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玉米秸秆前处理对其糖化过程影响的研究作者：李柏聪董长颖来源：《农家科技下旬刊》2015年第06期玉米在我国种植面积广阔，拥有大量的玉米秸秆，以玉米秸秆为原料生产燃料乙醇，为生产燃料乙醇提供了一个良好的条件。
可实现玉米秸秆的资源化利用，显著降低燃料乙醇生产的原料成本，实现燃料乙醇产业的持续健康发展，创造重要的经济效应、社会效应。
同时充分利用玉米秸秆资源生产乙醇，不与人争粮，开拓了解决“三农问题”的新思路，促进我国生物经济的可持续健康发展。
通过比较不同的粒径大小、不同的存储时间、不同存储方式的玉米秸秆对糖化过程的影响，得到一个最佳前处理的组合方式，从而为建立一个标准化的、经济的秸秆存储模式提供有力实验依据。
一、材料与方法1.材料（1）实验材料玉米秸秆：产于吉林省吉林市昌邑区。
酶：纤维素酶、纤维二糖酶；以及盐酸四环素和柠檬酸钠缓冲液等。
（2）实验设备DHG-9076A型电热恒温干燥箱，高低温恒温振荡培养箱（上海-一恒科技有限公司），TG16WS台式高速离心机（上海泸湘仪离心机仪器有限公司），常规玻璃器皿等。
2.方法（1）原料成分分析本实验所用的玉米秸秆葡聚糖和木聚糖含量分别为32.8%，21.4%。
（2）玉米秸秆前处理将对玉米秸秆以不粉碎湿存储、粉碎湿存储、不粉碎干存储、粉碎干存储；3个月、6个月、12个月时间存储； 2.5cm、1.5cm、0.5cm粒径大小为因素进行试验。
（3）氨水预处理取干重为15 g的分装好的玉米秸秆，加入氨水溶液，使最终固液混合物质量为75g，将混匀的混合物加入150ml具塞锥形瓶中封紧瓶盖，放入电热恒温培养箱中，设置温度为40°C，时间为39min，在此条件下进行浸泡处理，处理完毕后，过滤并水洗残渣至中性，每个条件的预处理做十组平行。
（4）酶水解糖化酶解在500 ml锥形瓶中进行，反应体积为125 ml纤维素酶和纤维二糖酶分别按酶负荷为15 FPU/g葡聚糖和30 CBU/g葡聚糖加入酶解体系中。
膨化预处理玉米秸秆的还原糖酶解工艺其中，生物质的主要成分是纤维素和半纤维素，它们有着长链结构，不易降解。
为了有效地利用这些成分，需要通过预处理技术来改变其物理和化学特性，使其更易于生物转化和微生物降解。
在膨化预处理技术中，主要利用了高温和高压的作用，打破了细胞壁的结构，使纤维素和半纤维素变得更加易于转化和降解。
一些研究证明，使用膨化预处理技术可以将玉米秸秆中的纤维素和半纤维素转化为可用的还原糖。
还原糖是一种重要的生物质基础化学品，可以用于制备生物质能源、高附加值化学品、生物质化肥等。
其中，纤维素通过酶解反应变成葡萄糖，并进行发酵、糖醇或其他化学转化，形成不同的生物质基础化学品；而半纤维素则发生酸解反应，变成木糖和木醇等还原糖。
在膨化预处理的还原糖酶解工艺中，首先需要对玉米秸秆进行物理预处理，以去除杂质和硬木质素。
该步骤通常包括筛选、石灰浸泡、清洗和干燥等过程。
接着，将物理预处理后的玉米秸秆送入膨化设备，通过高温和高压的作用，将其膨化，打开了纤维素和半纤维素的结构。
最后，使用酶解剂，将膨化后的玉米秸秆中的纤维素和半纤维素酶解成还原糖。
酶解过程通常分为两个阶段，首先是β-葡萄糖苷酶的作用，将纤维素分解成葡萄糖；然后是木聚糖酶的作用，将半纤维素分解成木糖和木醇等还原糖。
由于玉米秸秆中的纤维素和半纤维素之间的结构是紧密相连的，因此需要进行特殊的还原糖酶解处理，才能有效地将其转化为有用的基础化学品。
