英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
纤维素酶和内切木聚糖酶组合酶水解蒸汽预处理甜高粱甘蔗渣
C. Pengilly, M.P. Garciacute;a-Aparicio , D. Diedericks, M. Brienzo 1, J.F. Gouml;rgens 2
斯泰伦博斯大学过程工程系私人袋X1，斯泰伦博斯7602，南非
强调
甜高粱作为甘蔗的补充能源作物。
用作酶水解底物的经预处理的甘蔗渣。
Cellic CTec2和Cellic HTec2的组合针对有效糖产量进行了优化（80％）。 仅在低Cellic CTec2剂量和早期孵育时间观察到协同作用。
Cellic HTec2的添加显着降低了潜伏期。
文章信息
文章历史：
2014年12月3日收到
以修订形式收到2015年2月26日接受2015年3月26日在线提供2015年4月4日
关键词：
高粱甘蔗渣
蒸汽爆炸
酶水解优化
协同作用
内切木聚糖酶
摘要：甜高粱甘蔗渣（SSB）被认为是通过预处理，酶促水解和发酵生产燃料乙醇的潜在木质纤维素原料。酶混合物组成对于每克所用酶达到最大糖产量至关重要。鉴于酶组合物依赖于原料特性和所应用的预处理，本研究的主要目的是开发适用于蒸汽处理的纤维素酶（Cellic CTec2）和内切木聚糖酶（Cellic HTec2）酶制剂（混合物）的优化组合高粱甘蔗渣。这是通过使用中心复合设计完成的，Cellic CTec2和Cellic HTec2的组合效应使用响应面法（RSM）进一步研究。最佳值定义为在72小时的温育期内目标葡聚糖转化率至少为80％所需的最小总酶量。 Cellic HTec2的加入证明Cellic CTec2促进了葡聚糖向葡萄糖的转化，但协同相互作用仅在酶水解的早期阶段观察到，并主要针对纤维素酶含量较低的组合。用Cellic CTec2（24.9mg蛋白质/ g WIS）的0.15mL / g WIS（水不溶性固体）和Cellic HTec2（54mg蛋白质/ g WIS）的0.32mL / g WIS分别进行预处理和酶水解，分别得到364.8千克糖/吨甘蔗渣，比常规酶组合多20％。
2015 Elsevier Ltd.保留所有权利。
- 介绍
目前商业化生产生物乙醇，主要是第一代（1G）乙醇，是基于通常指定用于食品市场的富含糖和淀粉的生物质量的原料[1]。 无论现有技术如何，由于一些潜在的负面影响，例如与粮食作物竞争土地和资源（水，肥料等），1G乙醇被认为是长期受益和预期的限制， 限制农业生产能力以保证生物量供应和减少生物多样性[2]。 在这种情况下，包括植物残渣在内的整个植物的利用可能有助于减轻土地和生物量可利用的限制，因此它不仅仅是实施1G技术[2]，而是大规模生物乙醇生产的补充替代方案[2]。
甜高粱是甘蔗的替代和/或补充能源作物，对土壤和气候要求不太严格[3]。因此它被认为是用于生产液体生物燃料如乙醇的最有前景的草本能源作物之一，因为其具有高生物量产量，每单位高发酵量的糖和低投入要求[1,4]。高粱由可用于生物燃料生产的不同馏分组成：果汁（茎），淀粉（谷物），甘蔗渣（茎）和叶。因此，高粱是用于生产生物燃料的极好原料，同时也非常适合用于生物加工厂的概念[5]。约36％的甜高粱植物由甘蔗渣构成，可通过预处理，酶水解和发酵的方式用于2G生物乙醇生产[6]。与果汁和淀粉不同，甘蔗渣需要预处理步骤来破坏复杂的木质纤维素结构并使其更容易接近酶。目前，木质纤维素材料的酶水解是生物乙醇生产过程中的一个瓶颈，相关生产成本仍然过高，从而阻碍了该过程的商业化[7]。因此，对于特定原料和预处理条件的酶水解的优化对于获得有效的糖产量并因此获得乙醇产量是关键的。
蒸汽爆炸预处理（SE）已被证明对草本生物质如高粱甘蔗渣没有添加催化剂是有效的[8]。预处理的材料或浆料由固体部分组成，也称为富含纤维素和木质素的水不溶性部分（WIS），以及主要含有在预处理过程中溶解的半纤维素衍生糖的液体部分或预水解产物。取决于预处理的严重性，溶解的糖可以进一步降解成呋喃，与从半纤维素释放的溶解的木质素和乙酸结合，对后续的生物转化产生负面影响。尽管使用较温和的预处理条件可以帮助降低糖分降解，但是其将导致含有残余半纤维素的WIS，并且随后的酶水解的纤维素可接近性降低。然而，大多数研究仍然通过大量洗涤将预处理浆料分成两股物流，从而导致WIS（富含葡萄糖的固体）和液体（富含木糖的水解物）物流，以优化各自的单独转化进入生物乙醇。而且，固体部分的洗涤将除去大部分（全部）残留在纤维中的残余抑制剂。然而，在工业过程中，由于避免了过滤和洗涤步骤，从而节省了能源和加工成本[8]，所以从预处理中使用全部浆料而不分离固体和液体是更理想的。此外，固体和液体的部分分离可以通过压制来实现，从而避免了对整个过程的能量平衡有负面影响的洗涤步骤[9]。
