CN101532004B - 一种降解玉米秸秆产还原糖的复合酶 - Google Patents
一种降解玉米秸秆产还原糖的复合酶 Download PDFInfo
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Abstract
一种降解玉米秸秆产还原糖的复合酶，本发明是采用果胶酶，纤维素酶，半纤维素酶，木质素降解酶，淀粉酶，蛋白酶，脂肪酶，壳聚糖酶配制。与现有技术相比，1)本发明应用于降解玉米秸秆产还原糖的量高，每克秸秆产总还原糖量达到480mg以上，在燃料酒精行业应用前景广阔；2)与酸法制糖相比避免了严重的酸污染，且利于后续发酵；3)与使用单一纤维素酶或简单复合酶相比，不需要高耗能的蒸汽爆破预处理，还原糖的量增加了1倍以上，同时降解产物中葡萄糖和木糖含量高，副产物少有利于后续发酵，提升了玉米秸秆的工业应用价值，可以应用于生产单细胞蛋白和燃料酒精的生产。
Description
技术领域
本发明属于生物酶工程技术领域，尤其涉及一种降解玉米秸秆产还原糖的专用复合酶。
背景技术
秸秆纤维素是世界上最丰富的可再生资源，是粮食、饲料及能源工业的潜在储备资源。我国玉米秸秆的年产量在2亿吨以上。玉米秸秆富含纤维素、半纤维素和木质素，同时含有部分果胶、淀粉、蛋白质等物质。其中纤维素约占30％～40％，是由8000～12000个葡萄糖单体以β-1，4-糖苷键连接而成的长链大分子；半纤维素主要由木糖、少量的阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖、葡萄糖等组成，约占秸秆干物质的35％～48％。我国对玉米秸秆的利用主要集中在秸秆饲料、燃料酒精及秸秆还田等领域，国内研究也颇多，但皆因玉米秸秆的纤维结构稳定，降解困难，无法高效利用。酸法制糖虽然降解速度快，但酸消耗量大，污染严重，产物中副产物多，不利于后续发酵；单一酶或简单组分的复合酶降解秸秆由于其酶系不全，秸秆需要进行预处理等特点，因此其降解时间长、酶用量大、还原糖得率低(单一纤维素酶降解玉米秸秆，每克秸秆产总还原糖小于180mg；简单组分的复合酶降解，每克秸秆产总还原糖小于220mg)；同时还需要高耗能的预处理，势必造成生产成本高，缺乏工业化应用价值。
经检索，该领域相关专利有：1.使用纤维素酶吸附酶解秸秆纤维素的方法(申请号200610011216.3)，该发明公开了一种使用纤维素酶吸附酶解秸秆纤维素的方法，其中仅使用纤维素酶对秸秆进行单一酶解，未考虑秸秆的物质组成，对半纤维素及木质素没有起到降解作用，其酶解时间需50h，降解时间较长，每克秸秆酶解后生成还原糖的量仅为177mg，降解率和还原糖得率低。2.一种生物酶降解糖化作物秸秆的方法(申请号200610091922.3)，公开了一种生物酶降解糖化作物秸秆的方法，该发明中仅使用中性木聚糖酶和酸性纤维素酶进行降解糖化；其酶系不全，导致木聚糖酶的用量达到5％，酸性纤维素酶的用量达到7.5％～10％，而玉米秸秆的总还原糖转化率也仅为52％。因此，该发明的酶组合必然导致成本过高，缺乏实际应用价值。3.植物纤维生物酶降解剂(申请号200610113275.1)，公开了一种植物纤维生物酶降解剂，其配方包括：多种微生物，木聚糖酶、木糖苷酶、阿拉伯糖苷酶、葡糖苷酶、半乳糖苷酶、木素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶、纤维二糖醌氧化还原酶、葡萄糖甘露糖脂酶，及多种微量元素、维生素等；该发明适用于植物纤维制浆工艺，仅对纤维素的支链起到降解作用，保留了纤维素分子主链，因此，大量的单糖没有从纤维素分子被降解，还原糖含量必然很低。4.中国专利申请(申请号200710085995.6)公开了农业废弃物高效降解复合酶制剂及其制备方法，其仅公开了复合酶的配方，活性及制备方法，缺乏科学数据证明该复合酶的应用效果。
发明内容
本发明的目的是针对目前玉米秸秆化学法预处理污染严重，汽爆处理能耗高以及单一酶或简单复合酶酶解效率低、酶解不完全等问题，解决玉米秸秆降解过程中还原糖得率过低，缺乏实际应用价值的难题，提供一种降解玉米秸秆产还原糖的复合酶。
本发明所提出的降解玉米秸秆产还原糖的复合酶，按重量比其组分有：果胶酶1份，纤维素酶10～15份，半纤维素酶8～12份，木质素降解酶6～10份，淀粉酶1～3份，蛋白酶1～2份，脂肪酶1～2份，壳聚糖酶1～3份。其中对各种酶要求：纤维素酶活力不低于30万U/g，半纤维素酶活力不低于10万U/g，木质素降解酶活力不低于1000U/g，淀粉酶活力不低于3万U/g，果胶酶活力不低于1万U/g，蛋白酶活力不低于6万U/g，脂肪酶活力不低于1万U/g，壳聚糖酶活不低于1万U/g。
