纖維再加工，過0.18 mm篩。

（2）化學(xué)處理[9]。由于楊木紙漿纖維中仍然有少量半纖維素、木素及其它雜質(zhì)，這會影響微/納纖絲的制備，因此要將其去除。選擇固液比為1∶30，在NaSO3濃度為3%，蒸煮時間為2 h，溫度為200 ℃，脫去楊木紙漿纖維中的木質(zhì)素，水洗至中性，收集濾渣；選擇固液比為1∶30，NaOH濃度為8%，堿處理時間3 h，溫度80 ℃，脫去楊木紙漿纖維中的半纖維素，水洗至中性，收集濾渣；選擇固液比為1∶40，H2O2濃度5%，處理時間1 h，溫度45 ℃，脫去果膠等雜質(zhì)，水洗至中性，收集濾渣。經(jīng)高效液相得出圖譜，通過公式（1）和（2）分別計算得出纖維素含量為92.85%、半纖維素含量為1.87%、木質(zhì)素含量為0.88%，適合作為酶解纖維素的底物。

1.4 正交試驗

為了考察最優(yōu)條件，選擇加酶量、酶解時間和料液比作為考察因素，運用3因素3水平作正交試驗，確定微/納纖絲的最佳工藝參數(shù)，具體因素水平如表1所示。

1.5 纖維素酶解楊木紙漿纖維

將堿預(yù)處理后的纖維素與緩沖溶液以一定的料液比加入纖維素酶液，在適宜的溫度以及pH值下酶解反應(yīng)一定時間，達到纖維素酶的平衡聚合度，滅酶5 min，過濾，濾渣風(fēng)干，粉碎，即得楊木紙漿微/納纖絲。

1.6 機械法處理楊木紙漿纖維

由于纖維素酶選擇性地酶解掉無定形的纖維素而剩下部分纖維素晶體[10]，因此，可以用機械法加以輔助酶解微/納纖絲，以較為環(huán)保的方式獲得結(jié)晶度較高、粒徑較小的產(chǎn)物。本試驗中采用超聲波粉碎儀和高壓均質(zhì)儀間歇式處理已酶解過的微/納纖絲以獲得質(zhì)量更優(yōu)的微/納纖絲。

1.7 X射線衍射分析（XRD）[11]

樣品按照X射線衍射儀的測試要求裝片。X光為銅靶，掃描步長為0.05°，掃描范圍為5°～40°，5°·min-1。測試條件為電壓40 kV，電流30 mA，采用2θ/θ步進掃描。根據(jù)Turley法計算試樣的結(jié)晶度[11]，計算公式為：

CrI=×100% （3）

式中，CrI為結(jié)晶度指數(shù)；I002為（002）晶格衍射角的極大強度；Iam為代表2θ角近于18°時非結(jié)晶背景衍射的散射強度。I002與Iam單位相同。

1.8 JSM-7600F場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）分析

配制已制備好的微/納纖絲溶液，放入冷凍干燥箱中冷凍干燥48 h后取出并立即存放入干燥器中以備檢測微/納纖絲的長度、粒徑、形態(tài)等[12-14]。臨界點干燥，噴金，放入JSM-7600F場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）下觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗分析

本試驗采用的纖維素酶由青霉菌發(fā)酵液精制而成，此種酶經(jīng)試驗在50 ℃下酶解效率最好，因此本試驗酶解溫度定為50 ℃[15-21]。采用3因素3水平的正交試驗，確定制備微/納纖絲的最佳工藝參數(shù)，得到CrI較高的微/納纖絲。根據(jù)公式（3）和XRD圖譜算出每組試驗的CrI，正交試驗結(jié)果見表2。

由表2可知，酶處理制備楊木紙漿微/納纖絲的影響因素依次為A>C>B，即時間、加酶量、料液比。最佳工藝條件為A2B2C1，即最佳工藝條件為加酶量30 FPU，處理時間為36 h，料液比為1∶40。由于酶中含有蛋白質(zhì)等雜質(zhì)，使原料中纖維素含量有所降低，可以通過適當(dāng)?shù)膲A處理來去除蛋白質(zhì)，再進行機械處理以制備粒徑更小的微/納纖絲。

通過馬爾文激光粒度儀Zetasizer Nano對酶解后微/納纖絲的粒徑分布進行測量。從圖1可以看出，溶液中去除蛋白前后的變化情況。

圖1（a）中有2個峰值，在80 ℃下進行熱堿處理后得到圖1（b），圖1（b）有一個峰值，這說明，酶處理后的產(chǎn)物中蛋白質(zhì)已經(jīng)去除。因此，可以得出：圖1（a）中粒徑分布范圍在100～1 000 nm，光強小的峰值是試驗材料中酶的粒徑范圍分布情況。從（a）、（b）兩圖中均可看出，酶處理后的產(chǎn)物粒徑分布范圍大都在1 m以上，說明酶處理后的微/納纖絲大部分還是聚集形態(tài)的纖絲束，還需要進一步的機械法處理才能獲得粒徑分布范圍更小的納米纖絲。圖1（b）中1 m以上纖絲粒徑分布較圖1（a）變窄，這是由于纖維在熱堿溶液中能夠發(fā)生剝皮反應(yīng)（150 ℃下發(fā)生），引起纖維素降解。

按照正交試驗的結(jié)果進行驗證試驗，由計算可知纖維素酶水解后楊木紙漿纖維的CrI為84.2%，這表明纖維素酶水解作用破壞了纖維素的非結(jié)晶區(qū)，使酶解后的纖維CrI提高。去除蛋白后纖維素的含量為95.26%。纖維素酶水解后，纖維素的結(jié)晶度和含量均有所改善。

2.2 機械法再處理

盡管在本試驗的最佳酶解條件下獲得纖絲的纖維素含量和結(jié)晶度提高較大，但是酶解的作用趨于緩和，在粒徑的提高方面明顯不夠。用機械法加以輔助酶解，不僅較之化學(xué)法污染更小，而且可以獲得更小粒徑的微/納纖絲[21]。

本試驗采用超聲波粉碎儀和高壓均質(zhì)儀間歇處理酶解后的微/納纖絲。配制濃度為0.05%的酶解后的楊木紙漿纖維溶液100 mL（已達到微米級別，見圖2中（a）、（b）和（c）），選用1/2″探頭（探入式）、振幅為80 μm、處理時間90 min（分3次）、脈沖時間6 s、脈沖間隔4 s。打開高壓均質(zhì)儀的壓力閥，調(diào)整壓力至1 000～1 500 bar，分3組進行均質(zhì)，每組5次，每次處理時長約為2 min。超聲波處理和高壓均質(zhì)處理為間歇式，即：超聲波處理高壓均質(zhì)處理超聲波處理高壓均質(zhì)處理超聲波處理高壓均質(zhì)處理。

2.3 楊木紙漿微/納纖絲的表征分析

采用JSM-7600F場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM），分別對酶解后和超聲波/高壓均質(zhì)儀處理后的楊木紙漿纖維的形態(tài)進行研究，配制濃度為0.05%微/納纖絲溶液進行冷凍干燥，48 h后放入掃描電鏡下觀察，結(jié)果如圖2所示。