基于以前的考虑，本研究的主要目的是通过鉴定对蒸汽爆炸预处理的甜高粱甘蔗渣具有特异性的最优酶组合来改进酶水解，产生残留木聚糖含量的WIS。这些预处理条件是基于之前关于高粱甘蔗渣的工作[10,11]。首先，根据糖浓度，纤维素和木聚糖转化率以及纤维素需要量（0.05,0.15和0.25mL / g WIS）评估仅用纤维素酶（Cellic CTec2）对整个浆液，压浆和WIS的酶水解。选择压浆的酶水解用于进一步优化。使用Design Expert软件通过中心复合设计（CCD）和随后的响应曲面图研究纤维素酶（Cellic CTec2）和内切木聚糖酶（Cellic HTec2）的组合。具体目标是获得这些酶制剂的最佳组合，其将使达到80％纤维素转化所需的总酶剂量最小化。将最佳鸡尾酒的性能与常规酶组合进行比较。另外，在酶水解期间监测纤维素酶和木聚糖酶制剂的不同比例之间潜在的协同相互作用（按照CCD）。
2.材料和方法
2.1.原料
甜高粱甘蔗渣由夸祖鲁 - 纳塔尔大学（Ukhulinga Experimental Farm）提供。 将原材料研磨并筛分，选择材料保持在680lm和6.5mm之间。 然后将切碎的甘蔗渣密封在塑料袋中，并置于环境条件下的储存容器中直至进行预处理/组成分析。 原料的化学成分按2.5.2节所述确定。
2.2.材料的预处理
蒸汽爆炸（SE）预处理测定发生在19L SE试验单元中。以批量方式向反应器中加入600g（7.34％水分）的原料。预处理条件为200 LC 5 min，根据以前的研究[10]，最佳的预处理条件。
材料经过SE后，预处理产物（也称为浆液）被收集在旋风分离器中并被压制以将液体部分与固体部分分离。对固体部分进行彻底的洗涤步骤（10次）以获得WIS，其中在与原材料一起分析该材料以确定其化学组成，如2.5.2节[12-15]中所述。通过高效液相色谱（HPLC）分析测定液体部分的糖和副产物含量[16]。然后将剩余的WIS和液体部分在20LC储存，直到其用于随后的酶水解实验。
2.3.商业酶制剂
本研究中使用的商业酶是纤维素酶，Spezyme CP和Cellic CTec2，以及半纤维素酶（内切木聚糖酶（EX））Cellic HTec2。在酶水解期间将Novozyme 188加入到Spezyme CP酶制剂中以提供足够的beta;-葡糖苷酶（BG）活性。 Spezyme CP由Genencor（荷兰Leiden的Genencor）友情提供，而Novozymes（Novozymes A / S，丹麦）友情提供Novozyme 188，Cellic CTec2和Cellic HTec2。
2.4.预处理材料的酶水解
在2％WIS加载量（20g干重L 1）中在250mL螺旋盖锥形瓶（100mL工作体积）中进行酶促水解。一些实验用不同体积的液体部分补充以模拟用2％WIS的压浆或稀浆。柠檬酸缓冲液，补充0.02％叠氮钠以防止污染，使用浓度为0.05 M和pH 5.0。
预处理对酶水解的抑制剂的影响通过比较WIS上的细胞酶CellicCTEC2（0.05,0.15和0.25mL / g WIS）的剂量范围，压浆以及整个浆液来确定。基于针对Spezyme CP测定的FPU（0.25mL / g WIS对应于Spezyme CP中15FPU / g WIS的标准剂量）来选择酶的体积剂量。选择压浆（plusmn;60％水分）作为底物用于随后的CCD方法的剂量优化。
通过将酶添加至螺帽盖锥形瓶的内容物来引发水解。 将烧瓶置于50LC温度和90rpm振荡速度的水浴中。 在指定的时间点（0,3,6,9,12,24,48,72和120小时），从烧瓶中取出样品，离心并将上清液置于Eppendorf管中，并煮沸5分钟以灭活 酶。 然后将这些样品在20C下保存直至通过如下所述的HPLC分析确定其糖含量。 所有实验至少进行一次，并显示平均结果。 以理论产率（％转化率）的百分比表示的葡聚糖构型/葡萄糖 - 寡糖（GOS）与葡萄糖（和纤维二糖）的比率如下测定：
\葡聚糖= GOS转换eth;％THORN;
