一種利用草酸和Mn²⁺促進複合酶催化降解稻草秸稈的方法

2023-05-31 13:10:26

專利名稱：一種利用草酸和Mn2+促進複合酶催化降解稻草秸稈的方法
技術領域：
本發明涉及生物降解技術領域，具體涉及一種利用草酸和Mn2+促進複合酶催化降解稻草秸稈的方法。
背景技術：
稻草是豐富的可再生資源，是主要的農作物秸稈之一。但由於秸稈產量隨季節變化，且產量大、價值低、體積大、不便運輸，秸稈的自然降解過程又極其緩慢，導致大量的秸稈以堆積、荒燒等形式直接傾入環境，中國常年燃燒的秸稈量約為5X 107t 7X 107t，佔秸稈產生總量的10% 15%，造成極大的環境汙染和嚴重的物質資源浪費。秸稈由有機物、少量礦物質及水分構成，其有機物主要是木質素、纖維素和半纖維素，營養價值低，其中，木質素難降解致使秸稈分解緩慢，因此，稻草秸稈降解的關鍵技術在於木質素的降解。目前，研究較多的主要是利用物理化學手段對稻草秸稈進行處理，包括微波輻射法和酸、鹼處理法等，但是此類方法能耗高，酸鹼用量大且回收低，易造成環境汙染。 另外是利用生物技術處理稻草秸稈，其關注點主要是利用木素降解酶(如木質素過氧化物酶(LiP)、錳過氧化物酶(MnP))來催化降解稻草秸稈中的木質纖維素，這類方法環境汙染小且能耗較低，但是由於LiP和MnP之類的高分子物質難以進入完好的、未被破壞的稻草秸稈內，因此單純的利用木素降解酶催化稻草的降解率較低。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供一種能提高稻草秸稈中木質素的酶解率，利於稻草秸稈的分解轉化與資源化利用，且成本低廉、操作簡單、運行費用低、清潔無汙染的利用草酸和Mn2+促進複合酶催化降解稻草秸稈的方法。為解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案
一種利用草酸和Mn2+促進複合酶催化降解稻草秸稈的方法，包括以下步驟
(1)秸稈預處理將稻草秸稈粉碎得到秸稈粉，過篩備用；用於秸稈粉過篩的篩孔尺寸優選為60 100目；
(2)製備複合酶液液態培養黃孢原毛平革菌，得到複合酶液；
(3)催化降解在所述秸稈粉中加入所述複合酶液，同時添加草酸溶液、Mn2+溶液和H2A 溶液(均為各物質的水溶液)，保溫保溼靜置，完成催化降解。本發明的技術方案中，草酸在LiP和MnP的催化作用過程中能起到一定的促進作用，Mn2+在MnP的催化氧化中作為必需的電子供給體，使缺一個電子的酶中間體恢復到原來的狀態，產生Mn3+。作為對上述技術方案的優化，所述的草酸溶液、Mn2+溶液(例如硫酸錳溶液)和H2A 溶液的濃度分別為 600mM/L 800mM/L、1500mM/L 2000mM/L 和 500mM/L 600mM/L。作為對上述技術方案的優化，優選地，所述步驟(3)中，每克秸稈粉中，複合酶液、 草酸溶液、Mn2+溶液和H2R溶液的添加量分別為1200mL 3600mL、IOOmL 200mL、20mL 40mL 和 312. 5mL 1250mL。作為對上述技術方案的優化，所述步驟(2)中，液態培養黃孢原毛平革菌獲得複合酶液時，每200mL液體培養基中添加2mL 4mL孢子濃度為1. 5X IO6個/mL 2X IO6個 /mL的黃孢原毛平革菌孢子懸液；所述液態培養時的溫度、轉速和培養時間分別為30°C 37°C，120r/min 150r/min和6 8天。其中，液態培養基(1 L)配方為葡萄糖10 g，酒石酸銨 0.2 g, MgSO4 0. 71 g，吐溫 80 0.5 mL, KH2PO4 2.56 gJB: 0.01 g，酒石酸鈉緩衝液 4. 616 g，微量元素液 100 mL，苯甲醇 0. 516 mL, H2O 899. 484 mL, pH 值調節為 4. 5。作為對上述技術方案的優化，所述步驟(2)中，複合酶液中LiP和MnP的酶活分別為 15U/L 20U/L 和 213 U/L 250U/L。作為對上述技術方案的優化，所述步驟(3)中，保溫的溫度為 30°C，靜置時間為3 24天。與現有技術相比，本發明的優點為
本發明的催化降解稻草秸稈的方法，利用LiP和MnP複合酶處理稻草秸稈，同時加入草酸和Mn2+，草酸可促進LiP和MnP的催化作用，Mn2+在MnP的催化氧化中作為必需的電子供給體，使缺一個電子的酶中間體恢復到原來的狀態，產生Mn3+；草酸和Mn2+協同複合酶共同作用，提高複合酶對木質素的降解速度，因而使得稻草秸稈的腐化速度加快，木質素的酶解效率提高，熱能消耗降低，同時成本低廉、操作簡單、運行費用低、清潔無汙染，可實現工業化生產。