圖2中的（a）、（b）和（c）圖為酶處理后楊木紙漿纖維的SEM圖。從圖中可以看出，纖維比較疏松多孔，這說明酶處理已經(jīng)使纖維的初生壁和次生壁外層脫落。但是團聚現(xiàn)象較嚴(yán)重，分散不均勻，粒徑分布大都在10 m左右，如圖（c）所示。因此，還需機械力輔助使纖維產(chǎn)生縱向分裂，破壞纖絲與纖絲之間的氫鍵作用以獲得分散均勻、粒徑達到納米級的納米纖絲。

圖2中的（d）、（e）和（f）圖為酶處理協(xié)同機械法處理楊木紙漿纖維的SEM圖。從圖中可以看出，經(jīng)過超聲波和高壓均質(zhì)間歇處理后的纖維已經(jīng)分離成纖絲狀。纖維素鏈上的主要功能基是羥基（—OH），羥基不僅對纖維素的超分子結(jié)構(gòu)有決定作用，而且也影響其化學(xué)和物理性能。—OH基之間或—OH基與O—、N—和S—基團能夠聯(lián)接，即氫鍵。因此，只有纖絲與纖絲間的氫鍵斷裂，才能獲得微/納纖絲。酶處理協(xié)同機械法處理纖維正是運用于此，才制備出了如圖2中（d）～（f）納米級的纖絲。如圖2中（d）、（e）和（f）所示，纖絲具有較大的比表面積，并且長徑比大，圖2（f）表明：纖維的直徑分布在25～55 nm，寬度方向已經(jīng)達到納米級纖絲要求。從圖2（d）、（e）和（f）中還可以看出，纖絲表面起毛、分絲帚化，這是因為次生壁中層S2上微纖絲暴露，分離出了細小纖維。

3 結(jié) 論

（1）酶處理制備楊木紙漿微/納纖絲的影響因素按大小依次為：時間、加酶量、料液比，最佳工藝條件為：加酶量30 FPU，處理時間為36 h，料液比為1∶40。

（2）熱堿處理去除酶解產(chǎn)物中的蛋白質(zhì)，纖絲的CrI為84.2%，纖維素含量為95.26%。纖絲的CrI和含量均有所改善。

（3）采用超聲波粉碎儀和高壓均質(zhì)儀間歇處理酶解后的微/納纖絲，獲得產(chǎn)物達到納米級別，從電鏡圖中可看出，次生壁中層S2上微纖絲暴露，纖絲表面起毛、分絲帚化，分離出了細小纖維。纖維的直徑分布在25～55 nm，寬度方向已經(jīng)達到納米級纖絲要求。

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第6篇：纖維素水解范文

一、教學(xué)目標(biāo)

1.知識目標(biāo)

通過糖類的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握糖類的主要代表物葡萄糖、蔗糖、淀粉、纖維素的組成和重要性質(zhì)，以及它們之間相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系。能舉例說明糖類在臨床上的用途。

2.能力目標(biāo)

通過探究實驗，體會到實驗是學(xué)習(xí)和研究物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的重要方法。

3.情感目標(biāo)

通過對單糖、雙糖、多糖代表物的探索實驗，培養(yǎng)學(xué)生樂于交流、相互協(xié)作、勇于承擔(dān)的精神。

二、教學(xué)重點和難點

1.教學(xué)重點

掌握糖類重要的代表物葡萄糖、蔗糖、淀粉、纖維素的組成和重要性質(zhì)，它們之間的相互轉(zhuǎn)化以及與烴的衍生物的關(guān)系。

2.教學(xué)難點

糖類的概念、葡萄糖的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

三、教學(xué)方法

目標(biāo)導(dǎo)向法，循序漸進法，教、學(xué)、做合一。

四、教學(xué)過程

【目標(biāo)導(dǎo)向】借助PPT先展示本次課的教學(xué)目標(biāo)，接著演示四種含糖食物——糖果、葡萄、紅薯、麥桿。它們之間有何聯(lián)系？

【提問】我們每天吃的主食米飯、饅頭、面條中的主要營養(yǎng)成分是什么？為何每天還要吃大量的蔬菜和水果？

學(xué)生閱讀教材P89，邊讀邊思考。

PPT演示

糖的概念：糖類又叫碳水化合物。

糖的分類：

單糖：葡萄糖、果糖、核糖。不能水解成更簡單的糖。

雙糖：蔗糖、麥芽糖、乳糖。能水解生成2分子單糖的糖。

多糖：淀粉、糖原、纖維素。能水解生成許多分子單糖的糖。

【實驗】學(xué)生觀察葡萄糖晶體并做葡萄糖溶解實驗。區(qū)分溶解與水解的不同。

一、單糖——葡萄糖與果糖

（一）葡萄糖的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

1.物理性質(zhì)：白色晶體，易溶于水，有甜味。

實驗測得：葡萄糖的相對分子質(zhì)量為180，C、H、O三種元素的質(zhì)量分數(shù)為40%、6.7%、53.3%。

葡萄糖的分子式為：C6H12O6。

【設(shè)問】葡萄糖具有什么結(jié)構(gòu)呢？除碳、氫外還含有氧原子，說明它可能含什么官能團呢？是前面學(xué)過烴的含氧衍生物醇、酚的官能團——羥基；還是醛、酮的官能團——醛基；或是羧酸的官能團——羧基？還是多種官能團并存。如何鑒別葡萄糖的官能團呢？在教師的提示下，學(xué)生分組進行探究實驗。

探究內(nèi)容：葡萄糖的結(jié)構(gòu)特點及性質(zhì)。具體方法是依據(jù)前面學(xué)過的內(nèi)容——烴的含氧衍生物醇、酚、醛、酮、羧酸，由結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，最終推導(dǎo)出它的結(jié)構(gòu)特點及其應(yīng)具有的性質(zhì)。

2.結(jié)構(gòu)簡式：CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO。

3.葡萄糖的用途：

（1）臨床上：病人往往因疾病導(dǎo)致飲食較少，或者是身體虛弱，通過輸液方式補充葡萄糖，有助于人體機能的恢復(fù)。1g葡萄糖完全氧化放出約15.6kJ的熱量。注射葡萄糖可迅速補充營養(yǎng)。

（2）生活中：可直接使用，補充營養(yǎng)，還有利尿、解毒作用。

（3）工業(yè)上：大量用葡萄糖為原料合成維生素C，在印染制革，制鏡工業(yè)和熱水瓶膽鍍銀工藝中作還原劑。

【小結(jié)】葡萄糖是醛糖，具有還原性。

（二）果糖的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

1.物理性質(zhì)：無色晶體，易溶于水，有甜味（是所有糖中最甜的糖）

【強調(diào)】糖精雖然比果糖還甜，但糖精不是糖。

如何檢驗果糖是否有還原性？通過實驗探究進行。

果糖沒有還原性，因為它沒有醛基，不能發(fā)生銀鏡反應(yīng)和與新制氫氧化銅反應(yīng)，屬于非還原性糖。

2.結(jié)構(gòu)簡式：CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CO-CH2OH。

二、雙糖——蔗糖、麥芽糖、乳糖

【講述】蔗糖是自然界分布最廣的一種二糖，存在于大多數(shù)植物體中，甜菜和甘蔗中含量最豐富。麥芽糖主要存在于發(fā)芽的谷粒和麥芽中，是淀粉在體內(nèi)消化過程中的一個中間產(chǎn)物，可以由淀粉在淀粉酶作用下水解而得到。乳糖存在于哺乳動物的乳汁中而得名。蔗糖、麥芽糖乳糖的分子式均為：C12H22O11，三者為同分異構(gòu)體。

