CN101451128B - 制备降解木质纤维素的酶的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备降解木质纤维素的酶的方法。该方法包括如下步骤:用培养基I培养经过处理的秸秆,得到培养物I,从所述培养物I中得到降解木质纤维素的酶;所述培养基I的组成为:每升所述培养基I中含有蛋白胨4-6g,酵母提取物0.8-1.2g,NaCl 4-6g,K2HPO4 0.8-1.2g,MgSO47H2O 0.30-0.40g,CaCO3 2.5-3.5g,秸秆0.1-0.2g,溶剂为水。实验证明,本发明方法制得的酶的活性高,纯度高,分解天然木质纤维素的效率高,糖耗少,能将纤维素有效的转化为糖,副产物少,实现了能源再生;同时该方法还具有成本低廉、操作简单的特点。因此,本发明方法在降解纤维素方面具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备降解木质纤维素的酶的方法。
背景技术
木质纤维素由木质素、半纤维素和纤维素组成,是潜在的可再生资源,可以被降解产生二糖或单糖。单糖本身就是一种能源物质,其还可以被加工成醇等其它能源物质。木质纤维素是世界上最丰富的天然有机物,占植物界碳含量的50%以上,其来源广泛,如棉花、木材、麻、麦秆、稻草、甘蔗渣等都是纤维素的丰富来源。在当今能源紧迫的形势下,降解木质素既能产生能源物质,又能变废为宝,是个一举双得的事情。
近年来,木质纤维素降解已成为研究的热点。降解木质纤维素的方法有水解、氧化、生物分解等。对于木质纤维素的生物分解,以往的研究多集中在纯化菌或酶的分离。但在人工培养条件下,依靠纯培养微生物、酶等难以直接分解天然木质纤维素。目前生产中木质纤维素的降解效率还不高,远没有达到生产需求,因此需要寻找一种高效降解木质纤维素的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备降解木质纤维素的酶的方法。
本发明所提供的制备降解木质纤维素的酶的方法,包括如下步骤:用培养基I培养经过处理的秸秆,得到培养物I,从所述培养物I中得到降解木质纤维素的酶;所述培养基I的组成为:每升所述培养基I中含有蛋白胨4-6g,酵母提取物0.8-1.2g,NaCl 4-6g,K2HPO40.8-1.2g,MgSO47 H2O0.30-0.40g,CaCO32.5-3.5g,秸秆0.1-0.2g,溶剂为水。
所述培养基I优选为:每升所述培养基I中含有所述蛋白胨5g,所述酵母提取物1g,所述NaCl 5g,所述K2HPO41g,所述MgSO4·7H2O 0.35g,所述CaCO33g,所述秸秆0.15g,溶剂为水。
所述培养的条件包括:温度为28-32℃、好氧、pH值为6.8-7.2;所述温度优选为30℃,所述pH值优选为7.0。
所述培养的条件还可包括振荡;所述振荡的速度为120-180rpm/min,旋转半径为13mm;所述振荡的速度优选为150rpm/min。
所述方法中,所述从培养物I中得到降解木质纤维素的酶的方法可包括如下步骤:将所述培养物I接种于培养基II中进行再次培养,得到培养物II,从培养物II中得到降解木质纤维素的酶;所述培养基II的组成为:每升所述培养基II中含有胰蛋白胨8-12g,牛肉膏8-12g,酵母粉2.5-3.5g,NaCl 4-6g,半胱氨酸盐酸盐0.45-0.55g,醋酸钠2.5-3.5g,CaCO3 2.5-3.5g,秸秆9-12g,溶剂为水。
所述培养基II优选为:每升所述培养基II中含有所述胰蛋白胨10.0g,所述牛肉膏10.0g,所述酵母粉3g,所述NaCl 5.0g,所述半胱氨酸盐酸盐0.5g,所述醋酸钠3.0g,所述CaCO3 3.0g,所述秸秆10.5g,溶剂为水。
所述再次培养的条件可为:温度为33-35℃、好氧、pH值为7.0-7.4、培养时间为40-56小时;所述温度优选为34℃,所述pH值优选为7.2;所述培养时间优选为48小时。
其中,所述处理的方法为将所述秸秆堆成垛,在温度为-20℃至20℃、相对湿度为20-30%的条件下放置至秸秆腐烂。
所述秸秆具体可为稻草、麦秸、玉米秆、高梁秆、花生藤、红薯藤、大豆秆、酒糟、甘蔗渣、甜菜渣等。
由上述任一所述方法制得的降解木质纤维素的酶也属于本发明的保护范围。本发明方法中是以秸秆等为原料制备得到酶的,由生物本身产酶特点(即同一种生物会产生多种酶)决定,本方法制得的酶应该是一种复合酶系。