本发明降解玉米秸秆产还原糖复合酶的使用方法：将含水量小于13％的玉米秸秆粉碎，加入3～5倍质量的pH值4～5的磷酸盐缓冲液，按秸秆重量的0.3％～1.0％添加所述的复合酶，在45℃～50℃条件下振荡反应20h～30h；其振荡速度控制在100～200r/min范围。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：1)本发明应用于降解玉米秸秆产还原糖的量高，每克秸秆产总还原糖量达到480mg以上，在燃料酒精行业应用前景广阔；2)与酸法制糖相比避免了严重的酸污染，酸法降解玉米秸秆，虽然每克秸秆产总还原糖可达到700-800mg，但酸消耗量大，严重污染环境；同时降解产物中含有许多对酵母有害的副产物，不利于后续发酵；3)与使用单一纤维素酶或简单复合酶相比，不需要高耗能的蒸汽爆破预处理，还原糖的量增加了1倍以上，同时降解产物中葡萄糖和木糖含量高，副产物少有利于后续发酵，提升了玉米秸秆的工业应用价值，可以应用于生产单细胞蛋白和燃料酒精的生产。本发明为国家科技支撑计划项目《关中平原农田循环生产综合技术集成研究与示范》(项目编号：2007BAD89B16)中的内容。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明复合酶及应用效果作进一步说明。实例中所用的酶制剂：纤维素酶(35万u/g)，半纤维素酶(20万u/g)，木质素降解酶(1200u/g)宁夏夏盛实业集团有限公司生产；淀粉酶(3.5万U/g)，蛋白酶(6万u/g)，脂肪酶(1万u/g)为肇东市日成酶制剂有限公司生产；果胶酶(3万u/g)，壳聚糖酶(1万u/g)天津利华酶制剂技术有限公司生产。
实施例1、
该复合酶配方：纤维素酶15份，半纤维素酶12份，木质素降解酶8份，淀粉酶3份，果胶酶1份，蛋白酶2份，脂肪酶2份，壳聚糖酶3份。酶解方法：将含水量小于13％的玉米秸秆粉碎至40目，加入5倍质量的pH4.5的磷酸盐缓冲液，按秸秆重量的0.5％添加该复合酶，在振荡速度为120r/min，45℃条件下反应30h。
酶解效果：每克秸秆产总还原糖531mg，还原糖测定采用DNS法。
实施例2、
该复合酶配方：纤维素酶10份，半纤维素酶8份，木质素降解酶6份，淀粉酶1份，果胶酶1份，蛋白酶1份，脂肪酶1份，壳聚糖酶1份。酶解方法：将含水量小于13％的玉米秸秆粉碎至100目，加入5倍质量的pH5的磷酸盐缓冲液，按秸秆重量的0.3％添加该复合酶，在振荡速度为180r/min，50℃条件下反应25h。
酶解效果：每克秸秆产总还原糖488mg，还原糖测定采用DNS法。
实施例3、
该复合酶配方：纤维素酶13份，半纤维素酶10份，木质素降解酶7份，淀粉酶2份，果胶酶1份，蛋白酶2份，脂肪酶2份，壳聚糖酶3份；酶解方法：将含水量小于13％的玉米秸秆粉碎至60目，加入3倍质量的pH4的磷酸盐缓冲液，按秸秆重量的1.0％添加该复合酶，在振荡速度为100r/min，45℃条件下反应20h。
酶解效果：每克秸秆产总还原糖508mg，还原糖测定采用DNS法。
实施例4、
该复合酶配方：纤维素酶15份，半纤维素酶9份，木质素降解酶7份，淀粉酶2份，果胶酶1份，蛋白酶1.5份，脂肪酶2份，壳聚糖酶2.5份；酶解方法：将含水量小于13％的玉米秸秆粉碎至20目，加入4倍质量的pH5的磷酸盐缓冲液，按秸秆重量的0.8％添加该复合酶，在振荡速度为150r/min，50℃条件下反应30h。
酶解效果：每克秸秆产总还原糖519mg，还原糖测定采用DNS法。
Claims (3)
1.一种降解玉米秸秆产还原糖的复合酶，其特征在于，所述的复合酶按重量比其组分有：果胶酶1份，纤维素酶10～15份，半纤维素酶8～12份，木质素降解酶6～8份，淀粉酶1～3份，蛋白酶1～2份，脂肪酶1～2份，壳聚糖酶1～3份。
2.按照权利要求1所述复合酶的使用方法，其特征在于，将含水量小于13％的玉米秸秆粉碎，加入3～5倍质量的pH值4～5的磷酸盐缓冲液，按秸秆重量的0.3％～1.0％添加所述的复合酶，在45℃～50℃条件下振荡反应20h～30h。
3.根据权利要求2所述的使用方法，其特征在于，振荡反应的振荡速度控制在100～200r/min范围。
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