多糖酶解动态特性表征与剪切机理分析及动力学建模

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1、天津大学博士学位论文多糖酶解动态特性表征与剪切机理分析及动力学建模姓名：李秋瑾申请学位级别：博士专业：化学工程指导教师：何志敏20090501中文摘要本文综合运用色谱、光谱等测试技术系统研究了纤维素酶解非均相体系和魔芋葡甘聚糖(KGM)酶解均相体系，旨在表征多糖酶解历程动态特性，揭示酶对底物剪切机理，构建反应动力学方程。具体研究内容与结论如下：第一，三种结晶结构不同的纤维素酶解历程动态特性多尺度表征、酶解机理分析及吸附一反应动力学建模1．结晶纤维素AVicel酶解过程中固态剩余底物分子量分布不发生显著改变，体现了外切酶CBH对结晶纤

2、维素的“顺次”剪切机理。2．结晶相与无定形相并存的纤维素Whatman滤纸酶解过程中固态底物分子量分布先向低值移动，后向高值移动，峰形先变宽后变窄，体现内切酶EG对无定形相“拉链"剪切与外切酶CBH对结晶相“顺次”剪切的协同作用。3．离子液体预处理Avicel与Whatman滤纸后所得无定形纤维素酶解过程中，固态底物分子量快速下降且其分布变宽，主要体现EG对无定形纤维素的快速“拉链”剪切；离子液体预处理可破坏纤维素规整结构降低氢键及结晶度，显著提高酶解效率，水解24h转化率接近100％。4．酶解过程中，AVicel及whatman滤

3、纸对酶的吸附符合Langmuir定律，离子液体预处理后无定形纤维素对酶的吸附不符合该定律；对于Avicel与whatman滤纸，构建了吸附一反应动力学方程；滤纸酶解速率高于Avicel；预处理所得无定形纤维素酶解速率明显高于原始纤维素。第二，KGM酶解过程分子量变化规律分析、酶剪切机理讨论及分段与扩散反应动力学研究1．初始KGM绝对分子量为9．028x105，多分散性指数为1．10，随酶解反应进行重均与数均分子量迅速下降，分子量分布先变宽后变窄，多分散性指数先增大后减小，说明KGM的酶解是酶分子对底物的多次剪切与中央剪切联合作用的结

4、果。2．固定酶量且相对底物酶量较大(酶与底物比例为l：102数量级)条件下，反应速率较快，KGM酶解初始阶段，反应动力学模型为坂。3／M。．3=l+鸠。缸f；酶解反应中后期，反应动力学模型为1／坂=l／M。。+姒．。2／聊2％·f，反应为零级动力学。3．固定酶与底物比例且相对底物酶量较小(酶与底物比例为1：103数量级)条件下，反应速率较慢，扩散对于反应的贡献得以体现，通过引入酶分子的扩散时间参数，建立了KGM酶解过程扩散一反应动力学模型1／M。=l／M。。+17．175卜17．398e一％f，该模型体现了底物浓度以及扩散现象对反应

5、速率的影响。关键词：纤维素；魔芋葡甘聚糖；酶促水解；分子量；剪切机理；反应；动力学模型ABSTRACTInthisthesis，enzymatichydr01ysisofcelluloseswithdifferentc眄stallinitiesandKonjacGlucomannan(KGM)weresystematicallyinVestigatedbyacombinationofchromatographicandspectroscopicanalysis．Onthebasisofenzymemechanismandpolysa

6、ccharidesStmcture，thereactionbehaViorofcellulosesandKGMduringenZymatichydrolysiswasextensiVelystudied．Themainaspectsandconclusionsweredisplayedasf．ollows．1．ThemultileVelstllJcturalnature，scissionmechanismandreactionkineitcsduringenzymatichydr01ysisofthreekindsofcellulo

7、seswithdiff．erentc叫stallinitieswerestudiedandcompar．ed．(1)ForAVicel，microc巧stallinecellulose，arapidhydrolysisrateoccur】redatthebeginningofhydrolysisandthendecreasedforthetimewentup，wimasugarconVersionof59．04％afber72h．Themolecularwei曲tdistribution(MWD)oforiginalAVicelsh

8、owedasinglepeakatMw=7．72xl04，withpolydispers时of2．43．DuringenZymatichydr01ysis，nosign狮cantchangeinMwDofAVicelwasobsen，