金属离子对纤维素酶水解玉米秸秆的影响

张智研 张伟伟

（1、鸡东县第二中学，黑龙江 鸡东 158200 2、齐齐哈尔大学，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

乙醇作为一种可再生的清洁能源，被作为石油的代用资源而日益受到人们的关注。以淀粉质为原料生产燃料乙醇技术已经成熟，但用木质纤维素来生产燃料乙醇更为廉价[l]。玉米秸秆作为农业生产的必然产物，是一种十分宝贵的资源。根据玉米籽的产量推测，2000-2005年间我国玉米秸秆的年产量在1.2-1.48亿[2],其有机成分以纤维素、半纤维素为主(纤维素含量占35%以上)[3],近年来正成为研究的热点。玉米秸秆经水解可以转化为还原糖，这些糖类物质是生产生物燃料的重要原料[4]。但是玉米秸秆结构复杂，在常温下不发生水解，只有在催化剂存在下，水解过程才显著地进行。纤维素酶可以作为玉米秸秆水解过程的催化剂,在水解过程中会受到各种金属离子的影响，据报道，纤维素酶具有广谱或专性的抑制剂，包括-些无机和有机化合物，广泛存在于自然界中[5],由于某些金属离子常常是酶的抑制剂或活化剂，为了更好的了解金属离子和纤维素酶的配伍关系，采用合适的酶激活剂，本实验研究了6种不同金属离子对纤维素酶水解玉米秸秆的影响，以期为玉米秸秆的水解应用提供实验依据。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 供试材料

本实验以干燥的玉米秸秆的外表层组织为实验材料，取自齐齐哈尔市梅里斯区玉米地。

1.1.2 药品试剂

酒石酸钾钠、3，5-二硝基水杨酸、苯酚、无水亚硫酸钠、蒸馏水、葡萄糖、柠檬酸，NaOH、纤维素酶、Na2HPO4、Tween80、Tween2 0、MnSO4、CoCL2·6H2O、CuSO4、CaCL2、ZnSO4、MgSO4。

1.2 方法

1.2.1 对玉米秸秆的处理

将玉米秸秆用清水冲洗除去其表面的泥沙等杂质，烘干，用粉碎机将其粉碎备用。

1.2.2 金属离子对纤维素酶活力的影响

实验设计了 Mn2+、Co2+、Cu2+、Ca2+、Zn2+、Mg2+6种金属离子，在纤维素酶水解玉米秸秆的同时将一系列浓度的金属离子盐溶液与酶解缓冲液充分混合，水浴30℃反应1h后，按照DNS法测定纤维素酶活力的变化。以不加金属离子的反应液作为对照组，每处理重复3次。

1.2.3 DNS法测酶活

取上述反应液1mL加入试管中，加3 mL DNS显色剂，沸水浴进行显色10 min，520 nm波长,测OD值，以第一管为空白对照管。

1.2.4 标准葡萄糖曲线的绘制

准确量取葡萄糖标准溶液置于干燥试管中，使其浓度分别为 0μg/mL、50 μg/mL、75 μg/mL、100 μg/mL、125 μg/mL、150 μg/mL、175 μg/mL、200 μg/mL、250 μg/mL、300 μg/mL。再分别加入2.5 mL DNS试剂，摇匀，置于沸水中沸煮10 min，冷却后在520 nm处测吸光度值，以吸光度值为纵坐标，葡萄糖量为横坐标，绘制标准曲线。

2 结果和分析

2.1 标准曲线的绘制

2.2 金属离子对纤维素酶活力的影响

2.2.1 Mn2+对纤维素酶活力的影响

Mn2+在设定的浓度范围内，对纤维素酶活力总体呈激活作用。Mn2+浓度从0到0.2 mg/mL时，激活作用增加明显，0.3 mg/mL以后，激活作用趋于平稳，此时OD值维持在0.730左右。

2.2.2 Co2+对纤维素酶活力的影响

Co2+在设定的浓度范围内，对纤维素酶活力总体呈激活作用。Co2+浓度从0到0.25 mg/mL时，激活作用逐渐增加，0.25 mg/mL达到最大值以后，激活作用有所降低。

