蒸汽爆破尾叶桉木材的生物转化单细胞蛋白

论文摘要

用蒸汽爆破预处理的木材进行生物转化单细胞蛋白的研究对于解决我国木材采伐、加工剩余物的利用和饲料蛋白缺乏的现状有重要意义。为了弄清楚蒸汽爆破尾叶桉木材生物转化单细胞蛋白的工艺,解决我国饲料蛋白缺乏的现状,本研究以三年生尾叶桉（Eucalyptus urophylla）为原料,采用蒸汽爆破方法进行预处理,通过常规化学分析方法及扫描电镜、X射线衍射、红外光谱等现代分析手段,对蒸汽爆破尾叶桉木材的微观形貌和化学成分进行了分析,并研究了蒸汽爆破尾叶桉木材生物转化单细胞蛋白的工艺过程,包括发酵产酶、酶水解、水解液脱色及水解液发酵单细胞蛋白,并对单细胞蛋白产品进行了氨基酸和矿质元素营养分析,得到的主要结论归纳如下:1.蒸汽爆破处理能使尾叶桉木材纤维之间的结合变得松散,纹孔膜破损,从而提高生物酶对纤维素的可及度,改善其生物化学反应性能。对化学成分的测定和红外光谱的分析结果表明,蒸汽爆破能溶解出一定量的半纤维素和木质素,纤维素除无定形区少量降解外基本不受损失,有利于提高酶解率。蒸汽爆破前用0.2%硫酸预处理,尾叶桉木材纤维变得更细碎,表面积更大,同时木质素脱除率提高,纹孔膜破损比例增加,更适合于纤维素酶的作用。2.用绿色木霉（Trichoderma viride）和黑曲霉（Aspergillus niger）混合菌种发酵,蒸汽爆破尾叶桉木材发酵产纤维素酶和木聚糖酶的最佳工艺条件为:接种量6%、菌种配比（绿色木霉/黑曲霉）为1∶1、底物浓度1.0%,在温度28℃、初始pH值4.5条件下发酵4d。3.原料在蒸汽爆破前的预处理及蒸汽压力对其发酵产酶能力有显著的影响,爆破前用0.2%硫酸预处理可使相同蒸汽压力下CMC酶活力（β-1,4-葡聚糖内切酶活力,羧甲基纤维素酶活力）、FPA酶活力（滤纸酶活力）和木聚糖酶活力明显提高,且通过单因素方差分析表明酶活力差异极显著;然而氨水预处理却降低了这三种酶的活力,且处理与未处理间差异也极显著。4.蒸汽爆破尾叶桉木材纤维素酶水解的最佳工艺条件是:温度45～50℃、pH 4.8、底物浓度2%,酶用量25 FPIU/g底物,酶解时间48 h;水解液用活性炭脱色的最佳条件是温度70℃、pH 2、脱色时间90 min、活性炭用量3.5%,该条件下水解液的脱色率达到77.02±0.52%,总还原糖回收率为80.81±0.23%。5.原料在蒸汽爆破前的预处理及蒸汽压力对其用纤维素酶水解能力有显著的影响,爆破前用0.2%硫酸预处理可使相同蒸汽压力下爆破尾叶桉木材的纤维素酶水解糖化率明显提高,而氨水预处理却使水解率降低。在2.2 Mpa的蒸汽压力下,0.2%硫酸预处理的爆破材料,用最佳工艺条件（即底物2.0%,酶用量20 FPIU/g底物,50℃,pH 4.8,水解48 h）进行纤维素酶水解,其水解液中还原糖浓度为12.72±0.26 g/L,水解糖化率达82.43%±0.017。6.蒸汽爆破尾叶桉木材纤维素酶水解液用高效液相色谱分析表明,其中葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、二糖的百分含量分别为69.39±0.67%、27.53±0.40%、0.65±0.05%、2.44±0.88%,乙酸含量随糖浓度的高低没有明显变化,而糠醛含量会随糖浓度的提高而增加。水解液经脱色处理会降低糠醛的含量,但不会降低乙酸含量。7.蒸汽爆破尾叶桉木材纤维素酶水解液发酵单细胞蛋白的最适培养基组成:磷酸氢二铵为氮源,加入量为4.0g/L,酵母浸粉,磷酸二氢钾和硫酸镁的加入量分别为0.5、1.0和0.3g/L;最佳接种方式为:种子浓度107 cell/mL,接种酿酒酵母（Sacchromycescerevisive）和假丝酵母（Candida utilis 2.587）混合菌种,配比为S.c:C.u=1∶3,接种量为10%;最佳工艺条件为:发酵温度31～34℃,初始pH为4.5,初始还原糖浓度11.33～17.52g/L,250mL摇瓶发酵的最适体积为25mL。8.蒸汽爆破尾叶桉木材纤维素酶水解液中含有多种单糖,酿酒酵母和假丝酵母混合接种发酵对单糖的利用是有顺序的,且会出现二次生长现象。