在酶解过程中，需要注意酶解剂的种类、浓度和作用时间等因素，以及酶解过程中的温度、pH值等条件。
此外，由于玉米秸秆中的纤维素和半纤维素的含量比例不同，因此也需要根据实际情况进行相应的处理。
总之，膨化预处理是一种有效的生物质能源利用技术，可以将玉米秸秆转化为可用的还原糖。
还原糖酶解工艺是将还原糖转化为有用的基础化学品的关键技术。
该技术的研究和应用不仅有助于提高生物质能源的利用效率，还有助于减轻环境负担，推进环保和可持续发展。
玉米秸秆稀酸-蒸汽爆破预处理和水解糖化的试验研究韩沐昕;谭羽非;刘欢鹏;李冬梅【摘要】考察了玉米秸秆经1％ (w/w)稀硫酸和水分别浸泡后在不同汽爆压力(分别确定研究压力为1.5 MPa,1.8 MPa和2.0 MPa)和保压时间(分别为4 min,6 min和8 min)下进行蒸汽爆破预处理的处理效果.分析了预处理后固体和液体部分的主要成分和含量.通过考察预处理后固体部分经过纤维素酶作用后所得到的葡萄糖得率,确定了最佳的稀酸-蒸汽爆破预处理工艺.在1％稀硫酸预浸12h后,采用1.8 MPa汽爆条件保压8 min,经过预处理玉米秸秆的最大葡萄糖得率为26.9 g/100g 原料;在该条件下,预处理后过滤液中总糖得率最高为34.5 g/100 g原料.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2014(014)010【总页数】5页(P290-294)【关键词】预处理;玉米秸秆;稀酸;稀酸-蒸汽爆破;酶水解【作者】韩沐昕;谭羽非;刘欢鹏;李冬梅【作者单位】哈尔滨工业大学城市水资源和水环境国家重点实验室,市政环境工程学院,哈尔滨150090;黑龙江建筑职业技术学院,哈尔滨150025;哈尔滨工业大学城市水资源和水环境国家重点实验室,市政环境工程学院,哈尔滨150090;哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学城市水资源和水环境国家重点实验室,市政环境工程学院,哈尔滨150090【正文语种】中文【中图分类】X712玉米是我国的主要粮食作物之一，每年的产量约1.3×1012t，同时产玉米秸秆1.56 亿t，玉米秸秆是一种应用价值很高的可再生纤维素资源;但是这种资源长期没有得到合理地开发，约2/3 秸秆被焚烧掉，造成了资源的浪费和大气污染［1］。
秸秆类生物质作为能源，是一种贮存太阳能的可再生物质，生长过程中吸收大气中的CO2，因此在利用过程中排放的CO2，属于大气CO2的正常循环，不存在使全球变暖的效应。
农作物秸秆酶解制糖研究进展刘海燕;黄枭;高星爱;赵新颖;谢娇;张永锋【摘要】制糖是农作物秸秆生产燃料乙醇、化工醇等工业产品的关键步骤，其中采用酶解法实现农作物秸秆有效糖化是该领域的研究热点。
简单介绍了酶解机理，并对直接酶解与预处理酶解的研究进展进行了综述。
【期刊名称】《江苏农业科学》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】3页(P10-12)【关键词】农作物秸秆;酶解制糖;有效糖化【作者】刘海燕;黄枭;高星爱;赵新颖;谢娇;张永锋【作者单位】吉林省农业科学院农村能源研究所，吉林长春130033;吉林省农业科学院农村能源研究所，吉林长春130033;吉林省农业科学院农村能源研究所，吉林长春130033;吉林省农业科学院农村能源研究所，吉林长春130033;吉林省农业科学院农村能源研究所，吉林长春130033;吉林省农业科学院农村能源研究所，吉林长春130033【正文语种】中文【中图分类】TQ914.1我国是农业大国，每年可产生农作物秸秆7亿多t，近年来，随着我国农村能源结构的变化与集约化生产的发展，秸秆逐步成为一种无用的负担物，秸秆就地焚烧日趋严重，产生的烟雾已成为一大社会公害[1]。
