餐厨垃圾中典型有机组分酶解最优方案的实验研究

来源 :兰州交通大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:beckyccjj
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随着我国社会经济的提升和人们生活水平的提高,餐厨垃圾的产量也逐年增加。餐厨垃圾组分复杂,具有高有机质含量、含水率、油分和盐分的特性,极易腐败发臭、滋生病菌。若管理不当,很容易污染环境和造成资源的浪费。餐厨垃圾中的蛋白质是一种较好的氮源,对其进行提取是餐厨垃圾资源化利用的关键。本论文选择蛋白质作为餐厨垃圾典型有机组分,以蛋白提取率为指标进行酶解最优方案的研究。首先,以单组分为基础进行游离酶酶解实验的研究;然后对餐厨垃圾混合组分的游离酶酶解实验进行研究;为进一步提升酶解效果,进行了游离酶的固定,并利用固定酶对餐厨垃圾混合组分进行酶解实验。主要研究内容和结果如下:(1)以鸡肉作为餐厨垃圾典型有机组分中的代表性蛋白质,选择碱性蛋白酶、中性蛋白酶、木瓜蛋白酶和菠萝蛋白酶进行酶解实验研究。研究结果表明,相比其他三种蛋白酶,碱性蛋白酶对餐厨垃圾中蛋白质的提取率最佳。通过单因素实验得到蛋白提取率最佳的因素水平,结合响应面法优化实验发现最优酶解条件:p H为9.90,温度为65℃,酶加量为28.90mg,酶解时间为1.5 h,蛋白提取率为39.45%,与理论预测值(41.18%)差1.73%。最优条件下进行酶解动力学研究,结果表明餐厨垃圾单一组分酶解过程,遵循米氏方程的规律,验证了酶解实验的可行性。(2)模拟配比餐厨垃圾,对餐厨垃圾进行酶解实验的研究。结果表明,由于蛋白酶底物的特异性,木瓜蛋白酶对餐厨垃圾中蛋白质的提取率最佳。通过单因素实验得到蛋白提取率最佳的因素水平,并进行响应面法优化实验,得出最优酶解条件:p H为4.1,温度为40.7℃,酶加量为30.60mg,酶解时间为1 h,蛋白提取率为43.18%,与理论预测值(45.40%)差2.22%。说明选择响应面模型能够较好的预测蛋白提取率,对酶解条件的优化具有一定的指导意义。(3)以海藻酸钠和壳聚糖作为复合载体,对蛋白酶进行优化固定研究。具体地,以中性蛋白酶为研究对象,分别就海藻酸钠浓度、Ca Cl2浓度、固定时间和壳聚糖浓度进行了优化。研究结果发现,在海藻酸钠浓度为4%,Ca Cl2为3%,固定时间为2h,壳聚糖浓度为2%,固定化酶的相对酶活效果最佳。正交实验结果发现,最优条件海藻酸钠浓度为3.5%、Ca Cl2为2.5%、壳聚糖浓度为2.5%、固定化时间为1.5h,固定化酶相对酶活最佳。固定化酶的酶学性质的研究表明,在p H为5~8、30~80℃温度范围内固定化酶的酶活性相对稳定且重复使用5次后,相对酶活力仍保持在65%以上,储存11天后,相对酶活也维持在80%以上。此时复合凝胶球还保持了较好的弹性。红外光谱和XRD结果表明,海藻酸钠与壳聚糖中的丰富的官能团使二者结合在一起,从而更好的提高了固定化载体的稳定性。(4)利用固定化木瓜蛋白酶对餐厨垃圾混合组分进行酶解,结果发现,在p H为6~9,温度为50~80℃时,蛋白提取率明显高于游离酶的,说明经过固定,木瓜蛋白酶的耐酸碱性和热稳定性明显提高;对于酶解时间,由于木瓜蛋白酶不能与底物直接接触,需要适当的反应时间,酶才能作用于底物发挥作用,酶解1.5h时,固定化酶的酶解效果达到最高,随着不断酶解,固定化木瓜蛋白酶的蛋白提取效率始终高于游离酶;固定化蛋白酶在使用5次之后,蛋白提取率为22.71%,与首次酶解相比,仍保持在50%之上,说明固定化酶的可重复使用次数较好;固定化蛋白酶在储存11天之后,蛋白提取率为27.98%,较首次提取率相比,在其50%之上,说明木瓜蛋白酶固定之后,稳定性较强。酶解动力学结果表明,固定化木瓜蛋白酶与游离木瓜蛋白酶对餐厨垃圾混合组分的酶解动力学均遵循米氏方程的规律。对比米氏常数,固定化酶的米氏常数小于游离酶的,说明游离酶固定之后,在载体的保护下,酶与餐厨垃圾典型组分的结合能力强于游离酶,证明固定化酶的水解能力强于游离酶。本论文通过游离酶具有较好的酶解效果,固定化酶的酶解效果有明显的提升,因此确定固定化酶的酶解条件为最优酶解方案。
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