纖維素酶在玉米芯上的吸附和水解作用分析

王 東

（隴東學院，甘肅 慶陽 745000）

玉米芯中的纖維素是一種經濟性非常高的可再生資源。現今主要將玉米芯纖維素通過酶水解或者酸處理的方式提取出葡萄糖。本實驗就通過酶水解的方式制取葡萄糖來展開深入性的研究。該項研究對玉米芯中纖維素的再利用有著非常重要的現實意義。

1 實驗與分析

1.1 實驗材料

1.1.1 纖維材料

選取玉米芯作為實驗材料，玉米芯中纖維含量（100%）如下所示：全纖維：39.5%;半纖維：37.0%;灰分 7.1%;木質素 16.6%。

1.1.2 處理方式

（1）酸處理方式：玉米芯200G，固體與液體比例為1比8，將玉米芯放入濃度為百分之一的稀硫酸溶液中，在條件為攝氏110度的情況下反應三小時后濾出殘渣，將此殘渣通過一定的處理方式，洗至中性，經測量，酸處理后的殘渣纖維含量為半纖維6.02%，纖維56.83%木質素20.21%其他16.94%。

（2）堿處理方式：玉米芯200G，固體與液體比例為1比8，將玉米芯放入濃度為百分之二的氫氧化鈉溶液中進行反應。（室溫，24h)得出濾渣，洗至中性，經測量件處理后的殘渣纖維素含量為63.5%半纖維素10.1%木質素14.5%其他11.9%[1]。

1.1.3 酶溶液

纖維素酶溶液：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 實驗方法

FPA和CB酶活性標準參照國際標準測定法進行測量。兩者的表示方法用FPIU/mL與IU/mL來進行表示。外切Exocellobiohydrolase利用水解脫脂棉的方式來表示。內切exocellobiohydrolase利用CMC-Na底物來測量活力。酶的活性利用DNS法進行測量。

水解率計算公式為：水解率=還原糖×0.9/底物中纖維素及半纖維素總量×100%

1.2.1 纖維素酶吸附性實驗

按照相關公式吸附酶量=(初始狀態酶活-酶解液中酶活)/初始狀態酶活×100%來進行具體實驗，實驗步驟如下：

在三角瓶器皿中放入30克經過處理的纖維底物。將含量為15FPIU放入三角形器皿中使之充分反應，將該反應的相關pH值調節到4.7，經反應，纖維底物的質量數為10.1%，通過震蕩，得取樣品。之后測量該溶液中C1、CMC、CB酶活。

1.2.2 回收復用的實驗

取用經過堿處理纖維底物與水的混合液200ML（玉米纖維20G，單位為15FPIU酶適量，其余為蒸餾水）測得溶液的pH值為4.9.環境溫度為50攝氏度，靜置48H，加20G新底物。在加入水，步驟上同。如此反復。（溶液體積始終保持在200ML)

2 相關實驗結果與討論

2.1 玉米芯纖維素酶吸附性受影響的關鍵原因

2.1.1 粒度

實驗取底物粒度為20目及100目的玉米纖維底物吸附差異作為比較，底物為20目和底物為100目的CB酶的吸附量吸附情況不佳，沒有超過19.5%。底物粒數為20目的玉米芯纖維酶和100目的纖維酶相比，吸附量較低，這種現象的出現時由于玉米芯纖維的面積較大，粒度較小，被吸附的概率也隨之減小。

2.1.2 酸處理和堿處理的環境影響玉米芯纖維只要是經過處理，玉米芯中所含的CB酶都呈游離狀出現。上述實驗可知，對玉米芯底物進行處理之后，對原玉米芯中所含的CMC、C1兩種酶的吸附性影響極大。沒有經過酸處理與堿處理的玉米芯纖維的纖維物質都較為緊實。因此，纖維酶在反應的時候體現不出良好的可及性。但經過預處理之后的玉米芯纖維三種酶的吸附性顯著性提高。

