利用廢紙資源發(fā)酵產(chǎn)纖維素酶研究及應(yīng)用
纖維素酶(β-1,4-葡聚糖-4-葡聚糖水解酶)是降解纖維素生成葡萄糖的一組酶的總稱,它不是單體酶,而是起協(xié)同作用的多組分酶系,是一種復(fù)合酶,主要由外切β-葡聚糖酶、內(nèi)切β-葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶等組成,還有很高活力的木聚糖酶。作用于纖維素以及從纖維素衍生出來(lái)的產(chǎn)物。微生物纖維素酶在轉(zhuǎn)化不溶性纖維素成葡萄糖以及在果蔬汁中破壞細(xì)胞壁從而提高果汁得率等方面具有非常重要的意義。
纖維素酶是繼淀粉酶和蛋白酶之后的全球第三大工業(yè)用酶制劑,被廣泛地應(yīng)用于生物能源、食品、造紙、紡織洗滌、醫(yī)藥、動(dòng)物飼料以及農(nóng)業(yè)廢棄物處理等領(lǐng)域。但是昂貴的發(fā)酵生產(chǎn)成本是目前制約纖維素酶行業(yè)快速發(fā)展的主要瓶頸。而廢紙作為可回收利用的廢棄物資源之一,由于其纖維素含量高、價(jià)格低廉、來(lái)源廣泛、易獲取及產(chǎn)生量大等特點(diǎn)具有良好的開(kāi)發(fā)應(yīng)用潛力。因此,利用廢紙資源進(jìn)行纖維素酶的發(fā)酵生產(chǎn),不僅可以有效降低纖維素酶發(fā)酵成本,而且還能實(shí)現(xiàn)廢紙資源的高值化利用。
近日,中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所生物物理室研究人員在利用廢紙發(fā)酵產(chǎn)纖維素酶研究方面取得進(jìn)展。相關(guān)成果發(fā)表在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域期刊Journal of Cleaner Production上。
研究人員利用重離子束誘變選育的長(zhǎng)枝木霉突變菌株LC-M4進(jìn)行廢紙?zhí)荚窗l(fā)酵產(chǎn)酶,結(jié)果發(fā)現(xiàn)選用的辦公廢紙、餐巾廢紙、雜志紙和硬紙板紙四種類型的廢紙中,硬紙板紙發(fā)酵的濾紙酶活(FPA)、內(nèi)切葡聚糖酶活(CMC)、β-葡萄糖苷酶活(BGL)和木聚糖酶活(Xyl)分別達(dá)到了2.97 IU/mL、4.8 IU/mL、0.51 IU/mL和382.59 IU/mL,表明LC-M4菌株可有效利用硬紙板紙為碳源產(chǎn)酶。通過(guò)廢紙結(jié)構(gòu)表征發(fā)現(xiàn):不同廢紙中纖維素為主要成分,造紙過(guò)程中添加的碳酸鈣等填料可以為菌株生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成提供營(yíng)養(yǎng)元素,對(duì)發(fā)酵過(guò)程有促進(jìn)作用。為進(jìn)一步提高廢紙?zhí)荚窗l(fā)酵酶活,選用硬紙板紙和麩皮混合碳源發(fā)酵,BGL最高達(dá)到0.80 IU/mL,比硬紙板紙單一碳源酶活提高了56.86%;外切葡聚糖酶活(pNPC)、FPA和Xyl也有了一定的提高,其中Xyl達(dá)到399.74 IU/mL,較微晶纖維素碳源發(fā)酵酶活(343.09 IU/mL)提高了16.51%。表明廢紙和麩皮作為產(chǎn)酶發(fā)酵碳源具有很高的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)開(kāi)發(fā)潛力。
菌種選育
菌種選育是纖維素酶生產(chǎn)的基礎(chǔ)性工作,國(guó)內(nèi)外許多專家進(jìn)行了大量研究,為了生產(chǎn)高質(zhì)量的纖維素酶產(chǎn)品,王家林等(1996)在吸收國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,先后引進(jìn)了綠色木霉木10、綠色木霉Sn-91014、康氏木霉NT-15、黑曲霉XX-15A,在此基礎(chǔ)上,采用了紫外線、特定電磁波輻射、線性加速器,亞硝基胍等物理、化學(xué)的誘變方法,獲得了高產(chǎn)菌株NT15-H、NT15-H1、XT-15H、XT-15H1。