每年有大量的秸秆被就地燃烧，既污染环境，又浪费资源[2]。
秸秆的主要成分为纤维、半纤维和木质素，以其为原料，通过酸解或酶解法结合生物转化法制备2，3-二丁醇、乙醇、甘油三酯、化工醇等工业产品原料，既可避免环境污染，又可实现生物质能源的高效利用，带来较大的经济和社会效益[3]。
然而，无论利用农作物秸秆生产何种产品，纤维原料制糖(包括葡萄糖和木糖)率都是影响整条工艺生产线的重要因素[4]。
只有当木质纤维素通过酶解作用转化为葡萄糖、木糖等单糖后，才能通过发酵过程转化为各种生物能源。
因此，在木质纤维素转化能源的过程中，纤维素的酶解糖化是最关键的步骤，也是木质纤维素能源化转化过程中的限制性步骤。
目前，纤维素水解糖化的主要途径有化学法水解和酶法水解。
玉米秸秆酶水解工艺的初步研究本实验以酶水解产生的还原糖含量为指标来评价纤维素酶水解效果，研究了温度、pH值、酶浓度、底物浓度、及酶解时间等单因素对玉米秸秆水解效率的影响，结果表明：酶水解的最佳温度为50℃～55℃，酶浓度为0.9g/L，pH5.0，底物浓度为50g/L，最佳反应时间为48h。
根据单因素试验结果，设计了五因素四水平正交实验，通过正交实验得出酶水解玉米秸秆的最佳工艺是：pH5.0，反应时间36h，温度60℃，酶浓度0.9g/L，底物浓度为50g/L。
标签：玉米秸秆酶水解纤维素酶正交试验一、实验材料与方法1.实验材料1.1主要原料：玉米秸秆[1]1.2主要试剂：：DNS（3，5-二硝基水杨酸）试剂、0.1mol/L的柠檬酸溶液、0.1mol/L的柠檬酸钠溶液、3%的NaOH水溶液2.实验方法2.1 原料的预处理：粉碎→碱浸泡→抽滤→干燥2.2 还原糖的测定方法：本研究采用DNS法[2]。
2.3 葡萄糖标准曲线的绘制2.4 纤维素酶水解条件的优化影响木质纤维原料酶水解的因素主要包括：底物浓度、酶浓度和反应条件（如温度、pH值等）[3]。
为了提高葡萄糖的产量和纤维素的水解率，本文在优化水解工艺和提高纤维素酶的活性方面作了大量的实验研究。
2.4.1 底物对酶水解影响的研究底物（经预处理的玉米秸秆）可以影响酶水解速率和发酵糖的得率[4]。
实验条件为：在6只150mL的锥形瓶中分别加入质量为0.4g、0.6g、0.8g、1.0g、1.2g、1.4g的经过预处理的玉米秸秆原料，并加入20mL的蒸馏水，再用移液管加入15mL、pH为5.0的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液，摇匀，在锥形瓶瓶口盖上保鲜膜，并用橡皮筋绷紧。
取5只试管，分别加入5mL，0.3g/mL的酶液，与锥形瓶一起放入设定温度为50℃的恒温水浴锅中分别预热5min。
预热5min后取出将装在5只试管中5mL，0.3g/mL的酶液分别倒入5只锥形瓶中，摇匀，重新盖上保鲜膜并绷紧，然后放入设定温度为50℃，180r/min的全温震荡培养箱中震荡培养24h，使之充分的进行酶解反应。
秸秆酶解糖化原理研究报告秸秆酶解糖化原理研究报告一、引言秸秆作为一种丰富的可再生资源，具有废弃物利用和环境保护的重要意义。
然而，秸秆的利用率仍然较低，其中一个主要原因是秸秆的纤维素难以分解。
为了提高秸秆的利用效率，研究人员开始利用酶解糖化技术来转化秸秆中的纤维素。