2.2.3 Cu2+对纤维素酶活力的影响

Cu2+浓度从 0 到 0.20 mg/mL，Cu2+对纤维素酶活力呈激活作用，且激活作用逐渐增加，从0.20mg/mL开始，激活作用开始下降。在浓度升高到0.5mg/mL时，Cu2+对纤维素酶的作用转为抑制作用，抑制作用随浓度增大而加强，0.8 mg/mL后，抑制作用趋于平稳。

2.2.4 Ca2+对纤维素酶活力的影响

Ca2+对纤维素酶整活力体呈激活作用，在3.00mg/mL以前，激活作用不显著，基本维持在OD值为0.1左右。Ca2+浓度在3.00 mg/mL以后，激活作用开始增加。

2.2.5 Zn2+对纤维素酶活力的影响Zn2+对纤维素酶活力整体呈激活作用，在Zn2+浓度为0.30 mg/mL时，激活作用达到最大以后开始减弱，但依然表现为激活作用。

2.2.6 Mg2+对纤维素酶活力的影响

Mg2+对纤维素酶活力整体呈激活作用，随着Mg2+浓度的增大，激活作用跟着增加。在Mg2+浓度在0.8-1.6mg/mL之间，激活作用增加幅度平稳。

3 讨论

酶是蛋白质，因此影响蛋白质空间结构改变的因子如物理园子、化学因子等也会改变酶的活性。金属离子对酶的作用尤其重要，很多情况下金属离子是一些酶的的活性中心不可或缺的部分。有关金属离子对酶的活性的影响国内外已有不少研究[6-8]。金属离子以3种主要途径参加催化过程：通过结合底物为反应定向、通过可逆的改变金属离子的氧化态调节氧化还原反应、通过静电稳定或屏蔽负电荷。本研究结果表明：Mn2+在设定的浓度范围内，对纤维素酶活力总体呈激活作用。Mn2+浓度从0mg/mL到0.2mg/mL时激活作用明显增加，0.3mg/mL以后，激活作用趋于平稳，此时OD值维持在0.730左右；Co2+在设定的浓度范围内，对纤维素酶活力总体呈激活作用。Co2+浓度从0mg/mL到0.25mg/mL时激活作用逐渐增加，0.25mg/mL达到最大值以后，激活作用有所降低；Cu2+浓度从0mg/mL到0.20mg/mL，Cu2+对纤维素酶活力呈激活作用，且激活作用逐渐增加，从0.20mg/mL开始，激活作用开始下降。在浓度升高到0.5mg/mL时Cu2+对纤维素酶的作用转为抑制作用，抑制作用随浓度增大而加强，0.8mg/mL后抑制作用趋于平稳；Ca2+对纤维素酶整活力体呈激活作用，在3.00 mg/mL以上激活作用不显著，基本维持在OD值为0.1左右。Ca2+浓度在3.00 mg/mL以上，激活作用开始显著增加；Zn2+对纤维素酶活力整体呈激活作用，在Zn2+浓度为0.30 mg/mL时激活作用达到最大。以后便开始减弱，但依然表现为激活作用；Mg2+对纤维素酶活力整体呈激活作用，随着Mg2+浓度的增大，激活作用跟着增加。在Mg2+浓度在0.8-1.6 mg/mL之间，激活作用增加幅度平稳。

[1]胡代泽.我国农作物秸秆资源的利用现状与前景[J].资源开发与市场，2000，l6(1)：19.20.

[2]杨连玉，张国梁，赵颖彩，等.玉米秸秆利用途径及其在农业生态系统中的综合利用对策[J].饲料工业，2005，26(23)：42-45.

[3]王瑞明，关凤梅.马霞，等玉米秸秆水解与木糖酒精发酵的初步研究 [J].酿酒，2002，29(1)：56 57.

[4]张毅民，吕学斌，但汉斌，等.一株纤维素分解菌的分离及其粗酶性质研究[J].华南农业大学学报，2005，26(2)：69-72.

[5]赵军，小仓信夫，矶野昌弘.光肩星天牛的人工饲养 (I)[J].北京林业大学学报，1999，21(4)：58-61.

[6]张丽萍，董超，王迎春，等.几种离子对纤维素酶活力的影响 [J].河北省科学院学报.2000，17(4)：235～238.

[7]李卫芬，许梓荣，孙建义，鲍康.金属离子对糖化酶活性的影响[J].1999，25(3)：296-298.

[8]单谷，罗廉，余世袁.金属离子对纤维素酶制备的影响.[J].林产化学与工业，1998，18(3)：53-57.