其中木霉NT-15H固體培養(yǎng)活力經(jīng)輕工部食品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心南京站檢測(cè)表明,濾紙活力為3670u/g, C1-酶活力24460u/g,Cx-酶活力1800u/g,已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。此菌種在工廠化生產(chǎn)中性能穩(wěn)定。張苓花等(1998)采用康氏木霉W-925,J-931,經(jīng)過(guò)濃度為2%硫酸二乙酯和紫外線(15W、30cm、2min)復(fù)合誘變后,得到了產(chǎn)酶活性高的Wu-932菌種,該菌種CMC糖化力達(dá)到2975,濾紙?zhí)敲富钚詾?31,比出發(fā)菌W-925分別提高了100%和81%?;げ匡暳咸砑觿┘夹g(shù)服務(wù)中心王成書(shū)等(1997)采用該中心的里氏木霉A3先進(jìn)行紫外線和亞硝基胍復(fù)合誘變后,將處理過(guò)的孢子接種于纖維雙層平板上,30℃培養(yǎng)5-8天,15℃放置7-10天,挑選透明圈直徑和菌落直徑比較大的單菌落進(jìn)行三角瓶固態(tài)發(fā)酵再篩選,得到了產(chǎn)纖維素酶活力很高的里氏木霉91-3菌株。
纖維素酶菌種易退化,退化后其產(chǎn)酶力明顯降低,其原因可能有三個(gè)方面:
①經(jīng)誘變篩選的菌種發(fā)生回復(fù)突變。
②自然負(fù)突變。
③菌種長(zhǎng)時(shí)間低溫斜面保藏,會(huì)在分生孢子上長(zhǎng)出次生菌絲,而次生菌絲所形成的分生孢子生命力弱,這可能是菌種退化的主要原因。為了避免纖維素酶菌種退化,張苓花等(1998)報(bào)道,采用砂土管保藏菌種。即將過(guò)篩洗凈的砂子與土以3:2比例混合分裝在試管內(nèi),用1kg/cm2壓力滅菌30分鐘共三次,將欲保存的斜面菌種制備成1000ml孢子懸浮液,每個(gè)砂土管注入0.5ml,搖勻,放入盛有無(wú)水CaCl2真空干燥器內(nèi)保存。經(jīng)測(cè)定,在所測(cè)的121天內(nèi),酶的活性基本不變;酶活性下降50%的時(shí)間,由常規(guī)方法的60天延長(zhǎng)至160天,明顯地減緩了菌種退化速度。
發(fā)酵工藝
纖維素酶的生產(chǎn)工藝主要有兩種,即固體發(fā)酵和液體發(fā)酵,其工藝如下:
影響產(chǎn)酶量和活力的因素
影響纖維素酶產(chǎn)量和活力的因素很多,除菌種外,還有培養(yǎng)溫度、pH、水分、基質(zhì)、培養(yǎng)時(shí)間等。這些因素不是孤立的,而是相互聯(lián)系的。張中良等(1997)采用均勻設(shè)計(jì)Cl12(1210),以綠色木霉(T.ViriclePers.expr)為菌種,研究了影響產(chǎn)纖維素酶的五大因素對(duì)產(chǎn)酶量和活力的作用,認(rèn)為基質(zhì)粗纖維含量為40%、初始pH7.5、加水4倍、在26-31℃條件下培養(yǎng)45h可獲得最大產(chǎn)酶量26mg/g和CMC酶活力20mg/g·h。王成華等(1997)也研究了其誘變篩選的里氏木霉91-3的產(chǎn)酶條件,結(jié)果表明該菌種以7:3的秸稈粉和麥麩,另添加4%硫酸銨、0.4%磷酸二氫鉀、0.1%硫酸鎂為最佳培養(yǎng)基,28-32℃為適宜培養(yǎng)溫度,30℃為最佳溫度,4%為最佳接種量,96h到達(dá)發(fā)酵高峰。張苓花等(1998)研究了以康氏木霉W-925為出發(fā)菌,經(jīng)誘變后得到的Wu-932纖維素酶高產(chǎn)菌的最佳發(fā)酵條件。結(jié)果表明,以1:2的麥麩和稻草粉為培養(yǎng)基,5%的接種量,稻草粉碎平均長(zhǎng)度3-5mm,初始pH4-5,溫度在28-35℃,發(fā)酵時(shí)間72h為最佳發(fā)酵條件。
污染菌的控制
飼用纖維素酶普遍存在一種俗稱的“白毛菌”污染。污染后輕者酶活性下降,重者發(fā)酵失敗。為此,研究控制發(fā)酵污染意義很大。張苓花等(1998)研究“白毛菌”的菌落特征、來(lái)源、生長(zhǎng)和生理特征及控制方法,找到了一種與康氏木霉Wu-932呈共生關(guān)系,而與“白毛菌”呈競(jìng)爭(zhēng)性抑制關(guān)系的熱帶假絲酵母菌J-931。利用此菌進(jìn)行混合發(fā)酵,可有效地控制“白毛菌”的污染。
