纤维素酶发酵工艺与应用精品文稿.ppt
纤维素酶发酵工艺与应用第1页，本讲稿共17页纤维素酶发酵工艺与应用纤维素酶发酵工艺与应用纤维素酶介绍纤维素酶介绍 纤维素酶生产菌的选育纤维素酶生产菌的选育 纤维素酶发酵生产的工艺纤维素酶发酵生产的工艺 纤维素酶的应用纤维素酶的应用 4123第2页，本讲稿共17页前言前言纤维素是地球上数量最大的可再生资源，通过光合作用，地球纤维素是地球上数量最大的可再生资源，通过光合作用，地球上每年合成的植物总量约为上每年合成的植物总量约为11011，其中纤维素占，其中纤维素占40%，目前，自然界中纤维素只有一小部分得到利用，绝大多目前，自然界中纤维素只有一小部分得到利用，绝大多数纤维素白白浪费。如果能将纤维素分解成葡萄糖，作数纤维素白白浪费。如果能将纤维素分解成葡萄糖，作为食品发酵工业的原料，对人类将是一个重大贡献，可为食品发酵工业的原料，对人类将是一个重大贡献，可以使我们摆脱对谷物粮食的绝对依赖，缓和世界资源紧以使我们摆脱对谷物粮食的绝对依赖，缓和世界资源紧缺。缺。第3页，本讲稿共17页1.纤维素酶的介绍纤维素酶的介绍分类分类分类分类纤维素酶的作用机理纤维素酶的作用机理纤维素酶的作用机理纤维素酶的作用机理由内切葡聚糖酶（由内切葡聚糖酶（C1酶）作用于微纤酶）作用于微纤维的非结晶区，使其露出许多末端供外维的非结晶区，使其露出许多末端供外切型酶作用，纤维二糖水解酶从非还原切型酶作用，纤维二糖水解酶从非还原性末端依次分解，产生纤维二糖；性末端依次分解，产生纤维二糖；部分降解的纤维素进一步由内切葡聚部分降解的纤维素进一步由内切葡聚糖酶和纤维二糖水解酶协同作用，分糖酶和纤维二糖水解酶协同作用，分解生成纤维二糖、三糖等低聚糖；解生成纤维二糖、三糖等低聚糖；C1酶（内切葡聚糖酶）酶（内切葡聚糖酶）Cx酶（纤维二糖水解酶）酶（纤维二糖水解酶）葡糖苷酶葡糖苷酶 定义：编号：EC 3.2.1.4。由多种水解酶组成的一个复杂酶系。纤维素酶在分解纤维素时起生物催化作用，是可以将纤维素分解成多糖或单糖的酶。由由葡糖苷酶作用分解成葡萄糖。葡糖苷酶作用分解成葡萄糖。第4页，本讲稿共17页2.1纤维素酶的来源纤维素酶的来源纤维素酶纤维素酶纤维素酶纤维素酶昆虫、软体动物、原生动物、昆虫、软体动物、原生动物、细菌、放线菌和真菌等都能细菌、放线菌和真菌等都能产生纤维素酶。产生纤维素酶。目前研究较多的是霉菌，其中酶活力较强的菌种为木霉、曲霉、根霉和青霉、特别是里斯木霉、绿色木霉、康氏木霉等较为典型、是目前公认的较好的纤维素酶生产菌。细菌中酶活力较强的菌种有纤维粘菌属、生抱纤维粘菌属和纤维杆菌属、放线菌中有黑红旋丝放线菌、玫瑰色放线菌、纤维放线菌和白玫瑰放线菌等。来源来源 霉菌霉菌 细菌细菌第5页，本讲稿共17页2.2菌种选育菌种选育自然选育自然选育诱变育种诱变育种 基因工程菌基因工程菌从应用效果来看，高能电子、从应用效果来看，高能电子、Y射线、紫外线可能是木霉射线、紫外线可能是木霉属菌种较有效的诱变因子；应用亚硝基胍等诱变剂能够明属菌种较有效的诱变因子；应用亚硝基胍等诱变剂能够明显提高产纤维素酶菌种的诱变率。只通过一次诱变处理，显提高产纤维素酶菌种的诱变率。