二、秸秆的组成秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中纤维素是最主要的成分。
纤维素是一种多糖聚合物，由葡萄糖分子通过β-1,4-糖苷键连接而成。
纤维素的结构复杂，使其难以直接利用。
因此，利用酶解糖化技术将纤维素转化为可利用的糖类成为一种有效的途径。
三、酶解糖化原理酶解糖化是指利用特定的酶来分解纤维素为可利用的糖类。
在秸秆酶解糖化过程中，主要涉及酶的选择、作用机制和反应条件等方面。
1. 酶的选择纤维素分解酶主要包括纤维素酶、半纤维素酶和木质素酶。
纤维素酶能够分解纤维素链，使之分解成为单糖；半纤维素酶可以降解纤维素中的多糖漆，进一步提高酶解效率；木质素酶则可以分解木质素，从而进一步增强酶解效果。
酶的选择需要综合考虑其活性、稳定性和成本等因素。
2. 酶的作用机制纤维素酶主要通过两种机制来分解纤维素链，一种是通过末端和内部作用酶的配合作用，如内切作用、链滑动作用、末端加工作用等；另一种是通过共同作用来分解纤维素链，如内切作用和链滑动作用共同作用等。
半纤维素酶和木质素酶也有类似的作用机制。
3. 反应条件酶的活性受到温度、酸碱度、底物浓度等条件的影响。
通常情况下，适宜的温度范围为40-60摄氏度，适宜的pH范围为4.5-5.5。
此外，底物浓度也对酶解糖化效果有一定影响，适宜的底物浓度应根据具体情况来确定。
四、酶解糖化应用前景秸秆酶解糖化技术在生物质能源、生物基化工原料和生物制品等领域具有广阔的应用前景。
通过将秸秆中的纤维素转化为可利用的糖类，可以生产生物乙醇、生物柴油和生物氢等生物质能源；同时，还可以生产生物基化学品，如生物塑料、生物润滑剂和生物催化剂等；此外，还可以利用酶解糖化技术来生产生物医药、生物肥料等生物制品。
玉米秸杆的酶水解糖化
李俊英张桂陈学武苗芳侯建革
玉米秸杆的酶水解糖化
摘要：玉米秸杆属植物纤维废料，研究玉米秸杆酶水解糖化的目的在于寻求一条玉米秸杆的合理利用新途径，加工成食品、燃料、化工产品等，具有较好的发展前途。
从玉米秸杆的化学结构出发，阐述玉米秸杆酶水解、糖化的机理及研究概况，玉米秸杆所含成分复杂，需要经过预处理，破坏其结晶性，提高水解性能，从而得以很好利用，具有重要的现实意义。
关键词：玉米秸杆；酶水解；糖化
1 玉米秸杆的化学组分
玉米秸杆的主要成分是纤维素、半纤维素、木质素、粗蛋白和水等。
1.1 纤维素
玉米秸杆纤维素结构单元是由β-D葡萄糖基1，4-糖苷键联结而成的线性高分子化合物。
每个纤维素分子由800--1200个葡萄糖分子组成，据戈林(D.A.J.Goring)等研究，在纤维细胞中的次生壁中，微细纤维、木素、半纤维素中组分均呈不连续的层状结构，彼此粘结又互相间断。
微细纤维是构成细胞壁的骨架，木素、半纤维素则是微细纤维之间的填充剂和粘结剂。
纤维素分子中的葡萄糖(和其它糖)残基的多少，或者称之为聚合程度的高低，因植物种属不同、时空和空间关系的变化而有变异。
玉米秸杆纤维素属于次生壁一类的纤维素分子，其平均聚合度为1000左右。
其中大约30到100个纤维素分子“并肩”排列，在分子内和分子间氢键作用下，形成结晶的(crystalline)或类结晶的(paracrystalline)微纤丝。
微纤丝的结晶区即β-1，4葡聚糖区，而中央的非结晶区则可能是甘露糖或木糖的存在部位，非结晶的或结晶程度差的表面区包围着中央的结晶核(Crystal nucleus)〔2，3〕。
从以上分析，纤维素类分子相互间以特定化学键相联系，形成牢固结构，使其难于分离。
1.2 半纤维素