实验证明,本发明方法制得的酶的活性高,纯度高,分解木质纤维素的效率高,糖耗少,能将纤维素有效的转化为糖,副产物少,实现了能源再生,突破了以往方法无法分解天然纤维素的局限;同时该方法还具有成本低廉、操作简单的特点。因此,本发明方法在降解纤维素方面具有重要的应用价值。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明,均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。
木质纤维素由木质素、半纤维素和纤维素组成。
蛋白胨购自北京化学试剂公司,产品目录号为10014938;酵母提取物购自北京化学试剂公司,产品目录号为69024894;胰蛋白胨购自北京奥博星生物技术有限责任公司,产品目录号为01-002;牛肉膏购自北京奥博星生物技术有限责任公司,产品目录号为01-009;酵母粉购自北京化学试剂公司,产品目录号为69024994;
实施例1、降解木质纤维素的酶的制备
将秸秆进行如下处理:将水稻秸秆堆积成垛,然后在-20℃至+20℃温度、相对湿度为20-30%条件下放置3年以上,直至垛底部的秸秆腐烂;取腐烂的秸秆作为样品来制备酶。
1、初步培养:取上述腐烂的秸秆5.0g,将其接种到盛有150ml培养基I和1个1cm×6cm滤纸条的500ml三角瓶中,在如下条件下进行培养:温度为30℃、好氧、pH值为7.0、以150rpm/min的速度振荡,旋转半径为13mm;当滤纸条颜色变为黄色时即滤纸条被降解时,将三角瓶中的培养物以5%的体积比接种到盛有150ml培养基I和1个1cm×6cm滤纸条的500ml三角瓶中,在温度为30℃、好氧、pH值为7.0、以150rpm/min的速度振荡的条件下培养,旋转半径为13mm,当滤纸条颜色变为黄色时即滤纸条被降解时,将培养物以5%的体积比接种到盛有150ml培养基I和1个1cm×6cm滤纸条的500ml三角瓶中,在相同条件下培养;如此传代培养;
期间对每代中培养物对秸秆的分解率和培养物降解木质纤维素的酶比活进行测定,测定方法如下:
培养物对秸秆的分解率的测量方法:分别称量分解前和分解后的秸秆重量,按照下述公式计算得到分解率:分解率=(分解前的秸秆重量-分解后的秸秆重量)/分解前的秸秆重量。
培养物降解木质纤维素的酶比活的测定方法:培养物经0.22μm滤膜过滤作为粗酶液,用于测定酶活。酶活定义为:1min内产生1μg葡萄糖所需要的还原能力为一个单位(U)。以(IUPAC)推荐测定酶活的方法测定,分别以2%微晶纤维素粉末Avicel(Merck Germany)、15.0mM纤维二糖、50mg Whatman No.1滤纸为底物,测定内切酶、外切酶、β-糖苷酶和总纤维素酶活性,用柠檬酸钾钠缓冲液稀释酶液,于50℃反应30min-120min,加3.0mlDNS,剧烈煮沸5.0min用于比色。测定仪器为Varian公司CARY100Bio型紫外分光光度计540nm波长下比色,采用水杨酸DNS显色。以不同浓度的葡萄糖作标准曲线。
当培养物对秸秆的分解率大于等于60%、培养物降解木质纤维素的酶比活大于等于400U/ml时,取此代的培养物进行如下再次培养。
2、再次培养:取步骤1中分解率为70%、酶比活为600U/ml的培养物,将其以5%的体积比接种于培养基(1),在34℃、好氧、静止、pH值为7.2的条件下培养5d,得到培养液I;再将培养液I以5%的体积比接种到培养基II,34℃、好氧、静止、pH值为7.2的条件下培养48小时,得到培养液II;
培养基(1)的组成为:每升培养基中含有蛋白胨5g,酵母提取物1g,NaCl 5g,K2HPO41g,MgSO4·7H2O 0.35g,CaCO33g,溶剂为水。
培养基I的组成为:每升培养基中含有蛋白胨5g,酵母提取物1g,NaCl 5g,K2HPO41g,MgSO4·7H2O 0.35g,CaCO33g,水稻秸秆0.15g,溶剂为水。
培养基II的组成为:每升培养基中含有胰蛋白胨10.0g,牛肉膏10.0g,酵母粉3g,NaCl 5.0g,半胱氨酸盐酸盐0.5g,醋酸钠:3.0g,CaCO3 3.0g,10.5g高温灭菌的玉米秸秆,溶剂为水;pH用NaOH调节至7.2。
3、酶的提取及酶比活测定:将培养液II以4000g的速度离心10min,取上清,即得降解木质纤维素的酶的粗提液;