只通过一次诱变处理，要获得高活力菌株的可能性是较小的，而通过多次物理化要获得高活力菌株的可能性是较小的，而通过多次物理化学因素的复合处理，往往可以积累正向变异，使活力逐步学因素的复合处理，往往可以积累正向变异，使活力逐步提高。提高。随着现代分子生物学技术的发展，基因工程菌也成为了纤维素随着现代分子生物学技术的发展，基因工程菌也成为了纤维素酶发酵生产菌的来源之一。酶发酵生产菌的来源之一。纤维素酶生纤维素酶生产菌产菌从自然界筛选分从自然界筛选分离的野生型菌株离的野生型菌株产酶能力比较低，产酶能力比较低，不能达到工业生不能达到工业生产的要求。产的要求。第6页，本讲稿共17页2.3菌种选育菌种选育纤维素酶的未来选育方向基于对纤维素酶结构和功能关系认识的基础上进基于对纤维素酶结构和功能关系认识的基础上进行理性设计；行理性设计；通过提高基因内的突变率或通过提高基因内的突变率或DNA重组使酶获重组使酶获得新的催化性质；得新的催化性质；通过纤维素酶系的重组与构建，来改进纤维通过纤维素酶系的重组与构建，来改进纤维素酶的性质或提高其比活性素酶的性质或提高其比活性 结构和功能关系结构和功能关系结构和功能关系结构和功能关系定向化定向化定向化定向化重组与构建重组与构建重组与构建重组与构建第7页，本讲稿共17页3.纤维素酶的发酵生产工艺纤维素酶的发酵生产工艺 纤维素酶发酵生产的重点之一是将纤维素酶发酵生产的重点之一是将2种以上产酶微生物一起接种进行混合发酵，种以上产酶微生物一起接种进行混合发酵，利用它们所产各纤维素酶系的互补作用，生产出优质高效的混合纤维素酶。利用它们所产各纤维素酶系的互补作用，生产出优质高效的混合纤维素酶。概述概述工艺流程工艺流程工艺条件工艺条件概述概述工艺流程工艺流程工艺条件工艺条件固体发酵第8页，本讲稿共17页3.1固体发酵工艺固体发酵工艺固体发酵法又称麸曲培养法，是以秸秆粉、废纸、玉米秸秆粉固体发酵法又称麸曲培养法，是以秸秆粉、废纸、玉米秸秆粉为主要原料，拌入种曲后，装入盘或帘子上，摊成薄层为主要原料，拌入种曲后，装入盘或帘子上，摊成薄层(厚约厚约 1 cm)，在培养室一定温度和湿度，在培养室一定温度和湿度(RH 90%100%)下下进行发酵。产生的酶系更全，有利于降解天然纤维素，且投进行发酵。产生的酶系更全，有利于降解天然纤维素，且投资低、能耗低、产量高、操作简易、回收率高、无泡沫、需资低、能耗低、产量高、操作简易、回收率高、无泡沫、需控参数少、环境污染小等。但固体发酵法易被杂菌污染，生控参数少、环境污染小等。但固体发酵法易被杂菌污染，生产的纤维素酶分离纯化较难，且色素不易去除。产的纤维素酶分离纯化较难，且色素不易去除。第9页，本讲稿共17页3.1.1固体发酵工艺流程固体发酵工艺流程第10页，本讲稿共17页pH最好为酸性，有利于真菌的生长而抑制细菌的滋生。含水量应视纤维材料种类不同而异。玉米秸含水量应视纤维材料种类不同而异。玉米秸秆培养基适宜的含水量为秆培养基适宜的含水量为 1 (2215)(w/w)，麦秸培养基适宜的含水量为，麦秸培养基适宜的含水量为 1 (11.5),啤酒糟啤酒糟培养基的含水量为培养基的含水量为 1 1。