農(nóng)業(yè)應(yīng)用
纖維素酶在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用:
常見(jiàn)的畜禽飼料如谷物、豆類、麥類及加工副產(chǎn)品等都含有大量的纖維素。除了反芻動(dòng)物借助瘤胃微生物可以利用一部分外,其它動(dòng)物如豬、雞等單胃動(dòng)物則不能利用纖維素。
以下是纖維素酶在牛、雞、豬日糧中的應(yīng)用:
牛日糧
焦平林等(1996)用閹牛試驗(yàn),在日糧中按每頭每日添加纖維素酶40g,飼喂60天,結(jié)果表明加酶組日增重892.78g,對(duì)照組日增重746.8g,差異極顯著(P<0.01)。焦平林又用30頭荷斯坦奶牛進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)組按每頭每日添加50g纖維素酶,結(jié)果表明,試驗(yàn)組15頭奶牛在68天總產(chǎn)奶量為2916kg,而對(duì)照組15頭奶牛在68天的總產(chǎn)奶量為2689kg,差異顯著(P<0.05)。付連勝等(1998)報(bào)道,在瘤胃功能正常狀態(tài)下,成年奶牛及育成牛飼喂纖維素酶5天后,其糞便干物質(zhì)和飼喂前相比,減少30%,一周后,封閉式牛舍氨含量下降70%左右,粗飼料采食量提高8-10%,尿中尿素下降58.9%,懷孕奶牛在產(chǎn)前30天始飼喂纖維素酶,分娩后,不產(chǎn)生生理性消化不良癥狀,胎兒體重可增加1.5-3kg,并無(wú)畸形和弱胎。產(chǎn)牛體質(zhì)恢復(fù)快,產(chǎn)奶高峰維持時(shí)間長(zhǎng)(一直至第四個(gè)泌乳月)。趙長(zhǎng)友等(1998)綜述了纖維素酶在草食動(dòng)物日糧中的應(yīng)用,均取得了顯著效果。
雞日糧
肉雞日糧一般以高魚(yú)粉、高玉米、高豆粕為主。為減少這些常規(guī)原料的使用量,廣泛采用廉價(jià)的飼料原料,秦江帆等(1996)在肉雞日糧中提高富含纖維的麥麩比例,添加0、0.05%、0.1%纖維素酶制劑進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明,添加0.1%纖維素酶組比對(duì)照組在1-2、3-6、7-8周三個(gè)生長(zhǎng)階段日增重分別提高4.31%、4.54%、4.13%,耗料比分別下降1.56%、4.50%、4.3%。徐奇友(1998)在蛋雞日糧中添加0.1%、0.15%、0.5%纖維素酶,結(jié)果表明,在1-10月的產(chǎn)蛋期間,產(chǎn)蛋率分別提高0.53%、1.25%、2.88%,酶水平0.15%和0.5%組的破蛋率降低34.49%、16.19%,蛋殼強(qiáng)度分別提高14.71%和8.41%。
豬日糧
據(jù)尹清強(qiáng)等(1992)報(bào)道,在基礎(chǔ)日糧中添加0.6%和1.2%纖維素復(fù)合酶,結(jié)果生長(zhǎng)育肥豬增重比對(duì)照組分別提高16.84%和21.86%。Wank等(1993)報(bào)道,添加纖維素酶,使中性洗滌纖維消化率由30.3%提高到34.1%,酸性洗滌纖維消化率從68.8%提高到73.9%,能量消化率由69.3%提高到71.8%。
纖維素酶產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)展望
我國(guó)是一個(gè)飼料資源十分緊張的國(guó)家,土地少、人口多,人畜爭(zhēng)糧的矛盾十分突出。要保持我國(guó)飼料工業(yè)和畜牧業(yè)的持續(xù)發(fā)展,必須解決好飼料問(wèn)題,否則將嚴(yán)重制約其發(fā)展。纖維素是自然界中十分豐富的資源,是800-1200個(gè)葡萄糖分子聚合而成。因此,可通過(guò)微生物發(fā)酵充分利用農(nóng)副產(chǎn)品下腳料、秸稈、糠生產(chǎn)纖維素酶添加劑,用于提高畜禽生產(chǎn)性能,提高飼料利用率,改善飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,降低飼料成本和提高經(jīng)濟(jì)效益,具有廣闊的開(kāi)發(fā)前景,今后應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)纖維素酶研究和開(kāi)發(fā)工作。主要有如下幾方面:
進(jìn)一步加強(qiáng)纖維素酶的作用機(jī)制研究
纖維素酶應(yīng)用于飼料,作用于動(dòng)物消化道,其機(jī)制尚未清楚。從理論上決定其添加量還很困難,受影響因素很多,往往效果不夠理想。對(duì)于單用多種原料的纖維素酶最佳添加量也研究不多,這將嚴(yán)重制約纖維素酶的推廣應(yīng)用。
酶的產(chǎn)量和活性都不高,成本偏高
今后應(yīng)加強(qiáng)菌種選育和發(fā)酵工藝等基礎(chǔ)研究工作,以提高其產(chǎn)量和活性,特別是要注意利用DNA基因重組技術(shù)的應(yīng)用,來(lái)選育出活性高、產(chǎn)酶量大的菌種。
加強(qiáng)纖維素酶檢測(cè)方法研究
雖然纖維素酶的檢測(cè)方法很多,但真正能適合飼料的檢測(cè)方法還沒(méi)有,這給實(shí)際應(yīng)用工作帶來(lái)困難,如無(wú)法比較不同廠家的產(chǎn)品質(zhì)量,確定纖維素酶添加量也很困難,應(yīng)組織有關(guān)力量,制訂出統(tǒng)一的檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn),供生產(chǎn)中應(yīng)用。
【視頻】部分發(fā)酵飼料養(yǎng)豬雞鴨帶給你無(wú)臭味健康無(wú)抗養(yǎng)殖效果
相關(guān)鏈接:99多功能飼料發(fā)酵劑——高濃度乳酸菌為主的固態(tài)飼料發(fā)酵劑,更輕易成功、效果更好的生物飼料發(fā)酵劑,簡(jiǎn)單好用的中草藥發(fā)酵劑
廣西助農(nóng)畜牧科技有限公司提供全方位支撐
2020年已全面禁抗,我們之前經(jīng)常在飼料中添加的抗生素進(jìn)行促生長(zhǎng)行為將是違法,否則面臨巨額罰單。如何既能夠促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)又能夠形成無(wú)抗養(yǎng)殖呢?其實(shí)中草藥在促進(jìn)畜禽養(yǎng)殖健康和生長(zhǎng)、改善肉蛋奶品質(zhì)大有可為,特別是將中草藥發(fā)酵后效果提升4-28倍等好處,這個(gè)實(shí)施方案比你想象中效果更好,運(yùn)用的沒(méi)有不被效果折服的,值得嘗試驗(yàn)證
我們的技術(shù)僅需在出欄前半個(gè)月左右運(yùn)用益生菌+酶制劑+中草藥相關(guān)的無(wú)違禁安全產(chǎn)品,肉質(zhì)改善非常顯著,且可以批量化生產(chǎn)。
目前我們已經(jīng)有了成熟的技術(shù)、產(chǎn)品和運(yùn)用方案,且有大量成功案例,可以在短時(shí)間、批量化、安全無(wú)違禁地為您的養(yǎng)殖場(chǎng)生產(chǎn)出高品質(zhì)的家畜、家禽、水產(chǎn)產(chǎn)品。
規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)養(yǎng)殖公司我們提供產(chǎn)品樣品、驗(yàn)證效果和通過(guò)檢測(cè)后您再放心地規(guī)?;\(yùn)用。
微信公眾號(hào):gxzn-99
微信號(hào):gxzn07713815862
電話:0771-2204816,3800156,3815862
網(wǎng)站:www.fjc001.com, www.zn99.com
微店:weidian.com/?userid=1353707843
產(chǎn)品購(gòu)買微信轉(zhuǎn)賬請(qǐng)?zhí)砑?8076549930或15578100088為好友(還可以咨詢技術(shù)與業(yè)務(wù)問(wèn)題)
- 上一篇:如何判斷母豬奶水多少?影響母豬泌乳量的因素有哪些? [2021-06-07]
- 下一篇:尿泡糞(水泡糞、液泡糞)豬場(chǎng)最簡(jiǎn)單的糞污處理模式是全量還田,不需要固液分離、不需要沼氣池,兩個(gè)儲(chǔ)液池就搞定了 [2021-06-07]