1.物理性質(zhì)

蔗糖：白色晶體，易溶于水，甜味僅次于果糖。

麥芽糖：白色晶體，易溶于水，有甜味。

乳糖：白色粉末，溶解度小，味不甚甜。

2.化學(xué)性質(zhì)

蔗糖：無醛基，無還原性，但水解產(chǎn)物具有還原性。產(chǎn)物為一分子葡萄糖、一分子果糖。為了加深印象，用一民間歇后語說明：吃甘蔗上樓梯——步步高、節(jié)節(jié)甜。正是由于水解后產(chǎn)生了最甜的糖——果糖的緣故。

C12H22O11+H2O■C6H12O6+C6H12O6

（蔗糖） （葡萄糖）（果糖）

麥芽糖：（1）有還原性：能發(fā)生銀鏡反應(yīng)（分子中含有醛基），是還原性糖。

（2）水解反應(yīng)：產(chǎn)物為2分子葡萄糖。

C12H22O11+H2O■2C6H12O6

（麥芽糖） （葡萄糖）

乳糖：（1）有還原性：能發(fā)生銀鏡反應(yīng)（分子中含有醛基），是還原性糖。

（2）水解反應(yīng)：產(chǎn)物為一分子葡萄糖和一分子半乳糖。

C12H22O11+H2O■ C6H12O6 + C6H12O6

（乳糖） （葡萄糖） （半乳糖）

PPT演示：三種雙糖的組成示意圖

學(xué)生自己列表歸納比較葡萄糖、果糖、蔗糖、麥芽糖、乳糖的結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)以及它們在醫(yī)藥上的用途。

PPT演示：漢堡包中包含的三種多糖：面里面有淀粉，肉里面有糖原，蔬菜里面有纖維素。

三、多糖——淀粉、糖原、纖維素

結(jié)構(gòu)：[C6H7O2（OH）3]n

【提問】我們?nèi)粘z入的食物中哪些含有較豐富的淀粉？

【思考】米飯、饅頭、紅薯等。

米飯沒有甜味，但咀嚼后有甜味，為什么？

淀粉是一種多糖，屬天然高分子化合物，雖然屬糖類，但它本身沒有甜味，在唾液淀粉酶的催化作用下，水解生成麥芽糖，故咀嚼后有甜味。

PPT演示：淀粉在體內(nèi)的水解過程：

（C6H10O5）n■（C6H10O5）m+C12H22O11+C6H12O6

淀粉 糊精 麥芽糖 葡萄糖

【實驗】碘遇淀粉變藍實驗。

如何用實驗的方法判斷淀粉是否已水解及水解程度？由學(xué)生設(shè)計實驗方案。

【講述】纖維素是綠色植物通過光合作用生成的，是構(gòu)成植物細胞的基礎(chǔ)物質(zhì)。一切植物中都含有纖維素，但不同的植物所含纖維素的多少不同。纖維素是白色、沒有氣味和味道的纖維狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，是一種多糖。水解的最終產(chǎn)物是葡萄糖。

（C6H10O5）n + nH6O■nC6H12O6

小組討論：

1.人在患病時往往渾身乏力，臨床上常采取靜脈輸液治療，為什么輸液中含有葡萄糖的成分？葡萄糖的濃度是否越濃越好？能否用蔗糖代替？

2.糖尿病人能否吃糖？

3.含纖維素豐富的食物對人體有哪些好處？哪些食物中含有較豐富的纖維素？

【小結(jié)】人體攝入最多的糖類物質(zhì)是淀粉，但食物中的淀粉在人體內(nèi)不能直接被吸收和利用，而是要轉(zhuǎn)化成葡萄糖才能實現(xiàn)，血液中的葡萄糖稱為血糖，血糖濃度的相對恒定對機體有著重要的生理意義?？纺虿∪说氖滓委熢瓌t雖然是控制飲食，但醫(yī)生常常提醒病人外出時一定要帶幾個糖果或含糖的點心，就是為了避免出現(xiàn)低血糖。

纖維素雖然不能直接作為人類的營養(yǎng)食物，但它在人體組織消化過程中起著重要作用。例如：能刺激腸道蠕動和分泌消化液，有助于食物的消化和廢物的排泄，減少有害物質(zhì)與腸粘膜的接觸時間，可預(yù)防很多疾病，如便秘、痔瘡和直腸癌等。還可用于預(yù)防和治療肥胖、糖尿病，缺血性心臟病等。

第7篇：纖維素水解范文

關(guān)鍵詞 糠醛渣；啤酒糟；底物誘導(dǎo)；綠色木霉；纖維素酶

中圖分類號 TQ92 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2013）22-0142-03

Studies on Cellulose Production with Trichoderma viride Induced by Mixed Substrates of Furfural Residue and Beer Residue

SHAO Dan JI Li ZHU Li-wei JIANG Jian-xin *

（College of Materials Science and Technology，Beijing Forestry University，Beijing 100083）

Abstract The liquid state fermentation conditions were studied and optimized for cellulase production by Trichoderma viride（CGMCC3.2941）using beer residue and furfural residue as mixed substrates.The results showed that the optimal conditions were as follows：the substrate concentration 2%，the ratio of furfural residue to beer residue 9∶1，fermentation time 11d and fermentation temperature（29±1） ℃.Under these conditions，the filter paper activity，endoglucanase activity，and exoglucanase activity could be reached 0.189 FPU/mL，0.451 U/mL and 0.392 U/mL，respectively，which increased by 45.0%，3.8% and 38.3% contrasted to the substrate without beer residue.

Key words furfural residue；beer residue；substrate induction；Trichoderma viride；cellulase

目前，世界上許多科技工作者都在研究如何有效地利用纖維素類物質(zhì)來生產(chǎn)燃料乙醇，以解決當(dāng)前因化石燃料緊缺帶來的能源危機。酶法水解纖維素因具有原料來源豐富、生產(chǎn)條件溫和、發(fā)酵抑制物少等優(yōu)點而備受關(guān)注。但由于纖維素酶活力較低，成本高，限制了纖維乙醇的工業(yè)規(guī)模推廣。因此降低纖維素酶的成本成為生產(chǎn)燃料乙醇的關(guān)鍵之一[1-2]。工業(yè)化生產(chǎn)纖維素酶主要有固體發(fā)酵法和液態(tài)深層發(fā)酵法2種[3]。液體深層發(fā)酵法相對來說具有生產(chǎn)效率更高、培養(yǎng)條件更容易控制、不易染菌等優(yōu)點，已經(jīng)成為國內(nèi)外生產(chǎn)纖維素酶的主要方法。