圖1是實施例1中添加和未添加草酸和Mn2+溶液時稻草秸稈中木質素降解率與有機質含量隨時間的變化情況示意圖。圖2是實施例2中添加和未添加草酸和Mn2+溶液時稻草秸稈中木質素降解率與有機質含量隨時間的變化情況示意圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例和附圖對本發明作進一步的說明。實施例1
一種本發明的利用草酸和Mn2+促進複合酶催化降解稻草秸稈的方法，包括以下步驟
(1)秸稈預處理將稻草秸稈粉碎得到秸稈粉，過60目篩備用；
(2)製備複合酶液在已滅菌的每200mL液體培養基中添加2mL孢子濃度為1.5X106 個/mL的黃孢原毛平革菌孢子懸液，300C、120 r/min下振蕩培養6天，通過沉澱、濾紙過濾、 高速離心和0.45mm濾膜過濾得到複合酶液(15 U/L的LiP和213 U/L的MnP);液態培養基 (1 L)配方為葡萄糖 10 g，酒石酸銨 0. 2 g, MgSO4 0. 71 g,吐溫 80 0. 5 mL, KH2PO4 2. 56 EjVB1 0.01 g，酒石酸鈉緩衝液4. 616 g，微量元素液100 mL，苯甲醇0.516 mL，H20 899.484 mL, pH值調節為4. 5 ；
(3)催化降解在5kg步驟(1)得到的秸稈粉中加入步驟(2)製得的複合酶液，同時添加濃度為600mM/L的草酸溶液、濃度為1500mM/L的硫酸錳溶液和濃度為500mM/L的H2A 溶液，每克秸稈粉中複合酶液、草酸溶液、硫酸錳溶液和H2A溶液的添加量分別為1200mL、100mL、20mL和312. 5mL，再添加去離子水調節催化系統的含水量為85%，恆溫(28°C )恆溼條件進行酶催化降解；分別在3、6、12、M天觀察稻草秸稈的腐化破壞程度和測定木質素降解率和有機質含量變化，結果見表1和圖1。以未添加草酸和Mn2+溶液作為對比例，進行對比試驗，對比試驗中沒有添加草酸和Mn2+溶液，其他步驟均與本實施例的工藝步驟操作相同，試驗結果見表1和圖1。從表1可知，未添加草酸和Mn2+溶液的酶催化降解過程中，稻草秸稈的腐化破壞程較低，而添加草酸和Mn2+溶液的酶催化降解過程中稻草秸稈的腐化破壞程度隨時間遞增， 表觀上在M天達到最大值。從圖1可知，在添加草酸和Mn2+溶液的酶催化降解過程中，木質素降解率最高達到55. 60%,是對比試驗中木質素降解率的7. 27倍；此過程中有機質含量從0. 85g/g降低至 0. 66g/g，而對比試驗中有機質含量僅降低至0. 80g/g。表1 稻草秸稈酶催化降解過程中的腐化破壞程度
權利要求
1.一種利用草酸和Mn2+促進複合酶催化降解稻草秸稈的方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)秸稈預處理將稻草秸稈粉碎得到秸稈粉，過篩備用；(2)製備複合酶液液態培養黃孢原毛平革菌，得到複合酶液；(3)催化降解在所述秸稈粉中加入所述複合酶液，同時添加草酸溶液、Mn2+溶液和H2A 溶液，保溫保溼靜置，完成催化降解。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的草酸溶液、Mn2+溶液和H2A溶液的濃度分別為 600mM/L 800mM/L、1500mM/L 2000mM/L 和 500mM/L 600mM/L。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於所述步驟(3)中，每克秸稈粉中，複合酶液、草酸溶液、Mn2+溶液和H2A溶液的添加量分別為1200mL 3600mL、IOOmL 200mL、 20mL 40mL 和 312. 5mL 1250mL。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其特徵在於所述步驟(1)中，用於秸稈粉過篩的篩孔尺寸為60 100目。
5.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其特徵在於所述步驟(2)中，液態培養黃孢原毛平革菌獲得複合酶液時，每200mL液體培養基中添加2mL 4mL孢子濃度為 1. 5X IO6個/mL 2X IO6個/mL的黃孢原毛平革菌孢子懸液；所述液態培養時的溫度、轉速和培養時間分別為30°C 37°C,120r/min 150r/min和6 8天。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於所述步驟(2)中，複合酶液中木質素過氧化物酶和錳過氧化物酶的酶活分別為15U/L 20U/L和213 U/L 250U/L。
7.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其特徵在於所述步驟(3)中，保溫的溫度為 30°C，靜置時間為3 24天。
全文摘要
本發明公開了一種利用草酸和Mn2+促進複合酶催化降解稻草秸稈的方法，包括以下步驟(1)秸稈預處理將稻草秸稈粉碎得到秸稈粉，過篩備用；(2)製備複合酶液液態培養黃孢原毛平革菌，得到複合酶液；(3)催化降解在所述秸稈粉中加入所述複合酶液，同時添加草酸溶液、Mn2+溶液和H2O2溶液，保溫保溼靜置，完成催化降解。本發明的降解稻草秸稈的方法，提高複合酶對木質素的降解速度，熱能消耗降低，同時成本低廉、操作簡單、運行費用低、清潔無汙染，可實現工業化生產。
文檔編號D21H11/12GK102535238SQ20121000870
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月12日 優先權日2012年1月12日
發明者危臻, 張辰, 曾光明, 李寧傑, 許飄, 賴萃, 趙美花, 黃丹蓮, 黃超 申請人:湖南大學