在有葡萄糖的时候,两个菌种优先利用葡萄糖,葡萄糖即将被消耗完时,假丝酵母也可以利用木糖,阿拉伯糖等五碳糖作为其生长的碳源继续生长。葡萄糖在接种后随即被消耗,6～9 h时间内葡萄糖浓度降低最快,到发酵9 h时几乎被消耗完毕;而木糖浓度的变化是在发酵开始9 h之内浓度几乎不降低,到9 h葡萄糖被消耗完毕后,木糖才开始减少,发酵15 h时木糖也完全被利用;阿拉伯糖浓度的降低也是出现在发酵9 h之后。此外,乙酸在发酵的过程中也可以被酵母利用。9.尾叶桉木材纤维素酶水解液经脱色后发酵单细胞蛋白,菌体得率系数(Yx/s)和菌体比生长速率（μ）比未脱色液高,基质比消耗速率（ν）比未脱色液低,表明脱色过程脱去了水解液中对发酵有抑制作用的物质,对酵母菌体的生长繁殖是有利的。10.在6～40g/L的初始基质浓度范围内,随基质浓度的升高,得到的最高菌体浓度(Xmax)、菌体生产率（Qx）和菌体比生长速率（μ）也随之升高,但菌体得率系数(Yx/s),却逐渐降低,最大比生长速率(μmax)和基质饱和常数（KS）的值分别为0.093 h-1和0.88 g/L。11.本研究制备的单细胞蛋白产品的干物质、粗蛋白含量、灰分分别达到92.82%、43.59%和7.68%,蛋白质中含动物生长发育所需的各种氨基酸,且氨基酸组分平衡,尤其是赖氨酸含量高,占到总蛋白质的7.27%;微量元素含量高,铁、锌、锰分别达到216、353、16.70 mg/kg。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 木质生物质多糖的生物降解
• 1.2.1 纤维素降解酶的种类及其作用机理
• 1.2.2 半纤维素降解酶的种类及其作用机理
• 1.2.3 产纤维素酶和半纤维素酶的微生物
• 1.3 木质生物质的生物转化预处理
• 1.4 木质生物质生物转化单细胞蛋白国内外现状
• 1.4.1 利用木质纤维原料生物转化单细胞蛋白
• 1.4.1.1 农业剩余物和甘蔗渣
• 1.4.1.2 林业及木材剩余物
• 1.4.2 利用农副产品加工剩余物及工业废水生产单细胞蛋白
• 1.5 本论文研究的目的、意义
• 1.6 论文构成
• 2 蒸汽爆破尾叶桉木材的微观结构及主化学成分变化
• 2.1 引言
• 2.2 材料和方法
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 实验方法
• 2.2.2.1 试材预处理
• 2.2.2.2 化学成分的分析测定
• 2.2.2.3 样品的形貌观察
• 2.2.2.4 纤维素结晶度的测定
• 2.2.2.5 样品的红外光谱分析
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 蒸汽爆破预处理尾叶桉木材的微观形貌变化
• 2.3.2 蒸汽爆破预处理尾叶桉木材的主化学成分
• 2.3.3 蒸汽爆破预处理尾叶桉木材的纤维素结晶度
• 2.3.4 蒸汽爆破预处理尾叶桉木材的傅立叶红外光谱
• 2.4 小结
• 3 蒸汽爆破尾叶桉木材发酵产纤维素酶和木聚糖酶
• 3.1 引言
• 3.2 材料和方法
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 实验方法
• 3.2.2.1 菌种
• 3.2.2.2 培养基
• 3.2.2.3 培养方法
• 3.2.2.4 酶活力测定方法
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 发酵产酶培养基优化正交试验
• 3.3.1.1 产酶培养基优化正交试验因素水平设计
• 3.3.1.2 产酶培养基优化正交试验结果及分析
• 3.3.1.3 发酵产酶培养基优化组合的验证试验
• 3.3.2 发酵产酶工艺条件对发酵进程中酶活力的影响
• 3.3.2.1 发酵时间对发酵进程中酶活力的影响
• 3.3.2.2 底物浓度对发酵进程中酶活力的影响
• 3.3.2.3 接种量对发酵进程中酶活力的影响
• 3.3.2.4 菌种及其配比对发酵进程中酶活力的影响
• 3.3.4 不同爆破尾叶桉木材产纤维素酶和木聚糖酶活力的比较
