水生植物固态发酵生产纤维素酶

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为了进行富营养化湖泊的生态修复,针对草型富营养化湖泊,可以通过大量收割水生植物,建立富营养元素的人工转移通道,将富营养化水体的氮磷等元素迁移出湖泊生态系统;针对藻型富营养化湖泊,在改善生境的基础上,通过人工种植高等水生植物,重建湖泊良性生态系统,从而抑制藻类的爆发,使藻型富营养化湖泊向良性草型湖泊转变。在这种修复活动中,衰亡的水生植物被微生物分解后会将氮磷等富营养元素重新释放到水体,为避免二次污染,有必要将过量的水生植物迁移出湖泊生态系统。因此,在富营养化控制过程中,必须考虑收获水生植物的处置问题。现有的水生植物处理方法包括作青饲料、堆肥、填埋、焚烧及发酵生产蛋白饲料等。这些方法各有优缺点,为了实现资源化,有必要探索附加值高的新技术。 相对于陆生植物,由于水生植物对水生环境的适应,纤维结构疏松,纤维含量相对较低,粗蛋白含量高,营养丰富。这些特点表明水生植物可以用来生产纤维素酶。纤维素酶不仅广泛应用于纺织、印染、造纸、洗涤剂制造、食品行业和饲料添加剂中,而且广泛应用于近来利用木质纤维素生产生物酒精燃料的工艺中,因此,具有非常大的市场需求。 本研究采用黑曲霉固态发酵水生植物生产纤维素酶。研究内容包括:水生植物化学组成分析;温度、含水率、接种量、颗粒度、外加无机氮源、麸皮、接种酵母及发酵时间对产酶的影响;发酵过程还原糖的变化、酶活力的变化和含水率的变化情况;收获纤维素酶的酶学性质(最佳作用温度、pH、酶活力稳定性、保藏条件)研究。研究结论如下: (1)水生植物蛋白含量高,营养丰富,发酵过程仅需添加少量的辅料,简单预处理即可进行发酵。 (2)生产纤维素酶的适宜温度条件为28~35℃,接种量10%,物料初始含水率51%。纤维素酶最佳作用温度为70℃,在30~40℃的温和条件下也可以保持较高的活力;酶的灭活不适合采用沸水煮沸的方法;纤维素酶作用的最佳pH为4.6,适宜的pH范围pH3.8~5.8,pH低于3.0则失去活性。 (3)发酵初期菌体主要利用基质初始的还原糖进行生长,当还原糖被消耗到一定程度,菌体开始分泌纤维素酶酶解底物中的纤维素,生成还原糖。发酵过程还原糖不会出 现大量积累。添加10%麸皮可显著提高酶活力,采用接种酵母的混菌培养不能有效降低还原糖浓度,也无法显著提高纤维素酶活力。 (4)颗粒度大小对纤维素酶活力影响不明显,但过小的颗粒度可使发酵基质堆积过密,系统孔隙度下降,影响系统透气性,且使基质在发酵过程中出现严重结块现象。适量的外加无机氮源可以提高纤维素酶的活力,尿素效果好于硫酸铵。 (5)纤维素酶适合于低温(4℃)保存,采用缓冲液和采用蒸馏水作为酶的溶剂对酶活性影响差别不大;纤维素酶在4℃保藏条件下有非常高的稳定性,放置30d后,酶活力可以保持初始活性的97%。
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