摘 要

本课题以玉米芯为生物质原料，先用γ-戊内脂/水体系为溶剂，稀硫酸为催化剂进行预处理，再用纤维素酶进行酶解预处理产物，从而降解糖化玉米芯。对预处理后的玉米芯成分用传统分析法中的系统分析结合差重法进行分析，所得纤维素87.18%，木质素10.69%。预处理之后，采用五因素四水平正交试验设计和可视化智能软件，通过优化酶量、底物浓度、反应时间、反应pH、反应温度，获得了纤维素酶水解玉米芯的最佳工艺条件。实验证明，当酶量为0.25g、底物量为0.3g、反应时间为72h、pH为4.5、反应温度为40℃。可得到65.92%的酶解率，糖量为20g/L，而未经预处理的玉米芯酶解率只有36.09%，糖量为11g/L，说明以γ-戊内脂/水体系预处理之后，酶解率足足提高了30%左右，也就是酶解后糖量提高了1.8倍左右。之后对水解之后的产物进行了HPLC分析，所得成分包含葡萄糖、木糖、半乳糖，其中以葡萄糖含糖居多，含量为13g/L。

关键词：玉米芯 预处理 纤维素酶 正交试验设计 可视化

Enzyme saccharification of pentyl lactone pretreated corncob

ABSTRACT

In this paper, maize core was used as raw material, and pretreated in γ-pentene /water system with dilute sulfuric acid as catalyst. Then the products were degraded with cellulase to obtain saccharified corn cob. The pretreatment products of corn cob was analyzed by systematic analysis and differential method in the traditional analytical method. The obtained cellulose content was 87.18% and the lignin’s was 10.69%. After pretreatment, the optimum conditions for the hydrolysis of corn kernels by cellulase were obtained by optimizing the amount of enzyme, substrate concentration, reaction time, reaction pH and reaction temperature using five-factor four-level orthogonal test design and visualization intelligent software. The results showed that the optimum conditions were got when the amount of enzyme was 0.25g, the amount of substrate was 0.3g, the reaction time was 72h, the pH was 4.5, and the reaction temperature was 40 ℃.At that optimum condition, the enzymolysis rate was 65.92%, sugar content of 20g / L ,while the untreated cornase was only 36.09%, sugar content of 11g / L. It was indicated that with pretreatment in γ-lactone / water system, the enzymatic hydrolysis rate has been increased by about 30%, that is, enzymatic hydrolysis has been increased by about 1.8 times. The product after hydrolysis was then subjected to HPLC analysis. The resulting ingredients contained glucose, xylose, and galactose, and so on of which the maximum amount was got by glucose,it was content of 13g / L.

Key words: Corn cob;Pretreatment;Cellulase;Orthogonal design;Visualization

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

目 录 III

第一章 文献综述 1

1.1秸秆概述及其应用 1

1.2预处理的必要性及其方法简述 1

1.2.1 物理处理 2

1.2.2 化学处理 2

1.2.3 生物处理 3

1.2.4 混合处理 3

1.2.5 γ-戊内脂的优点 3

1.3预处理后的酶解机理 4

1.4 酶解因素 4

1.4.1酶的用量 4

1.4.2温度和pH对酶的影响 5

1.4.3 底物量和时间的影响 5

1.5 成分分析法 5

1.5.1木质纤维的传统测定方法 5

1.5.2木质纤维的现代分析方法 5

1.6 正交试验和可视化方法的概述 6

1.7 课题研究目的及内容 6

1.7.1 研究目的 6

1.7.2 研究内容 7

第二章 实验材料与方法 8

2.1实验材料 8

2.2溶液配制 8

2.3 实验方法 9

2.3.1 γ-戊内脂预处理 9

2.3.2 玉米芯的成分测定（系统分析法结合差重法） 9

2.3.3 预处理后的酶解法 9

2.3.4 酶解的正交设计 10

2.3.5 酶解率的测定 10

2.3.6 高效液相色谱法测糖成分 10

第三章 结果与分析 12

3.1 酶解的正交试验设计 12

3.2 可视化分析结果 13

3.3 液相色谱分析结果 15

结论 17

展望 18

参考文献 19

致谢 21

第一章 文献综述

1.1秸秆概述及其应用

我国地大物博，有丰富的农业产品，其中秸秆居多，包括玉米芯，小麦等，并且秸秆是纤维素成分含量很高的生物质资源。据资料显示^[1]，每年大概生产6.4亿多吨的秸秆，在牛、羊等动物食用方面大概有25%-35%的秸秆被应用，在食品加工方面有8%-10%的秸秆被应用，12%-16%的秸秆被直接还田利用，在应用于新能源放面仅仅有2%，剩下的除了有些用作饲料、栽培食用菌或造纸等工业应用外，主要的都被用在焚烧方面，这些盲目的应用大大加大了环境污染问题。

经过科学家的研究发现，生物质主要有机成分有木质素，纤维素，半纤维素三大部分。秸秆的天然结构决定了其不易被利用——秸秆的主要组成纤维素一般使紧密交联的网状结构，而在这网状结构表面及内是半纤维素和木质素，这导致其结构愈加稳定、坚硬，难以降解。纤维素水解成葡萄糖，半纤维素水解成木糖，半乳糖等，糖用于工业当中，可以生产工业酒精等，木质素是一种拥有高强度结构材料，在工艺生产中能解决产品结构稳定性等问题，如何高效对秸秆进行生物转化已成为当下的热门研究方向。

1.2预处理的必要性及其方法简述

生物质纤维原料主要由木质素，纤维素，半纤维素组成，由网状交联结构骨架构成，稳定性强。在酶解之前没有经过预处理，直接用酶的话半纤维素，纤维素，木质素是很难被降解，所以我们需要先进行预处理。作用机理是 改变它的网状交联骨架, 降低它的稳定性,利于脱去木质素，增加纤维素的结构松散度和通透率，让酶与纤维素充分接触反应, 从而提高酶解率^[2]（图1.1）。