• 3.4 小结
• 4 蒸汽爆破尾叶桉木材纤维素酶水解及水解液脱色
• 4.1 引言
• 4.2 材料和方法
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 实验方法
• 4.2.2.1 酶催化水解
• 4.2.2.2 原料粉碎处理
• 4.2.2.3 分析方法
• 4.2.2.4 水解液脱色
• 4.2.2.5 水解液的高效液相色谱分析
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 蒸汽爆破尾叶桉木材纤维素酶水解条件
• 4.3.1.1 酶解时间对蒸汽爆破尾叶桉木材纤维素酶水解率的影响
• 4.3.1.2 温度对蒸汽爆破尾叶桉木材纤维素酶水解率的影响
• 4.3.1.3 pH值对蒸汽爆破尾叶桉木材纤维素酶水解率的影响
• 4.3.1.4 酶的用量对蒸汽爆破尾叶桉木材纤维素酶水解率的影响
• 4.3.1.5 底物浓度对蒸汽爆破尾叶桉木材纤维素酶水解率的影响
• 4.3.1.6 粉碎粒度对蒸汽爆破尾叶桉木材纤维素酶水解率的影响
• 4.3.2 不同预处理尾叶桉木材纤维素酶水解的比较
• 4.3.3 蒸汽爆破尾叶桉木材纤维素酶水解液脱色
• 4.3.3.1 温度对脱色效果和还原糖得率的影响
• 4.3.3.2 水解液的初始pH对脱色效果和还原糖得率的影响
• 4.3.3.3 脱色时间对脱色效果和还原糖得率的影响
• 4.3.3.4 活性炭用量对脱色效果和还原糖得率的影响
• 4.3.3.5 水解液脱色最佳工艺条件优化正交试验
• 4.3.3.6 正交试验验证结果
• 4.3.4 蒸汽爆破尾叶桉木材纤维素酶水解液的高效液相色谱分析
• 4.4 小结
• 5 蒸汽爆破尾叶桉木材纤维素酶水解液发酵单细胞蛋白
• 5.1 引言
• 5.2 材料和方法
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 实验方法
• 5.2.2.1 尾叶桉木材纤维素酶水解液制备
• 5.2.2.2 酵母菌种及来源
• 5.2.2.3 酵母菌种培养
• 5.2.2.4 摇瓶发酵单细胞蛋白及分析方法
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 接种方式对发酵进程中单细胞蛋白产量的影响
• 5.3.1.1 种子浓度对发酵进程中单细胞蛋白产量的影响
• 5.3.1.2 菌种及菌种配比对发酵进程中单细胞蛋白产量的影响
• 5.3.1.3 接种量对发酵进程中单细胞蛋白产量的影响
• 5.3.2 发酵工艺条件对发酵进程中单细胞蛋白产量的影响
• 5.3.2.1 初始pH对发酵进程中单细胞蛋白产量的影响
• 5.3.2.2 温度对发酵进程中单细胞蛋白产量的影响
• 5.3.2.3 初始还原糖浓度对发酵进程中单细胞蛋白产量的影响
• 5.3.2.4 通气条件对发酵进程中单细胞蛋白产量的影响
• 5.3.3 培养基优化的正交试验
• 5.4 小结
• 6 发酵单细胞蛋白动力学及产品分析
• 6.1 引言
• 6.2 材料和方法
• 6.2.1 实验材料
• 6.2.2 实验方法
• 6.2.2.1 尾叶桉木材纤维素酶水解液制备
• 6.2.2.2 酵母菌种来源及培养
• 6.2.2.3 发酵单细胞蛋白及菌体浓度分析方法
• 6.2.2.4 单细胞蛋白产品分析方法
• 6.3 分批培养的发酵动力学理论基础
• 6.3.1 分批培养过程中菌体的生长速率
• 6.3.2 分批培养过程中基质的消耗速率
• 6.3.3 分批培养过程的生产率
• 6.3.4 分批培养的生长动力学方程
• 6.4 结果与分析
• 6.4.1 水解液脱色与否对发酵动力学参数的影响
• 6.4.2 最大比生长速率的估计
• 6.4.3 单细胞蛋白产品营养分析
• 6.4.3.1 粗蛋白及氨基酸组成分析
• 6.4.3.2 矿质元素含量分析
• 6.5 小结
• 7 总结论
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介
• 获得成果目录
• 致谢
• 附件: 单细胞蛋白产品测试报告