糠醛渣是工業(yè)上利用富含戊聚糖的木質(zhì)纖維素（如玉米芯）經(jīng)過稀硫酸水解生產(chǎn)糠醛后的殘渣，主要組分為纖維素和木質(zhì)素。這種處理方法得到的糠醛渣各組分之間連接疏松、纖維素聚合度小，在一定程度上消除了其對纖維素酶的物理性空間阻隔效應(yīng)，使酶糖化效率得到提升，非常適合用于生物質(zhì)乙醇生產(chǎn)[4]。而啤酒糟是啤酒生產(chǎn)中最主要的副產(chǎn)物，主要成分是麥芽殼和未糖化的麥芽，含有許多含氮化合物、多種無機元素及維生素，質(zhì)地疏松，可以成為液態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶的優(yōu)良底物[5]。纖維素酶屬于誘導(dǎo)酶，由不同的底物誘導(dǎo)綠色木霉產(chǎn)生的纖維素酶系會有所差異，而混合多種木質(zhì)纖維素底物來誘導(dǎo)生產(chǎn)纖維素酶，可使所產(chǎn)纖維素酶系組分更協(xié)調(diào)，有利于增強酶系間的協(xié)同作用[6]。該研究首次以糠醛渣和啤酒糟作為混合底物，對綠色木霉（CGMCC3.2941）液態(tài)發(fā)酵產(chǎn)纖維素酶的一些條件進行了考察和優(yōu)化，對比了混合底物和單一底物所產(chǎn)纖維素酶酶活力的差異，以期為混合底物提高纖維素酶活力和降低纖維素酶生產(chǎn)成本提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗菌株與原料。實驗室所用菌株為綠色木霉（CGMCC NO. 3.2941），購于中國微生物菌種保藏管理中心?？啡┰∽院颖笔〈豪偌瘓F，初始pH值2.8，使用前先水洗至中性，烘干。啤酒糟，由燕京啤酒集團提供。啤酒糟和糠醛渣使用前，均粉碎過20目篩?？啡┰趾?0.33%，啤酒糟水分含量8.33%。

1.1.2 培養(yǎng)基。①種子培養(yǎng)基。試驗所用種子培養(yǎng)基為含有2%糠醛渣的Mandles營養(yǎng)鹽培養(yǎng)基（糠醛渣8 g，Mandles營養(yǎng)鹽392 mL，瓊脂8 g）。其中Mandles營養(yǎng)鹽配方為：KH2PO4 2 g、（NH4）2SO4 1.4 g、尿素0.3 g、MgSO4·7H2O 0.3 g、CaCl2 0.3 g、FeSO4·7H2O 5 mg、MnSO4·H2O 1.56 mg、ZnSO4 1.4 mg、CoCl2 0.2 mg、蒸餾水1 L[6]。②產(chǎn)酶培養(yǎng)基?？啡┰a(chǎn)酶培養(yǎng)基：含有不同糠醛渣濃度的Mandles營養(yǎng)鹽液體培養(yǎng)基?；旌系孜锂a(chǎn)酶培養(yǎng)基：含有不同糠醛渣/啤酒糟（g/g）比例的Mandles營養(yǎng)鹽液體培養(yǎng)基。

1.2 試驗方法

1.2.1 菌種馴化。挑取菌株平板或斜面上的孢子到糠醛渣固體培養(yǎng)基平板上，（29±1） ℃，培養(yǎng)3 d，此為糠醛渣為底物的第1代菌株，之后挑取第1代菌株的孢子接種到新的糠醛渣固體培養(yǎng)基上，同樣條件下培養(yǎng)，為第2代菌株，以此類推，接種到第3代菌株備用。

1.2.2 孢子懸液制備。在平板培養(yǎng)基中加入無菌Mandles鹽溶液3～5 mL，將孢子洗脫，該操作可重復(fù)多次。然后吸出孢子懸液（用管口帶有薄的無菌棉花的吸管）至無菌三角瓶內(nèi)（含一定量的Mandles鹽溶液）。磁力攪拌均勻后，取一定量的溶液于無菌試管中，用生理鹽水稀釋到適當(dāng)倍數(shù)，用血球計數(shù)板計數(shù)，使孢子懸浮液濃度達到108個/mL[7]，備用。

1.2.3 產(chǎn)酶培養(yǎng)。將孢子懸浮液接種到糠醛渣產(chǎn)酶培養(yǎng)基或混合底物產(chǎn)酶培養(yǎng)基中，總液體體積為160 mL，在（29±1） ℃，180 r/min搖床中進行產(chǎn)酶培養(yǎng)，并分別在第3、5、7、9、11、13、15天取樣，測定粗酶液中的纖維素酶活力。

1.2.4 酶活測定。①濾紙酶活力（FPA）測定。參照農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NY/T 912-2004）推薦的標(biāo)準(zhǔn)方法進行測定。將Whatman No.1濾紙條折好放入具塞試管，向管中加入檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液1.5 mL和待測酶液0.5 mL。然后將試管置于50 ℃水浴中反應(yīng)60 min。反應(yīng)完后取出試管迅速加入DNS 1.5mL 終止反應(yīng)。將試管置于沸水浴中反應(yīng)5 min，取出冷卻后定容至25 mL，并用分光光度計測量管中樣液在波長540 nm處的吸光度。濾紙酶活力定義：在50 ℃，pH值4.8，60 min的條件下，以Whatman No.1濾紙為底物，以反應(yīng)中每分鐘水解纖維素形成1 μmol葡萄糖所需的酶量為1個酶活單位FPU。②外切酶活力測定。在具塞刻度試管中加入1 mg/mL對硝基苯纖維二糖苷溶液（pNPC）1.8 mL，加入待測酶液0.2 mL。然后將試管置于50 ℃水浴中反應(yīng)30 min，取出試管后迅速向各管加入1 mol/L Na2CO3溶液2 mL終止反應(yīng)，混合均勻后，用分光光度計測定管中樣液在波長400 nm處的吸光度[8]。外切葡聚糖酶酶活力定義：在50 ℃，pH值4.8，30 min的條件下，以反應(yīng)中1 min水解pNPC生成1 μmol pNP所需的酶量為1個外切葡聚糖酶酶活單位U。③內(nèi)切酶活測定。參照輕工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（QB 2583-2003）推薦的標(biāo)準(zhǔn)方法進行測定。在具塞刻度試管中加入含1%羧甲基纖維素鈉的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液1.5 mL和待測酶液0.5 mL。將試管置于50 ℃水浴中反應(yīng)30 min，取出后迅速向各管加入DNS 1.5 mL，終止反應(yīng)。將試管置于沸水浴中反應(yīng)5 min，取出冷卻后定容至25 mL，用分光光度計測量管中樣液在波長540 nm處的吸光度。內(nèi)切葡聚糖酶酶活力定義：在50 ℃，pH值4.8，30 min的條件下，以反應(yīng)中1 min水解生成1 μmol葡萄糖所需的酶量為1個內(nèi)切葡聚糖酶酶活單位U。④纖維二糖酶活測定。在具塞刻度試管中加入1 mL的5 mmol/L對硝基苯-β-D-吡喃半乳糖苷溶液（pNPG）和1.5 mL H2O，然后加入待測酶液0.5 mL。將試管同時置于50 ℃水浴中反應(yīng)30 min，取出后迅速向各管加入1 mol/L Na2CO3溶液2 mL，然后每管再補加H2O 10 mL，搖勻。用分光光度計測量管中樣液在波長400 nm處的吸光度[9]。纖維二糖酶酶活力（CB）定義：在50 ℃，pH值4.8，30 min的條件下，以反應(yīng)中1 min水解pNPG產(chǎn)生1 μmol PG所需的酶量為1個纖維二糖酶酶活單位U。