半纤维素的结构单元是木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等以及这些糖甲基化、乙酯化单位和醛酸衍生物。
半纤维素的分子量较低，聚合度小于200，且分子往往带有支链。
不同来源的半纤维素各种结构单元比例不同，但木糖是玉米秸杆的主要糖、其次是阿拉伯糖。
其中木糖间以β-1，4糖苷键连接，分支度较高。
1.3 木素
木素是一种天然的高分子聚合物。
是由苯丙基丙烷单元通过醚键和碳-碳键联接而成、具有三维结构的芳香族高分子化合物。
玉米秸杆的木素含量为19%-23%。
木素中含碳量达60%-66%，含氢5%-6.5%。
木素含碳量高，含氢量低，玉米秸杆木素的分子量低，降低了木素的化学稳定性，使玉米秸杆较易蒸煮。
玉米秸杆中组分除含以上物质外，尚含有粗蛋白、灰分、水等等。
2 玉米秸杆的预处理
正是由于玉米秸杆组成成分复杂、稳定，使得其生物降解难于迅速进行。
生物工作者从土壤、有病害的植物、牛胃、牛粪等分离筛选活力高的微生物，但至今也未找到能迅速降解的
微生物；有人利用基因工程制造可迅速降解纤维素的菌种，也未获得工业应用。
依据波尔屯克模型，在纤维素的微小构成单位周围被半纤维素，其次是木质素层的鞘所包围。
木质素虽对纤维素分解物质(如酶等)反应没有阻碍作用，但它阻止纤维素分解物对纤维素的作用，因此人们不得不借助化学的、物理的方法来进行预处理，使纤维素与木质素、半纤维素等分离开；使纤维素内部氢键打开，使结晶纤维素成为无定型纤维素，以及进一步打断部分β-1，4糖苷键，降低聚合度。
经预处理后，有的纤维素的酶法降解速率甚至可与淀粉水解比拟，所以尽管预处理会增加成本，但目前仍是必不可少的措施。
下面我们针对预处理方法的优劣逐一进行讨论。
2.1 物理法〔4〕
包括球磨、压缩球磨、爆破粉碎、冷冻粉碎、ν-射线、声波、电子射线等，均可使纤维素粉化、软化，提高纤维素的酶解转化率。
该方法有如下特点：
2.1.1 在一般条件下，作用不明显。
如球磨粉碎纤维素后，酶解率随纤维素的颗粒变小而略有上升；对于电子辐射，在0～100Mrad，只是引起纤维素聚合度的下降，分子量从5.98×105下降到9×103，只有大于100Mrad后，半纤维素和木素的结合层才受影响，而且羟基和羰基受破坏最大，结晶度下降。
2.1.2 预处理成本较高。
应用球磨48h，才可达到270目左右的细度；电子射线和ν-射线均需高能射流发生仪，设备成本高、能耗大，约占糖化总能耗的50%～60%。
2.1.3 处理后的粉末纤维素物质没有胀润性，体积小，可以提高基质浓度，得到较高糖浓度的糖化液。
2.1.4 将原料粉碎成极细的颗粒，一方面使其表面积大大增加，另一方面破坏其结晶性，以便在随后的糖化阶段中易于反应；而爆破粉碎可以使纤维素结合层受到破坏，提高对酶作用的敏感性，大大提高可及度。
例如经高温作用下，半纤维素发生自水解作用而可熔化，木质素也发生部分降解，变得易被有机溶剂或稀碱抽提，此时突然减压爆破，则破坏了植物纤维的细胞结构，使纤维素酶水解糖化率提高。
总之，经过物理方法处理过的玉米秸杆，增加了酶对纤维素的亲和性，还原糖得率明显提高。
2.2 化学法
化学预处理方法有无机酸、碱、有机溶剂等方法。
其机理主要是有效破坏粗纤维之间的化学结构，便于粗纤维物质的分解和释放，从而增加其可消化性。
它有以下特点：
2.2.1 用高浓度的无机酸处理玉米秸杆，有较好的效果，可大大提高物料的酶水解率，但是半纤维素被水解成戊糖，其它产物多种多样，如纤维糊精、纤维二糖、葡萄糖、葡聚糖等，产品得率较低，不可以被酵母消化利用。
