1. 研究目的与意义
资源和环境问题是人类在21世纪面临的最主要的挑战，我国每年可生产玉米芯约100万吨，占全世界玉米芯总量的20%～30%，然而综合利用率却仅有35%，以玉米芯为原料生产其他产品如食用菌、单细胞蛋白等极少，绝大部分作为农家燃料被白白烧掉，这类资源并没有被充分合理地利用，不仅造成了资源的浪费，也污染了人类赖以生存的环境。
玉米芯中含有的木质纤维素是世界上都分布较广的一种天然可再生资源，主要是由纤维素、半纤维素和木质素等所构成的超分子功能结构的聚集体，利用木质纤维素生产能源或相关化学品目前已得到世界各国的高度重视。而因为木聚糖是木质纤维素的重要组成部分，利用木聚糖生产的木糖和低聚木糖在食品、医药及保健品领域有广泛应用。
木聚糖(xylan)是木质纤维素的重要组成部分，是一种存在于植物细胞壁中的异质多糖，是半纤维素中主要的结构形式，由β-d-木吡喃糖以1→4键连接，约占植物细胞干重的15%～35%。大多数木聚糖是一种结构复杂的、具有高度分枝的异质多糖，含有许多不同的取代基。木聚糖的生物降解也因此需要一个复杂的酶系统，通过其中各种组分的相互协同作用来降解木聚糖。因此，木聚糖酶是一组酶，而非一种酶。木聚糖酶属于水解酶类,是一类可以将木聚糖降解成低聚木糖或木糖的复合酶系,包括多种内切酶和外切酶。
2. 研究内容和预期目标
技术要求：学会木聚糖酶水解反应操作、壳聚糖固定化酶及重复性实验、产物分析等
设计条件：木质纤维素是世界上分布较多的一种可再生资源，利用木质纤维素生产相应衍生物目前已得到世界各国的高度重视。其中木聚糖是木质纤维素的重要组成部分，利用木聚糖生产获得的其单糖和寡糖有着广泛应用。目前木聚糖降解主要依靠游离酶水解来实现,但生产成本偏高。本研究通过天然高分子壳聚糖为载体对木聚糖酶进行固定化，考察并分析壳聚糖载体固定化酶对玉米芯中的木聚糖降解生产木糖和低聚木糖的效率，并考察其重复性使用及寿命。
3. 研究的方法与步骤
1.1实验材料
底物：玉米芯
催化剂： 木聚糖酶
载体：壳聚糖
交联剂：戊二醛
反应器：锥形瓶，摇床，恒温震荡仪
溶剂：去离子水
每人准备实验记录本
1.2实验操作
a.游离木聚糖酶水解（正交实验选出最优条件因素）
| 实验序号 | pH值
| 去离子水/蒸馏水 | 底物浓度 | 取样时间 | 酶用量（w/w） | 温度、转速 |
| 1 | 3.7 | 100 mL | 8% (w/w) | 24h | 0.08 | 53℃150rpm |
| 2 | 4.0 | 100 mL | 8% (w/w) | 24h | 0.08 | 57℃, 150rpm |
| 3 | 4.3 | 100 mL | 8% (w/w) | 24h | 0.08 | 60℃, 150rpm |
| 4 | 3.7 | 100 mL | 8% (w/w) | 24h | 0.32 | 57℃, 150rpm |
| 5 | 4.0 | 100 mL | 8% (w/w) | 24h | 0.32 | 60℃, 150rpm |
| 6 | 4.3 | 100 mL | 8% (w/w) | 24h | 0.32 | 53℃, 150rpm |
| 7 | 3.7 | 100 mL | 8% (w/w) | 24h | 0.64 | 60℃, 150rpm |
| 8 | 4.0 | 100 mL | 8% (w/w) | 24h | 0.64 | 53℃, 150rpm |
| 9 | 4.3 | 100 mL | 8% (w/w) | 24h | 0.64 | 57℃, 150rpm |
b.以壳聚糖作为载体的固定化酶的制备
（1）称取1.5g的壳聚糖，将其加入至50ml，浓度为3%的醋酸水溶液当中，得到粘稠状的液体。
（2）称取20g的氢氧化钠，量取30ml的甲醇溶液以及50ml的蒸馏水，将其混合，混合时需要做好防护工作，溶液在混合时会放出大量的热以及气体，不可直接接触。
（3）用一次性注射器将吸取溶解好的壳聚糖溶液，将该液体从15cm的高度注入刚才第二步制备的溶液当中，放在室温下静置 30min。第二步所制备的成型剂是用来帮助壳聚糖微球载体成功塑形的。