1.2.5 底物的XPS分析。用x射線光電子能譜儀（ESCALab250型，Thermo Scientific公司）進行分析。單色器A1 KаX射線激發(fā)，X射線源功率為150 W。基礎(chǔ)真空約6.5×10-10 mbar。結(jié)合能用烷基碳或污染碳的C1（284.6eV）進行校正。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同底物濃度的糠醛渣產(chǎn)酶培養(yǎng)基對纖維素酶活力的影響

將孢子懸液各10 mL接種到含糠醛渣2%、3%、4%、5%的糠醛渣液體產(chǎn)酶培養(yǎng)基中（含Mandles鹽溶液150 mL），于（29±1） ℃，180 r/min條件下進行產(chǎn)酶培養(yǎng)，分別在第3、5、7、9、11、13、15天取樣，4 000 r/min離心10 min，測得上清液即酶液的濾紙酶活如圖1所示。濾紙酶活力體現(xiàn)了纖維素酶的總酶活力，是外切葡聚糖酶、內(nèi)切葡聚糖酶和纖維二糖酶協(xié)同作用的結(jié)果[10]。從圖1可以看出，底物濃度對濾紙酶活有一定的影響。從整體上看，濾紙酶活力隨著底物濃度的增加而逐漸降低。當(dāng)?shù)孜锟啡┰鼭舛葹?%時，濾紙酶活最高，在15 d時，可達到最大值，為0.135 FPU/mL。當(dāng)?shù)孜锟啡┰鼭舛葹?%時，濾紙酶活整體維持在一個較低的水平，略有起伏。這表明隨著底物濃度增加到一定程度，產(chǎn)酶顯著下降。這是因為底物濃度過高，菌體生長過快，培養(yǎng)液黏度增加，溶解氧減少，影響后期菌絲生長[3]。并且由于底物濃度的增加，使得產(chǎn)生的纖維素酶與底物之間的接觸更容易，與底物間的無效吸附作用就越明顯，從而使得游離的纖維素酶含量降低，導(dǎo)致濾紙酶活力下降[6]。

從圖1中還可以看出，當(dāng)?shù)孜锟啡┰鼭舛葹?%時，濾紙酶活波動最為明顯，在7 d時下降明顯，從7 d后，濾紙酶活顯著上升。這說明此階段產(chǎn)生的大量纖維素酶吸附在底物糠醛渣上，并將糠醛渣水解為葡萄糖，為菌株后期生長提供了充分的碳源[6]，使得酶活在9～13 d的穩(wěn)定期之后，再次上升并達到了最大值。試驗還同時測定了當(dāng)?shù)孜锟啡┰鼭舛葹?%時培養(yǎng)11 d的內(nèi)切葡聚糖酶酶活和外切葡聚糖酶酶活分別為0.434、0.235 U/mL。

2.2 混合底物產(chǎn)酶培養(yǎng)基對纖維素酶活力的影響

選取總的底物濃度為2%，糠醛渣/啤酒糟（g/g）比例分別為6∶4、7∶3、8∶2、9∶1的混合培養(yǎng)基，孢子懸液接種后，于（29±1） ℃，180 r/min條件下進行產(chǎn)酶培養(yǎng)。分別在第3、5、7、9、11、13、15天取樣，4 000 r/min離心10 min，測上清液即酶液的濾紙酶活、內(nèi)切葡聚糖酶酶活、外切葡聚糖酶酶活和纖維二糖酶酶活。

2.2.1 不同質(zhì)量比的糠醛渣/啤酒糟對濾紙酶活力的影響。纖維素酶是一個誘導(dǎo)酶系，在微生物發(fā)酵過程中，纖維素的存在對纖維素酶的產(chǎn)生有一定誘導(dǎo)作用[11]。啤酒糟和糠醛渣作為誘導(dǎo)物的同時，也充當(dāng)碳源。從圖2可以看出，無論是混合底物還是單一底物糠醛渣誘導(dǎo)產(chǎn)生的纖維素酶的濾紙酶活，其在培養(yǎng)初期（3～9 d）的變化趨勢基本相同，都是在3 d時開始緩慢上升，在5 d時開始下降，7 d時達到最小值，從7 d后開始顯著增加，這說明綠色木霉能夠很好的適應(yīng)其生長環(huán)境，并有著快速的產(chǎn)酶能力。9 d時，除單一底物糠醛渣誘導(dǎo)的濾紙酶活有所下降以外，其他3種都繼續(xù)上升，其中，糠醛渣/啤酒糟質(zhì)量比為9∶1時，濾紙酶活上升程度最大，并且在11 d時達到了最大值，為0.189 FPU/mL。這說明同一菌株，經(jīng)過不同底物誘導(dǎo)會產(chǎn)生不同的效果。相比單一底物而言，由混合底物誘導(dǎo)產(chǎn)生的纖維素酶，其酶系之間的協(xié)同作用和因此體現(xiàn)出的同工酶的作用將更加明顯，可以顯著提高纖維素酶的總活力。另一方面，混合底物中添加的啤酒糟，還含有各種氨基酸和維生素等微生物生長因子，為菌體生長提供了多種營養(yǎng)物質(zhì)，因而相比單一底物糠醛渣而言，添加啤酒糟更有利于纖維素酶的生成。

在產(chǎn)纖維素酶的培養(yǎng)基中，還必須注意碳氮比的合理搭配，碳氮比過高或過低都不利于纖維素酶的生長[12]。從圖2還可以看到，當(dāng)糠醛渣/啤酒糟質(zhì)量比為9∶1和8∶2時，比其他比例混合底物誘導(dǎo)的纖維素酶濾紙酶活增長速率大，并且9 d后，濾紙酶活相對要高很多，這說明混合底物中啤酒糟的相對含量較適宜，在一定程度上達到了優(yōu)化的碳氮比。

2.2.2 不同質(zhì)量比糠醛渣/啤酒糟對內(nèi)切酶活力的影響。纖維素的降解，先是從內(nèi)切葡聚糖酶作用于纖維素內(nèi)部的非結(jié)晶區(qū)開始的，它隨機水解β-1，4糖苷鍵，將長鏈大分子纖維素水解成大量長度不等的具有非還原末端的小分子纖維素[13]。

從圖3可以看出，綠色木霉生產(chǎn)的纖維素內(nèi)切酶整體上比較穩(wěn)定。在培養(yǎng)初期，4種不同底物培養(yǎng)基產(chǎn)生的纖維素內(nèi)切酶活都隨培養(yǎng)時間的增加而呈上升趨勢。隨著反應(yīng)時間的延長，纖維素內(nèi)切酶活達到最高值之后呈現(xiàn)下降趨勢。從整體上看，當(dāng)糠醛渣/啤酒糟質(zhì)量比為9∶1和8∶2時，比其他比例混合底物誘導(dǎo)的內(nèi)切酶酶活高，在一定程度上體現(xiàn)了適宜的碳氮比，因而內(nèi)切酶酶活力相對較高。相比混合底物，單一底物糠醛渣誘導(dǎo)產(chǎn)生的內(nèi)切酶酶活較高并且較穩(wěn)定，但糠醛渣/啤酒糟質(zhì)量比為9∶1時誘導(dǎo)的內(nèi)切酶酶活上升迅速，并在11 d時達到了最大值，而且比單一底物更高，為0.451 U/mL。