腐蚀性强，需要耐酸设备，成本高，并引起所得葡萄糖的分解和复合反应，降低了产品的纯度和得率，改用稀酸进行处理，所得物料几乎全部被水解成葡萄糖。
但该方法存在着试剂回收、中和、洗涤等问题。
2.2.2 用碱法进行预处理，使纤维素及半纤维素损失较大，收率只有50%，故应用起来也较为困难。
2.2.3 有机溶剂预处理效果较好，并且易于回收，但存在着腐蚀及毒性等问题的限制。
由于造成环境污染，成为阻碍其大规模应用于预处理的主要原因。
从总体看来，有机溶剂预处理有一定的发展前景，但必须寻找无毒替代物。
2.3 物理-化学法
该方法就是将物理法与化学法有机结合，扬长避短，例如首先于试样中加入化学试剂，然后运用汽爆法处理样品；或者原料经物理法处理后，再经化学法反应，这样处理后的可消化性能够达到较高的水平。
2.4 生物法
纤维素类物质含木质素、纤维素和半纤维素，纤维素有效酶解受木质素的空间障碍和纤维素本身的结晶度和聚合度的阻碍，在一些方面有独特之处，同时也存在困难之处。
纤维素分子与酶的有效接触、酶用量、时间都是重要的影响因素，并且随着糖浓度的增加，水解速度变慢，因此常采用流加方法加以解决，生物法的预处理显示了独特的优势，污染少，但玉米秸杆所含成分复杂，为了提高葡萄糖得率，在酶的选择上必须十分慎重，除了注意酶系外，在酶催化水解时还有添加各种激活剂或其它物质的做法，该实验还有待研究。
3 酶水解糖化过程
3.1 纤维素的糖化〔5〕
经过预处理的纤维素常常通过酸法或酶法来糖化。
Goldstein等应用两种抗酸膜(20%HCl，60%H2SO4)，将纤维素物质酸解物中的糖和酸分离，一方面获得由纤维素降解产生的糖；另一方面可回收试剂。
生产成本亦不是很高。
纤维素酶法糖化中，生成纤维素降解酶系的微生物种类很多，它们分布很广，但大量分泌纤维素酶而又便于提取的微生物种类不多，目前常用的菌种多来自木霉属、曲霉属和青霉属。
现以承认纤维素的降解需要一系列酶的共同作用才能完成，这些酶包括：内切β-1，4葡聚糖酶，外切β-1，4葡聚糖酶和β-1，4葡聚糖酶，这三种酶协同作用，缺一不可。
酶水解纤维素历程分三步进行，内切葡聚糖酶杂乱地水解纤维素底物分子的糖苷键，生成小的葡聚糖；外切葡聚糖酶从其链端将其水解生成纤维二糖和其它更小分子的低聚糖；β-葡萄糖苷酶水解纤维二糖成为葡萄糖。
纤维二糖的积累对于内切和外切葡聚糖酶的催化作用有抑制的影响，将其水解成葡萄糖，对降低此影响是有利的。
葡萄糖的积累对于β-葡萄糖苷酶的催化也有一定的抑制影响。
但一个突出问题是酶的利用率较低，提高酶的利用率是关系到工业化生产、降低成本的关键。
3.2 半纤维素的糖化
半纤维素作为玉米秸杆的重要组分，生成半纤维素降解酶系的微生物种类也很多，其降解机理与纤维素酶相比，半纤维素酶的研究落后一些，未知的东西更多，木聚糖分子比纤维素分子具有结构多样和组分复杂性等特点，因而其降解难度更大。
水解木聚糖分子的酶则主要由β-1，4-木聚糖和β-木糖苷酶构成，前者从木聚糖分子内水解木聚糖苷键，形成寡聚木糖乃至木二糖和木糖，后者则从前者水解物末端释放出木糖分子，且具有木二糖水解能力。
多组分或多同工酶是木聚糖酶的一个普遍特征，此外，木聚糖的完全水解还需其它支链分解酶的参加，如乙酯酶、阿拉伯糖苷酶、葡萄糖苷酶、葡萄糖醛酸酶等。
使糖化产生的糖类进一步降解生成糠醛等物质，并且所生成戊糖不宜被酵母发酵利用，美国普渡大学“再生资源实验室”(LORRE)研究成功用D-木糖异构酶将木糖异构成木酮糖，再被酵母利用的新途径。