2.1.3 酸堿度的影響

當pH值為4.8的時候，CMC酶被大量的吸附于纖維底物中，峰值可以達到98%,且性質相對穩定；C1酶在反應初期尚有一絲波動，但過了6H之后，吸附量明顯增加，吸附量峰值可達到95.5%。在pH值為4.2的環境下，CMC酶吸附峰值能夠達到90%以上，C1酶的水解情況呈下降趨勢。在pH值為5.5的環境下，CMC酶吸附率依然高，但C1吸附量明顯下降。在三種pH值環境下，CB酶始終都呈游離狀態。

2.1.4 溫度影響因素

致使玉米芯纖維中酶分子反應速率不同的根本原因在于反應溫度不同。在實驗環境設定在50攝氏度的時候，CMC酶在1小時內的吸附量便達到了98.5%.在反應的過程中出現過細微的波動。C1酶在6H內在溶液中呈游離狀態存在，6H后觀察吸附量呈上升趨勢。6—24H內吸附量峰值能夠達到90.5%。將實驗溫度設定在在40攝氏度的時候，CMC酶的吸附量在1—4H的時候呈上升趨勢，在4H之后呈下降趨勢。反應10H的時候，該種類酶吸附量可達80%。而C1酶在同樣條件下，峰值測量其吸附量僅有72.5%。在一般情況下，反應環境溫度低，能使酶的反應更具活躍性，但對于玉米芯中纖維素酶來講，最佳反應溫度為50攝氏度。在此溫度下，有利于酶的吸附。

2.2 酶回收復用相關實驗

（1）從上述結果可知，玉米芯纖維素酶在反應溫度為50攝氏度，pH4.9的環境下C1和CMC兩種酶能夠大量被吸附在纖維上。（質量分數10%）在反應中，CB酶是呈游離狀態存在于溶液中的。當酶完全融溶解情況下，通過觀察可以看出玉米芯上仍然有大量的CMC酶以及C1酶。這時，可以利用cellobiase和玉米芯纖維素酶進行繼續試驗。

（2）利用cellobiase進行反應的過程中，要加入適量（cellobiase）新的底物進行反應

利用補加cellobiase的方式對分解酶是有效。試驗次數越多，酶的活性就會越弱，水解率也會隨之變小。

（3）利用纖維素酶進行反應的過程中，加入適量含有纖維素酶的底物進行再反應。在再實驗的過程中，雖然添加了纖維素酶進行反應，但水解率并沒有明顯的變化。

（4）在反應溶液中同時加入兩種酶，當第一次完全反應完畢后，加入經過處理的底料，（兩種酶的單位用量分別是41U的cellobiase以及7.5FP1U的纖維素酶。多次反應后，可以觀察計算得出該種方式的水解率均超過百分之八十。這種方法理論上可以節約一半的纖維素酶。該項研究成果對廢物的酶法糖化有著極其重要的現實作用。

3 相關結論與分析

3.1 纖維底物的表面積越大，對纖維素酶的吸附能力就越有幫助。經過酸堿處理，可以對吸附結果造成一定的影響。由于酸堿與處理的方式不盡相同，對纖維底物的相關影響也不同。經過試驗證明，利用件處理方式進行試驗的顯著性要明顯大于酸處理方式的顯著性。

3.2 在條件為50攝氏度，pH為4.8的環境下，C酶與CMC酶能夠完全吸附于玉米芯中，CB酶在反應溶液這種呈游離狀態。

3.3 通過將試驗3的相關結論能夠明確看出，在反應物中同時加入兩種酶，能夠將酶的水解率提高到百分之八十以上，還能在一定程度上減少纖維素酶的使用量。進而將處理成本在很大程度上予以降低。

［1］陳洪章,李佐虎.影響纖維素酶解的因素和纖維素酶被吸附性能的研究[J].化學反應工程與工藝,2011（06）：232－240.

［2］張樹政.酶制劑工業(下冊)[M].北京：科學出版社,2011（09）：122－130.