2.2.3 不同質(zhì)量比糠醛渣/啤酒糟對外切酶活力的影響。外切葡聚糖酶主要作用于纖維素的結(jié)晶區(qū)。它可水解纖維素長鏈的非還原端，釋放出纖維二糖，從而破壞整個纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)[13]。

從圖4可以看到，相比單一底物糠醛渣，4種混合底物培養(yǎng)基誘導(dǎo)產(chǎn)生的外切酶酶活有顯著的提高。再次說明了不同底物誘導(dǎo)同一菌株產(chǎn)生的效果不同，并且由于不同酶系之間的協(xié)同作用和同工酶的影響，使得纖維素外切酶酶活有了顯著的提高。

混合底物誘導(dǎo)的外切酶酶活波動都比較明顯，說明外切酶與底物間發(fā)生了持續(xù)的吸附解析行為[6]。培養(yǎng)后期，外切酶活開始顯著下降，可能是由于外切酶和底物之間進行了大量的無效吸附，并且隨著纖維二糖的積累，對外切酶有一定的產(chǎn)物抑制作用?？啡┰?啤酒糟質(zhì)量比為9∶1和8∶2時，外切酶酶活達到最大值的時間較糠醛渣/啤酒糟質(zhì)量比為7∶3和6∶4時要長，說明糠醛渣/啤酒糟質(zhì)量比為9∶1和8∶2時，菌株持續(xù)合成外切酶的能力更強，也從另一角度體現(xiàn)了適宜的啤酒糟含量對外切酶合成的促進作用。糠醛渣/啤酒糟質(zhì)量比為9∶1時，在13 d時達到最大外切酶活，為0.425 U/mL。

2.2.4 不同質(zhì)量比糠醛渣/啤酒糟對纖維二糖酶活力的影響。從圖5可以看出，質(zhì)量比為9∶1的糠醛渣/啤酒糟混合底物所產(chǎn)的纖維二糖酶酶活整體最高，即該比例的混合底物誘導(dǎo)產(chǎn)生的酶系中，纖維二糖酶酶活最高，7 d時達到最大值，為0.139 IU/mL。與其他3種底物相比，該比例的混合底物所產(chǎn)的內(nèi)切酶活和外切酶活都較高，并且濾紙酶活在11 d時達到了最大值，為0.189 FPU/mL。這說明了纖維素酶三大組分之間具有的協(xié)同作用，其中1個組分的酶活增高，都會導(dǎo)致其他組分的酶活有顯著的增加[15]。

2.3 底物化學(xué)元素含量的變化分析

進行XPS分析的底物分別為糠醛渣、啤酒糟、糠醛渣與啤酒糟的混合物（糠醛渣與啤酒糟質(zhì)量比為9∶1）?？啡┰砻娴脑刂饕蠧、O，不含N，啤酒糟表面的元素主要有C、O和少量N。從表1可以看出，糠醛渣與啤酒糟質(zhì)量比為9∶1混合后，與啤酒糟相比，N質(zhì)量分數(shù)下降了2.25個百分點，與糠醛渣相比，N質(zhì)量分數(shù)上升了0.52個百分點。相應(yīng)地，底物中的碳氮比也發(fā)生了變化，混合物中的碳氮比最大，為144.13。當(dāng)糠醛渣與啤酒糟以質(zhì)量比為9∶1混合時，該混合物中碳氮比是綠色木霉CGMCC3.2941產(chǎn)纖維素酶最適宜比例。

3 結(jié)論與與討論

（1）用糠醛渣產(chǎn)酶培養(yǎng)基進行綠色木霉CGMCC3.2941的液態(tài)發(fā)酵，底物濃度為2%時，所得纖維素酶的濾紙條酶活、內(nèi)切酶酶活和外切酶酶活都相對較高，當(dāng)發(fā)酵時間為11 d時，可分別達到0.104 FPU/mL、0.434、0.235 U/mL。

（2）用含有糠醛渣與啤酒糟的混合產(chǎn)酶培養(yǎng)基進行綠色木霉CGMCC 3.2941的液態(tài)發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)當(dāng)混合底物中糠醛渣與啤酒糟的比例為9∶1（g/g）時，所得纖維素酶的濾紙酶活、內(nèi)切酶酶活、外切酶酶活和纖維二糖酶酶活都比較好，并在培養(yǎng)時間11 d時，濾紙酶活和內(nèi)切酶酶活都可達到最大值，分別為0.189 FPU/mL、0.451 U/mL，此時外切酶酶活和纖維二糖酶酶活也較高，可達到0.425 U/mL、0.139 IU/mL。

（3）選擇混合底物比單一糠醛渣為底物誘導(dǎo)所產(chǎn)的纖維素酶性能好。當(dāng)?shù)孜餄舛葹?%，糠醛渣∶啤酒糟（g/g）為9∶1，培養(yǎng)時間為11 d時，與單一底物誘導(dǎo)相比，混合底物誘導(dǎo)生產(chǎn)的纖維素酶濾紙酶活、內(nèi)切酶酶活、外切酶酶活分別提高了45.0%、3.8%、38.3%。

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第8篇：纖維素水解范文

正當(dāng)生物燃料的研發(fā)在全球如火如荼地進行時，科學(xué)家已計劃通過改變原材料生長的“環(huán)境因素”，來提高生物燃料生產(chǎn)的效率，并降低生產(chǎn)成本。

光生物反應(yīng)器培養(yǎng)微藻

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日報道，西班牙阿利坎特大學(xué)聚合物加工與熱解研究小組設(shè)計并開發(fā)了一種光生物反應(yīng)器設(shè)備。這種設(shè)備可以有效培養(yǎng)微藻，而微藻在生產(chǎn)生物燃料、農(nóng)業(yè)食品、醫(yī)藥行業(yè)等領(lǐng)域都具有較大價值。

據(jù)了解，這種光生物反應(yīng)器設(shè)備極易擴大生產(chǎn)規(guī)模。研究人員表示，與現(xiàn)有的生物反應(yīng)器相比，利用二氧化碳與光傳輸調(diào)整藻類生長的環(huán)境因素，在大批量生產(chǎn)過程中將需要更少的清潔和維護操作。

眾所周知，由于傳統(tǒng)化石燃料的負面影響和全球氣候變暖現(xiàn)象推動了生物燃料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在生物燃料的眾多原材料中，藻類具有很多優(yōu)勢：繁殖快、不需占用農(nóng)業(yè)用地、不需要清潔水也可生長，最重要的是藻類產(chǎn)生的藻油可直接轉(zhuǎn)化為生物柴油燃料。根據(jù)藻類品種的不同，可以獲得抗生素、多不飽和脂肪酸、酶、蛋白質(zhì)、維生素、甘油三酸脂或抗氧化劑等極具工業(yè)價值的產(chǎn)品。

該研究小組負責(zé)人安東尼奧·馬爾西利亞·戈米斯表示：“原材料起初取自于海藻，近15年來，對微型藻類培養(yǎng)的研究掀起了熱潮。人們已將其視為燃料油的替代品。實驗證明，通過光生物反應(yīng)器可以極大地提高微藻產(chǎn)能。”