酶比活测定方法同步骤1中所述一致。
实验设3次重复,结果取平均数。结果测得所得粗提液中降解木质纤维素的酶的比活为1000U/ml粗提液。
4、粗提液的浓缩
用冷冻干燥法对粗提液进行浓缩,步骤如下:
向步骤3得到的粗提液中加入DMSO,使DMSO在粗提液中的终浓度为1%(体积百分含量);进行预冻、干燥,得到酶制剂;将酶制剂密封保存,可在室温下避光长期贮存,需要使用时,加蒸馏水或生理盐水制成悬浮液,即可恢复到冻干前的状态。
实施例2、降解木质纤维素的酶的制备
将秸秆进行如下处理:将玉米秸秆堆积成垛,然后在-20℃至+20℃温度、相对湿度为20-30%条件下放置3年以上,直至垛底部的秸秆腐烂;取腐烂的秸秆作为样品来制备酶。
1、初步培养:取上述腐烂的秸秆5.0g,将其接种到盛有150ml培养基I和1个1cm×6cm滤纸条的500ml三角瓶中,在如下条件下进行培养:温度为28℃、好氧、pH值为6.8、以120rpm/min的速度振荡,旋转半径为13mm;当滤纸条颜色变为黄色时即滤纸条被降解时,将三角瓶中的全部培养物以5%的体积比接种到盛有150ml培养基I和1个1cm×6cm滤纸条的500ml三角瓶中,在温度为28℃、好氧、pH值为6.8、以120rpm/min的速度振荡的条件下培养,旋转半径为13mm,当滤纸条颜色变为黄色时即滤纸条被降解时,将培养物以5%的体积比接种到盛有150ml培养基I和1个1cm×6cm滤纸条的500ml三角瓶中,在相同条件下培养;如此传代培养;
期间对每代中培养物对秸秆的分解率和培养物中降解木质纤维素的酶的比活进行测定,测定方法分别与实施例1中所述一致。
当培养物对秸秆的分解率大于等于60%、培养物降解木质纤维素的酶比活大于等于400U/ml时,取此代的培养物进行如下再次培养。
2、再次培养:取步骤1中分解率为60%、酶比活为500U/ml的培养物,将其以5%的体积比接种于培养基(1),在33℃、好氧、静止、pH值为7.0的条件下培养5d,得到培养液I;再将培养液I以5%的体积比接种到培养基II,在33℃、好氧、静止、pH值为7.0的条件下培养40小时,得到培养液II;
培养基(1)的组成为:每升培养基中含有蛋白胨4g,酵母提取物0.8g,NaCl 4g,K2HPO40.8g,MgSO47 H2O:0.30g,CaCO32.5g,溶剂为水。
培养基I的组成为:每升培养基中含有蛋白胨4g,酵母提取物0.8g,NaCl 4g,K2HPO40.8g,MgSO47 H2O:0.30g,CaCO32.5g,水稻秸秆0.1g,溶剂为水。
培养基II的组成为:每升培养基中含有胰蛋白胨8.0g,牛肉膏8.0g,酵母粉2.5g,NaCl 4.0g,半胱氨酸盐酸盐0.45g,醋酸钠2.5g,CaCO3 2.5g,9.0g高温灭菌的水稻秸秆,溶剂为水;pH用NaOH调节至7.0。
3、酶的提取及酶活测定:将培养液II以4000g的速度离心10min,取上清,即得降解木质纤维素的酶的粗提液;
酶活测定方法同步骤1中所述一致。
实验设3次重复,结果取平均数。结果测得所得粗提液中降解木质纤维素的酶的比活为600U/ml粗提液。
4、粗提液的浓缩
与实施例1中所述一致。
实施例3、降解木质纤维素的酶的制备
将秸秆进行如下处理:将大豆秸秆堆积成垛,然后在-20℃至+20℃温度、相对湿度为20-30%条件下放置3年以上,直至垛底部的秸秆腐烂;取腐烂的秸秆作为样品来制备酶。
1、取上述腐烂的秸秆5.0g,将其接种到盛有150ml培养基I和1个1cm×6cm滤纸条的500ml三角瓶中,在如下条件下进行培养:温度为32℃、好氧、pH值为7.2、以180rpm/min的速度振荡,旋转半径为13mm;当滤纸条颜色变为黄色时即滤纸条被降解时,将三角瓶中的全部培养物以5%的体积比接种到盛有150ml培养基I和1个1cm×6cm滤纸条的500ml三角瓶中,在温度为32℃、好氧、pH值为7.2、以180rpm/min的速度振荡的条件下培养,旋转半径为13mm,当滤纸条颜色变为黄色时即滤纸条被降解时,将培养物以5%的体积比接种到盛有150ml培养基I和1个1cm×6cm滤纸条的500ml三角瓶中,在相同条件下培养;如此传代培养;
期间对每代中培养物对秸秆的分解率和培养物降解木质纤维素的酶活进行测定,测定方法分别与实施例1中所述一致。