pH温度温度温度温度含水量含水量含水量含水量时间时间时间时间影响因素影响因素3.1.2固体发酵工艺条件固体发酵工艺条件第11页，本讲稿共17页3.2液态深层发酵工艺液态深层发酵工艺液态深层发酵又称全面发酵，是将秸秆等原料粉碎、预处理并液态深层发酵又称全面发酵，是将秸秆等原料粉碎、预处理并灭菌后送至具有搅拌桨叶和通气系统的密闭发酵罐内，接入菌灭菌后送至具有搅拌桨叶和通气系统的密闭发酵罐内，接入菌种，借强大的无菌空气或自吸的气流进行充分搅拌，使气、液种，借强大的无菌空气或自吸的气流进行充分搅拌，使气、液面积尽量加大而进行发酵其主要特点是培养条件容易控制，不面积尽量加大而进行发酵其主要特点是培养条件容易控制，不易染杂菌，生产效率高。液态深层发酵是现代生物技术之一，易染杂菌，生产效率高。液态深层发酵是现代生物技术之一，已成为国内外重要的研究和开发工艺。已成为国内外重要的研究和开发工艺。第12页，本讲稿共17页3.2.1液态深层发酵工艺流程液态深层发酵工艺流程第13页，本讲稿共17页培养基初始培养基初始pH为为56温度低于温度低于60C，最适培养温度为，最适培养温度为28CpH接种量接种量接种量接种量温度温度温度温度时间时间时间时间影响因素影响因素3.2.2液态深层发酵工艺条件液态深层发酵工艺条件接种量明显低于固态发酵，接种度为接种量明显低于固态发酵，接种度为2%10%液体发酵时间约为液体发酵时间约为70h第14页，本讲稿共17页4.纤维素酶的应用纤维素酶的应用纤维素酶纤维素酶生产葡萄糖和单细胞蛋白生产葡萄糖和单细胞蛋白 农副产品和城市废料中的纤维素农副产品和城市废料中的纤维素,通过纤通过纤维素酶转化为葡萄糖和单细胞蛋白，维素酶转化为葡萄糖和单细胞蛋白，对人类有着十分重要的意义。对人类有着十分重要的意义。食品发酵工艺食品发酵工艺 食品发酵工业是纤维素酶应食品发酵工业是纤维素酶应用最广泛的一个部门。用最广泛的一个部门。其他用途其他用途 医药、环保、遗传工医药、环保、遗传工程等方面。程等方面。饲料工业饲料工业 纤维素酶和纤维素酶产生菌能转化粗纤维素酶和纤维素酶产生菌能转化粗饲料如麦桔、麦糠、稻草、玉米芯等饲料如麦桔、麦糠、稻草、玉米芯等,把其中一部分纤维素转化为糖、菌体把其中一部分纤维素转化为糖、菌体蛋白、脂肪等，降低饲料中粗纤维含蛋白、脂肪等，降低饲料中粗纤维含量提高粗饲料营养价值，扩大饲料来量提高粗饲料营养价值，扩大饲料来源。源。第15页，本讲稿共17页参考文献参考文献1曾青曾青兰，王志勇，王志勇.纤维素素酶发酵工酵工艺的研究的研究进展展.河北河北农业科学科学,2009,13(12):35-362王王兰芬芬.纤维素素酶的作用机理及开的作用机理及开发应用用.酿酒科技酒科技.1997.84(6):16-173曾露，李群良，曾露，李群良，严伟，何，何查霖，何曙光霖，何曙光.纤维素素酶产生茵的生茵的筛选及及产酶条件条件优化化.化学化学与生物工程与生物工程,2012,29(5):46-484 陈洪章洪章.纤维素生物技素生物技术，北京：化学工，北京：化学工业出版社，出版社，2005.55 李淑君李淑君.植物植物纤维水解技水解技术，北京：化学工，北京：化学工业出版社，出版社，2009.4第16页，本讲稿共17页Thank You!第17页，本讲稿共17页