（4）在放置的时候配置磷酸缓冲溶液，pH为7.0，共配置1000ml。取磷酸氢二钠10.9g，磷酸二氢钠2.3g，加水700ml使溶解，再调pH值至7.0，再加水稀释至1000ml。
（5）过滤，过滤时用第四步所配置的磷酸缓冲溶液对载体进行多次快速的冲洗，直至将残留多余的混合成型剂溶液彻底冲洗干净，从而得直径为4mm的球状的壳聚糖载体，性质为中性。
（6）准确称量10g先前制备的壳聚糖载体，将其加入到 100mL的 5%浓度的戊二醛溶液当中（pH=10.0），在50 ℃的条件下活化6h。
（7）配制酶的用量，其中不包含载体的质量，酶的用量参照游离酶实验用量来进行配比。
（8）活化结束后过滤，然后用蒸馏水冲洗至中性。按微球湿重(g):木聚糖酶液(ml)=1:1，加入相应浓度酶液。室温条件下，静置14小时，随后用去离子水多次漂洗，即可得到固定化木聚糖酶。
c.固定化木聚糖酶水解（正交实验选出最优条件因素）
| 实验序号 | pH值
| 去离子水/蒸馏水 | 底物浓度 | 取样时间 | 酶用量（w/w） | 温度、转速 |
| 1 | 3.7 | 100 mL | 8% (w/w) | 24h | 0.08 | 53℃150rpm |
| 2 | 4.0 | 100 mL | 8% (w/w) | 24h | 0.08 | 57℃, 150rpm |
| 3 | 4.3 | 100 mL | 8% (w/w) | 24h | 0.08 | 60℃, 150rpm |
| 4 | 3.7 | 100 mL | 8% (w/w) | 24h | 0.32 | 57℃, 150rpm |
| 5 | 4.0 | 100 mL | 8% (w/w) | 24h | 0.32 | 60℃, 150rpm |
| 6 | 4.3 | 100 mL | 8% (w/w) | 24h | 0.32 | 53℃, 150rpm |
| 7 | 3.7 | 100 mL | 8% (w/w) | 24h | 0.64 | 60℃, 150rpm |
| 8 | 4.0 | 100 mL | 8% (w/w) | 24h | 0.64 | 53℃, 150rpm |
| 9 | 4.3 | 100 mL | 8% (w/w) | 24h | 0.64 | 57℃, 150rpm |
d.固定化酶的重复性
运用正交实验，得到固定化酶水解木质纤维素得到木糖含量最好的条件因素，进行固定化酶的重复实验。
将以最佳条件制备的固载化木聚糖酶与底物在最适的反应条件下进行催化
反应，测定酶活力。反应结束后，将固载化木聚糖酶分离出来，再次进行上述
反应，共计反复进行 10 次，研究其重复使用性。
（1）将固定化木聚糖酶与底物在最优条件下进行水解反应，利用紫外分光光度计测量吸光值计算木糖含量。
（2）将反应结束后的底物与固定化木聚糖酶分离出来，重新配制相同条件的底物，将原来的固定化酶与底物结合放入摇床搅拌反应24h后测吸光值。
（3）重复（2）中操作步骤6～10次。
1.3产物分析
利用紫外分光获取吸光值计算木糖含量。
设备：紫外分光光度计
OD值：540nm
显色剂：DNS
利用最优条件进行重复性实验，分析重复性效果及固定化酶使用寿命。
1.4预期结果：
固定化酶的水解木质纤维素得到木糖含量前期缓慢下降，达到一个临界值后下降较为明显。
4. 参考文献
1. 张丽萍, 陈晨, 殷婷婷,等. 固定化木聚糖酶的应用研究进展[j]. 化学世界, 2010, 51(11):697-700.
2. 陈建龙, 祁建城, 曹仪植, 郭 勇, 段惠丽,2006.固定化酶研究进展. 化学与生物工程,23,7- 9.
3.壳聚糖固定化木聚糖酶的工艺研究[j]. 西北农业学报, 2011, 20(6):190-193.
5. 计划与进度安排
1、2022年12月25日-2022年3月1日 查阅文献，根据任务书书写开题报告，制定实验方案，翻译外文文献；
2、2022年3月2日-2022年3月10日准备酶水解反应材料，熟悉摇床操作；
3、2022年3月11日-2022年4月22日 酶水解反应、产物分析、固定化酶水解反应及重复性实验；
课题毕业论文、开题报告、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