当培养物对秸秆的分解率大于等于60%、培养物降解木质纤维素的酶比活大于等于400U/ml,取此代的培养物进行如下再次培养。
2、再次培养:取步骤1中分解率为70%、酶比活为600U/ml的培养物,将其以5%的体积比接种于培养基(1),在35℃、好氧、静止、pH值为7.4的条件下培养5d,得到培养液I;再将培养液I以5%的体积比接种到培养基II,35℃、好氧、静止、pH值为7.4的条件下培养56小时,得到培养液II;
培养基(1)的组成为:每升培养基中含有蛋白胨6g,酵母提取物1.2g,NaCl 6g,K2HPO41.2g,MgSO47 H2O:0.40g,CaCO33.5g,溶剂为水。
培养基I的组成为:每升培养基中含有蛋白胨6g,酵母提取物1.2g,NaCl 6g,K2HPO41.2g,MgSO47 H2O:0.40g,CaCO33.5g,大豆秸秆0.2g,溶剂为水。
培养基II的组成为:每升培养基中含有胰蛋白胨12.0g,牛肉膏12.0g,酵母粉3.5g,NaCl 6.0g,半胱氨酸盐酸盐0.55g,醋酸钠:3.5g,CaCO3 3.5g,12g高温灭菌的大豆秸秆,溶剂为水;pH用NaOH调节至7.3。
3、酶的提取及酶比活测定:将培养液II以4000g的速度离心10min,取上清,即得降解木质纤维素的酶的粗提液;
酶比活测定方法同步骤1中所述一致。
实验设3次重复,结果取平均数。结果测得所得粗提液降解木质纤维素的酶的比活为1000U/ml粗提液。
4、粗提液的浓缩:与实施例1中所述一致。
Claims (7)
1.一种制备降解木质纤维素的酶的方法,包括如下步骤:用培养基I培养经过处理的秸秆,得到培养物I,从所述培养物I中得到降解木质纤维素的酶;所述培养基I的组成为:每升所述培养基I中含有蛋白胨4-6g,酵母提取物0.8-1.2g,NaCl 4-6g,K2HPO40.8-1.2g,MgSO4·7H2O 0.30-0.40g,CaCO32.5-3.5g,秸秆0.1-0.2g,溶剂为水;
所述培养的条件包括:温度为28-32℃、好氧、pH值为6.8-7.2;
所述培养的条件还包括振荡;所述振荡的速度为120-180rpm/min,旋转半径为13mm;
从所述培养物I中得到降解木质纤维素的酶的方法包括如下步骤:将所述培养物I接种于培养基II中进行再次培养,得到培养物II,从培养物II中得到降解木质纤维素的酶;所述培养基II的组成为:每升所述培养基II中含有胰蛋白胨8-12g,牛肉膏8-12g,酵母粉2.5-3.5g,NaCl 4-6g,半胱氨酸盐酸盐0.45-0.55g,醋酸钠2.5-3.5g,CaCO32.5-3.5g,秸秆9-12g,溶剂为水;
所述再次培养的条件为:温度为33-35℃、好氧、pH值为7.0-7.4、培养时间为40-56小时;
所述处理的方法为将所述秸秆堆成垛,在温度为-20℃至20℃、相对湿度为20-30%的条件下放置至所述秸秆腐烂。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述培养基I的组成为:每升所述培养基I中含有所述蛋白胨5g,所述酵母提取物1g,所述NaCl 5g,所述K2HPO41g,所述MgSO4·7H2O 0.35g,所述CaCO33g,秸秆0.15g,溶剂为水。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于:所述培养的条件包括:温度为30℃、pH值为7.0。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:所述培养的条件还包括振荡;所述振荡的速度为150rpm/min。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述培养基II的组成为:每升所述培养基II中含有所述胰蛋白胨10.0g,所述牛肉膏10.0g,所述酵母粉3g,所述NaCl 5.0g,所述半胱氨酸盐酸盐0.5g,所述醋酸钠3.0g,所述CaCO33.0g,所述秸秆10.5g,溶剂为水。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述再次培养的条件为:温度为34℃、pH值为7.2、培养时间为48小时。
7.权利要求1-6中任一所述方法制得的酶。
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