生物燃料轉(zhuǎn)化的理想溫度

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近期報道，美國勞倫斯伯克利國家實驗室利用新技術(shù)改進了一種高溫酶突變體。這種突變體能夠在所需溫度范圍內(nèi)具有較好的活性和穩(wěn)定性。研究表明，重組纖維素酶對于表達酶的活性和穩(wěn)定性具有深遠的影響。這將對生產(chǎn)生物燃料具有指導(dǎo)性意義。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在65～70℃的環(huán)境下從木質(zhì)纖維素中生產(chǎn)生物燃料是極有效率的。新的技術(shù)在此溫度范圍內(nèi)提高纖維素酶的能力將纖維素分解為發(fā)酵糖。

據(jù)了解，該技術(shù)采用“B因子”引導(dǎo)誘變方法，增強里氏木霉的內(nèi)切葡聚糖酶產(chǎn)生的TrEGI熱穩(wěn)定性（里氏木霉是一種重要的生產(chǎn)纖維素酶的菌種）。在高溫下，使用纖維素酶水解木質(zhì)纖維素具有很大優(yōu)勢：在高溫預(yù)處理下粘度降低；微生物污染風(fēng)險減少；兼容性增強。這樣就具有了較高的固體負荷，還加快了傳質(zhì)和水解速度。

然而，里氏木霉纖維素酶在50℃以上不太穩(wěn)定，因此使用“B因子”法改善纖維素酶的熱穩(wěn)定性。像所有的蛋白質(zhì)一樣，纖維素酶是由單個氨基酸鏈連接在一起而成，每一個氨基酸在對應(yīng)酶中都具有“B因子”值，該數(shù)值對應(yīng)氨基酸的靈活性。具有越高“B因子”值的氨基酸靈活性越好。酶中最活躍的氨基酸在蛋白質(zhì)熱應(yīng)力下最容易分離。因此通過突變氨基酸固定酶，并降低“B因子”值以支撐結(jié)構(gòu)，進而增強蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定值。

第9篇：纖維素水解范文

1.1酶解對雞肉風(fēng)味的影響

雞肉風(fēng)味是雞制品質(zhì)量的一個重要指標(biāo),在雞制品中雞(精)粉由于兼具營養(yǎng)、調(diào)味和可接受性廣特點,是近幾年發(fā)展速度最快的固體調(diào)味品。雞肉粉是很多雞肉風(fēng)味調(diào)味品的主要原料,但由于技術(shù)方面的原因,國產(chǎn)雞肉粉對原料雞的品種要求高,造成生產(chǎn)成本過高,而用繁育速度快的品種生產(chǎn)的產(chǎn)品則存在風(fēng)味不足的問題,這些問題使國產(chǎn)雞肉粉失去了在國內(nèi)和國際市場的競爭力。通過酶解可以顯著提高雞肉風(fēng)味,風(fēng)味蛋白酶和復(fù)合蛋白酶的混合比例為4∶1,酶解度為18%~20%時,可以獲得最佳的效果。雞肉經(jīng)過酶解后制得的雞肉湯所含的低分子揮發(fā)性風(fēng)味成分的種類和含量遠比未經(jīng)水解的雞肉制得的多。

1.2酶法水解植物蛋白制備肉味香精

用2%復(fù)合胰酶水解豆粕粉制備HVP效果較好,酶解HVP液可進一步通過添加葡萄糖、L-半胱氨酸和DL-蛋氨酸來制備肉味香精,其最佳條件是:在酶解HVP液中添加6%葡萄糖、0.8%L-半胱氨酸和0.4%DL-蛋氨酸,在115℃下反應(yīng)60min。此條件下,反應(yīng)液產(chǎn)生了香氣強烈而協(xié)調(diào)的肉味香精。

2食品改良

2.1酶制劑水解大豆蛋白的意義

大豆多肽是以優(yōu)質(zhì)大豆蛋白為主要原料,應(yīng)用高新現(xiàn)代生物工程技術(shù),將分子量為2~35萬Da的大豆蛋白水解成分子量主要介于500~1000Da的小分子生物活性肽。其氨基酸組成齊全,八種必需氨基酸的平衡良好,具有較高的營養(yǎng)價值。大豆多肽與傳統(tǒng)大豆蛋白相比較,具有無蛋白變性、沒有大豆的豆腥味、無殘渣、分子量小、易溶于水、且在酸性條件下也不產(chǎn)生沉淀的優(yōu)點。通過適當(dāng)控制大豆蛋白的水解度,可以得到在溶解度、起泡能力、乳化能力、保濕性等加工特性方面優(yōu)于大豆蛋白的大豆多肽。此外,大豆多肽還具有許多獨特的生理功能特性,如在人體內(nèi)大豆多肽比大豆蛋白更易消化吸收,抗原性較低;具有促進人體內(nèi)脂肪代謝、肌紅細胞的復(fù)原、增強運動員肌肉的功能;有降壓、降膽固醇功能,以及促進發(fā)酵,使食品凝膠軟化的功能等。

2.2酶對改善茶湯萃取品質(zhì)的研究

茶湯是指茶葉的水提取液或濃縮液,傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法是以茶葉為原料,用熱水直接進行萃取。此法的缺點是萃取時間長,很多營養(yǎng)成分在高溫下失活或揮發(fā),極大地影響了茶湯的風(fēng)味和品質(zhì),可通過加入酶加以改善。酶作為一種高效、溫和的生物催化劑,可使茶湯在較低的溫度、較短的時間內(nèi)就能取得好的萃取效果。目前,使用的酶制劑主要有纖維素酶、果膠酶和單寧酶等。單寧酶的作用機理是切斷兒茶酚上沒食子酸酯鍵,釋放出沒食子酸,形成相對分子質(zhì)量較小的水溶物,從而達到澄清的目的。纖維素酶和果膠酶的作用是破壞茶葉細胞壁,使纖維素降解,果膠溶出。

3功能食品開發(fā)

明膠酶解對運動飲料的改善作用:運動飲料的主要作用是補充水分維持體內(nèi)電解質(zhì)平衡,補充能量防止低血糖,有助于增強耐力和消除疲勞。運動飲料的主要成分有:水分、維生素、糖類、無機鹽、氨基酸、其他物質(zhì)。通過對現(xiàn)有運動飲料配方分析發(fā)現(xiàn),目前國內(nèi)運動飲料中比較缺乏氨基酸的加入。運動員進行強大的體育運動時,會出現(xiàn)蛋白質(zhì)分解代謝增強,細胞膜正常功能失調(diào),細胞酶外泄等現(xiàn)象,為了恢復(fù)運動消耗的組織蛋白,修復(fù)損傷的組織,或者最大限度地刺激蛋白質(zhì)的合成,發(fā)展肌肉的力量,運動員必須要增加氨基酸的攝入。明膠是從動物的皮和骨中提煉出來的一種原膠蛋白,水解后可得到低分子的多肽,亦稱水解動物蛋白。水解明膠含有18種氨基酸及人體必須的多種微量元素,是良好的天然生理活性物質(zhì),水溶性好,營養(yǎng)價值高,不含膽固醇,極易被人體吸收,飲用后可使運動員所消耗的氨基酸得到迅速的補充,體能迅速恢復(fù)。

