1. 研究目的与意义

秸秆是一种农作物废弃物,在我国资源丰富,每年产量可达7l0吨以上,研究开发秸秆的资源化利用技术具有非常重要的现实意义。玉米秸秆主要由植物细胞壁组成,细胞壁基本组成是纤维素、半纤维素和木质素,纤维素和半纤维素被木质素层层包裹。纤维素是一种由吡喃型葡萄糖单体以糖苷键连接的直链多糖;半纤维素主要是由木糖以及少量阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖组成;而木质素是以苯丙烷及其衍生物为基本单位构成的高分子芳香族化合物。半纤维素较易水解为五碳糖,纤维素水解为六碳糖较困难, 木质素一般作为燃料。

由于玉米秸秆纤维素含量占35%以上,采用生物技术降解成可发酵的葡萄糖并进一步发酵生产乙醇,是利用秸秆开发新能源的重要途径。天然秸秆纤维必须经过预处理破坏原有三组分混杂的刚性结构才能达到一定的酶解效果。目前，在各种预处理方法中,蒸汽爆破法比较适合于植物纤维原料的预处理。在蒸汽爆碎过程中, 物理和化学的作用使半纤维素水解成单糖和低聚糖,部分木质素溶解而提高了纤维素对酶的可及性,使得原料适合于纤维素酶的作用。虽然纤维原料制备乙醇的研究开展已久,但作为其中的关键技术纤维质转化为糖的过程仍然面临着极大地挑战，降解过程中酶用量大且效率低造成的成本过高尤其成为制约生物质资源利用的瓶颈问题。

纤维素催化不溶性底物水解的过程是非常复杂的。它必须在β-内切葡聚糖酶、β-外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶的协同作用下才能完成，而且作为不溶性底物，酶与底物的吸附是酶解的必要条件，但由于木质素与纤维素，半纤维素组成非常致密结构，使得生物酶蛋白分子无法有效的降解纤维素，对纤维素酶产生不可逆的无效吸附，导致部分的纤维素酶无法正常的酶解纤维素，同时也影响酶的回收再利用。最近的研究表明生物质酶解过程中酶用量大，效率低的主要原因就是酶的过度吸附，尤其是失效吸附。在纤维素的疏水表面上存在一层致密的水膜，它阻碍了酶的接触、吸附与降解。半纤维素和木质素包裹在纤维素周围影响了纤维素酶的可及性，同时引起纤维素酶的无效吸附。目前纤维素酶投入约占酶解工艺的50%，本实验拟针对糖化水解工艺中酶利用率低的问题，研究纤维素酶在酶水解过程中的分布情况，为酶水解及酶回收提供理论数据，最终达到酶与新鲜底物间有效吸附，进一步降低酶的使用成本，对实现生物质生物途径生产化学品的经济性，酶的充分利用和重复利用都具有极为重要的意义。

2. 国内外研究现状分析

3.1 木质纤维原料

植物纤维原料主要包括纤维素、半纤维素和木质素。纤维素是由β-d-葡萄糖基通过β-1，4-糖苷键彼此连接起来的链状高分子化合物。聚合度变化很大，在100~20000个葡萄糖残基范围内。纤维素分子非常稳定，在25℃条件下的半衰期是500~80万年。纤维素是植物纤维原料细胞壁的主要组成成分。木材中纤维素的含量约为40~55%，禾本科植物如麦草，稻草，玉米秸秆中的纤维素含量约为35~45%。半纤维素是植物细胞壁中与纤维素紧密结合的几种不同类型多糖混合物。包括木聚糖、木葡聚糖和半乳葡萄甘露聚糖等。在木质组织中占总量的50%，它结合在纤维素微纤维的表面，并且相互连接，这些纤维构成了坚硬的细胞相互连接的网络。木质素是以苯丙烷为主要基本单位连接的高分枝多分散性高聚物，存在于木质组织中，主要作用是通过形成交织网来硬化细胞壁。木质素主要位于纤维素纤维之间，起抗压作用。在木本植物中，木质素占25%，是世界上第二位最丰富的有机物(纤维素是第一位)。木质素不能水解成为单糖，且对纤维素酶和半纤维素酶降解原料中的碳水化合物有空间阻碍作用，同时也会对纤维素酶产生吸附，降低酶解的效率。

3.2 纤维素酶

3. 研究的基本内容与计划

4.1 研究方案

本论文主要研究纤维素酶在酶水解过程中的分布情况，为酶水解及酶回收提供理论数据。从而保证酶解效率的同时，进一步减少酶的用量，降低纤维素酶的使用成本。

本论文的具体内容包括以下几个方面：

4. 研究创新点

目前纤维素酶催化水解木质纤维原料生产生物乙醇主要存在效率低下以及由此产生的利用成本较高的问题，大多数酶解木质纤维原料的研究者主要集中于预处理方法，添加外源辅助物和酶解结束后酶蛋白和酶活力的回收等方法优化酶解工艺。而酶的吸附作为纤维素酶水解纤维素的首要步骤，对此的影响必然是十分巨大的。本论文提出了通过研究酶与木质纤维原料的在水解过程中吸附和脱附机理和动态情况，探究影响酶的吸附，脱附的因素，从而实现减少酶用量，多次重复回收再利用纤维素酶。