葡萄糖“和”1：053“/”纤维二糖“和＆= 1：111＆生物量＆”“100％”
其中[葡萄糖] - 残余葡萄糖浓度（g L 1），[纤维二糖] - 残余纤维二糖浓度（g L 1），[生物质]
- 水解开始时的干生物质浓度（g L 1），干生物质中的f - 葡聚糖部分（gg 1）和液体中存在的GOS（压浆或浆液），1.053 - 将纤维二糖转化为等量的葡萄糖， 1.111 - 将纤维素转化为等量的葡萄糖。
以相同的方式，通过使用以下等式估计木聚糖/木寡糖（XOS）转化为木糖：
\ Xylan = XOS转换eth;％THORN;frac14;frac12;\木糖“＆”= \ 1：13fxfrac12;Biomass＆“”100％”
其中[木糖] - 上清液中残留的木糖浓度（gL 1），[生物质] - 水解开始时的干生物质浓度（g L 1），干生物质中的fx-木聚糖部分（gg 1）和XOS部分在预处理液（压浆和浆液）中，1.13 - 将木聚糖转化为等量的木糖。
在随后时间点获得的所有值中减去在时间点0小时的每个样品中原糖的量。
2.5.分析方法
2.5.1.酶活性的测定
酶制剂各自进行标准化测试以确定它们的蛋白质含量和模型底物上的相应活性。 使用Ghose描述的方法测定纤维素酶（滤纸单位（FPU），羧甲基纤维素（CMC））和b-glucosi-dase的活性，根据Bailey等人的方法测定木聚糖酶活性。[17,18]。 使用牛血清白蛋白作为蛋白质标准，使用二辛可宁酸（[BCA] TM测定法（BCA-Compat-Able Protein Assay kit，Ref.23229，Pierce，Rockford，IL）测定蛋白质含量， 活性和蛋白质浓度列于表1中。
表格1
在商业酶制剂上测定的酶活性和蛋白质浓度。
|
Enzyme preparations |
Enzyme activities |
Protein concentration (mg mL 1) |
|||
|
FPA (FPU mL 1) |
CMCase (U mL 1) |
b-glucosidase (U mL 1) |
Xylanase (U mL 1) |
||
|
Cellic CTec2 |
112 |
16.3 |
2120 |
12500 |
166 |
|
Cellic HTec2 |
77 |
10.3 |
12 |
49320 |
169 |
|
Spezyme CP |
58.7 |
13.3 |
40.2 |
5263.4 |
116.2 |
|
Novozyme 188 |
0.31 |
lt;0.1 |
929.0 |
lt;0.1 |
120.0 |
2.5.2.化学分析
通过使用由国家可再生能源实验室（NREL）提供的用于生物质分析的标准实验室分析程序（LAP）（碳水化合物，木质素，灰分和提取物）来测定原料和洗涤的WIS级分的化学组成（CO ，美国）[12-15]。 根据LAP分析液体组分以确定在预处理期间溶解的糖和副产物形成[16]。 通过应用温和的酸水解来确定液体部分内低聚物形式存在的糖的量[16]。 低聚物的量计算为酸水解后单体总量与初始单体浓度之间的差值。
2.5.3.HPLC分析
在通过HPLC分析之前，将样品通过0.22微米的微滤器过滤。通过使用Aminex的HPLC分析糖单
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[477602]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
您可能感兴趣的文章
- 纳米材料介导镉污染土壤原位修复的机理及研究进展外文翻译资料
- 纳米零价铁磁洗受镉污染水稻土壤的有效性验证外文翻译资料
- 镉对水稻叶片生长和养分运输的短期影响外文翻译资料
- 间接竞争ELISA的研制及可视化基于金纳米棒生长的多色酶联免疫吸附试验玉米赤霉烯酮的测定外文翻译资料
- 铅（Pb）诱导的小麦根系生化和超微结构变化外文翻译资料
- 用蚕豆根尖微核试验评估污水灌溉区和生物修复区土壤的遗传毒性外文翻译资料
- 镧在红土壤中的生物累积和其对玉米幼苗生长的影响外文翻译资料
- 铈对水稻幼苗生长及部分抗氧化代谢的影响外文翻译资料
- 用黄体孢子菌沉淀碳酸盐固定有毒金属的体外研究及其在含硫化物尾矿中的应用外文翻译资料
- 水牛妊娠早期生物标志物的编码序列克隆及部分序列密码优化后在大肠杆菌中的表达外文翻译资料