4降低原料加工難度

酶技術(shù)在魷魚脫皮中的應(yīng)用研究:魷魚加工是目前國內(nèi)水產(chǎn)加工業(yè)的一項重要內(nèi)容,而脫皮處理是魷魚加工中主要的工藝環(huán)節(jié)之一。魷魚胴體的質(zhì)構(gòu)十分獨特,它由表皮、內(nèi)皮(體腔一側(cè)的皮)及其間的肌肉層構(gòu)成,其中表皮有四層,內(nèi)皮有兩層,表皮與內(nèi)皮主要由膠原蛋白狀纖維構(gòu)成。魷魚在加工過程中較難解決的是去皮問題(主要是表皮),也稱脫皮。國內(nèi)加工企業(yè)有采用人工脫皮的,也有采用機械脫皮的。人工脫皮速度慢,勞動效率低;機械脫皮速度快,勞動效率高,但如果溫度、速度、時間控制不當(dāng),會影響產(chǎn)品質(zhì)量。如何既能快速脫皮,又能保證產(chǎn)品質(zhì)量,是國內(nèi)魷魚加工企業(yè)一直期盼解決的問題。自從木瓜蛋白酶的應(yīng)用研究成功后,解決了魷魚脫皮難的問題,并快速得到了廣泛的應(yīng)用。在機械脫皮過程中加入木瓜蛋白酶后,由于蛋白酶的酶解作用,魷魚皮和肉分離速度明顯加快,脫皮后的肌肉潔白,效果顯著。其酶解條件是:木瓜蛋白酶量為魷魚量的0.02%~0.025%,熱水溫度52~55℃,脫皮時間5~7min。

5原料下腳料利用

5.1魚鱗酶解工藝研究

隨著我國漁業(yè)的發(fā)展,漁業(yè)加工也越來越引起人們的重視,但在加工的同時,產(chǎn)生出魚體總重約30%的下腳料,其中下腳料的5%左右是魚鱗。魚鱗含有豐富的膠原蛋白、脂肪(卵磷脂、多種脂肪酸)及多種礦物質(zhì)、維生素、微量元素等。魚鱗中的蛋白質(zhì)經(jīng)蛋白酶水解,制得的酶解液可用于調(diào)味品的生產(chǎn)和功能性食品添加劑,加入不同類型的蛋白酶將魚鱗中的膠原蛋白大分子進行水解,得到聚合度較小的多肽類和游離的氨基酸,首先一些游離氨基酸和短肽本身具有呈味作用,水解液可以作為調(diào)味料的原料。另外在水解過程中還會產(chǎn)生具有特定功能的功能肽,已經(jīng)有實驗證明,魚鱗蛋白水解液具有抗氧化和降低血壓、降低血液總膽固醇、抗衰老等功效。

5.2酶解法提取薯渣膳食纖維的研究

我國是一個農(nóng)業(yè)大國,薯渣資源非常豐富,是潛在的膳食纖維資源,對其加以開發(fā)利用,引導(dǎo)人們對健康的消費,變資源優(yōu)勢為經(jīng)濟優(yōu)勢,有利于提高我國薯類加工業(yè)的競爭能力,增加薯農(nóng)收入。在膳食纖維的提取實踐中,酸堿法色澤較差,不易漂白,并且在高酸高堿、高溫條件下,對提取容器、管道、物料泵的腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重。膳食纖維的提取工藝流程:薯渣干燥粉碎泡洗過濾離心淀粉酶水解過濾漂洗蛋白酶水解過濾漂洗離心烘干粉碎產(chǎn)品。提取的產(chǎn)品總膳食纖維含量達到78%以上,是薯渣粉含量的2.76倍,淀粉含量3.09%,僅為原料中淀粉的1.80%,而蛋白質(zhì)也只有原料中的14.31%。說明酶解法提取薯渣膳食纖維是完全可行的,其功能特性有待進一步研究。

6天然抗氧化劑開發(fā)

6.1番茄紅素酶法提取

番茄紅素(Lycopene)是類胡蘿卜素的一種,是一種很強的抗氧化劑,具有極強的清除自由基的能力,對防治前列腺癌、肺癌、乳腺癌、子宮癌等有顯著效果,還有預(yù)防心腦血管疾病、提高免疫力、延緩衰老等功效,有植物黃金之稱,被譽為“21世紀(jì)保健品的新寵”。酶反應(yīng)法主要是利用番茄皮自身酶或外加酶反應(yīng)來提取番茄紅素,在堿性條件下使果膠酶和纖維素酶發(fā)生水解反應(yīng),分解果膠和纖維素使得番茄紅素的蛋白質(zhì)復(fù)合物從細胞中溶出。日本一專利介紹了利用番茄皮自身果膠酶和纖維素酶反應(yīng)來提取番茄紅素。其工藝為:番茄打漿粉碎加堿調(diào)節(jié)pH值7.5~9.045~60℃加熱攪拌5h過濾除去表皮、種子和纖維等殘渣,得提取液將抽提液pH值調(diào)整為4.0~4.5,類胡蘿卜素凝聚沉淀靜置,虹吸除去上部渾濁液,得番茄紅素沉淀沉淀調(diào)整pH后干燥真空濃縮成品加食鹽保存。而Dubodel等人通過外加果膠酶和纖維素酶的方法來提取番茄紅素。其工藝流程為:清洗鮮番茄100℃熱燙去皮用高速攪拌機打漿粉碎添加0.2%~0.5%的果膠酶、纖維素酶,在50℃條件下處理3h,除去90%的果膠、纖維素等非色素物質(zhì)離心沉淀用96%的乙醇洗滌、過濾乙醇和植物油提取分離油相、產(chǎn)品。

6.2美拉德反應(yīng)產(chǎn)物(MRPs)

廣州優(yōu)銳生物科技有限公司組織多名專家和知名學(xué)者歷時幾年的研究,采用美拉德模式體系(Maillard-modelsystem)通過控制一定的反應(yīng)條件,開發(fā)出了美拉德反應(yīng)產(chǎn)物天然抗氧化劑MRPs。研究表明,這類物質(zhì)具有一定的抗氧化性能,其中某些物質(zhì)的抗氧化強度可以和食品中常見的抗氧化劑相媲美。隨著褐變反應(yīng)生成醛、酮等還原性物質(zhì),它們對食品有一定的抗氧化能力,尤其是對防止食品中油脂的氧化較為顯著。近年來研究表明,MRPs具有很強消除活性氧的能力。Hayase認為MRPs抗氧化性可能是由于美拉德反應(yīng)的終產(chǎn)物-類黑精具有很強的消除活性氧的能力。Echner等人認為MRPs的中間體———還原酮化合物通過供氫原子而終止自由基的鏈,并發(fā)現(xiàn)MRPs具有絡(luò)合金屬離子和還原過氧化物的特性。MRPs可用氨基酸和還原糖直接反應(yīng)制得,考慮到生產(chǎn)成本,如果用復(fù)合蛋白酶和風(fēng)味酶降解蛋白質(zhì)類物質(zhì),使之成為含有小分子的多肽和氨基酸的水解液,經(jīng)過離心分離取得上清液,添加還原糖在一定條件下反應(yīng),也能制取MRPs。不僅大大節(jié)約成本,同樣具有很強的抗氧化能力,而且風(fēng)味比前者更復(fù)雜、逼真。