（微生物学专业论文）构建混合微生物菌群降解稻草生成乙醇的研究.pdf

摘要 摘要 地球上每年大约形成1 0 0 0 亿吨植物有机物，是自然界分布最广、含量最多、 价格低廉而又可再生的资源，若能将这些资源有效利用，对解决人类环境污染、 粮食短缺和能源危机具有重要意义。稻草秸秆是我国南方主要的纤维素秸秆， 传统的处理方式不仅污染环境而且利用率低。本研究通过从样品中分离筛选得 到降解稻草能力较强的菌株，采用构建混合微生物菌群的方式降解稻草，进行 摇瓶发酵实验，并对糖化过程的发酵条件进行了优化，初步研究了混菌发酵糖 化液产乙醇的研究。研究概括如下： ( 1 ) 本实验通过刚果红平板初筛，稻草发酵复筛，从稻田土壤、牛瘤胃液、 牛粪中分离到三株产纤维素酶菌株，初步鉴定为一株曲霉，两株细菌。筛选得 到的三株菌和实验室保臧的链霉菌、里氏木霉、康氏木霉和红褐肉座菌进行稻 草发酵产酶试验，其中产酶活最高的是里氏木霉，c m c 酶活和f p a 酶活分别为 3 1 9 3 i u m l 和1 6 1 7 i u m l ，对其进行单菌单因素优化试验，得到里氏木霉产糖 最佳条件为：稻草粉6 ，麸皮5 ，起始p h 4 5 ，发酵温度3 0 ，发酵时间7 天，优化后产糖量为1 4 9 7 1 m m l ，约为优化前的1 4 倍。 ( 2 ) 通过平板初筛，稻草发酵复筛，从样品中分离到两株产半纤维素酶菌 株，初步鉴定为一株曲霉，一株青霉。对这两株菌进行发酵产酶复筛试验，其 中产酶活较高的是b w 2 青霉，半纤维素酶活达4 6 2 1 u m l ，对其进行单菌单因 素优化试验，得到青霉产糖最佳条件为：稻草粉7 ，麸皮5 ，起始p h 6 5 ，发 酵温度2 8 ，发酵时间6 天，优化后产糖量为1 4 7 5 4 m g m l ，约为优化前的1 6 倍。 ，( 3 ) 通过平板初筛，稻草发酵复筛，从样品中分离到一株在苯胺蓝平板上 能产生透明圈的菌株，另外实验室保藏的平菇也能在苯胺蓝平板上产生清晰透 明圈。两株菌进行发酵产酶复筛试验，其中产酶活较高的是平菇，愈创木酚氧 化酶活性和锰依赖过氧化物酶活性分别达8 1 u 和0 5 5 6 u ，对其进行单菌单因素 优化试验，得到平菇产糖最佳条件为：稻草粉8 ，麸皮6 ，起始p h 5 5 ，发酵 温度2 8 ，发酵时间1 0 天，优化后产糖量为1 4 7 5 4 m m l ，约为优化前的1 7 倍。 ( 4 ) 混菌发酵降解稻草：平菇、里氏木霉和青霉进行菌种兼容性试验显示， 摘要 霉菌的生长优势比平菇明显，前者对后者有竞争抑制性作用，将平菇先进行稻 草发酵培养可有效避免霉菌的抑制作用。三菌株混菌发酵降解稻草秸秆的优化 培养条件如下：稻草添加量6 ，麸皮添加量3 ，先接入平菇置2 8 c 发酵7 天， 再接入里氏木霉和青霉置3 2 c 发酵3 天，起始p h 为6 时的混菌发酵产糖量达到 最高，为1 9 5 2 m g m l ，是优化前的1 2 8 倍。 ( 5 ) 葡萄汁酵母、裂殖酵母、啤酒酵母、安琪酵母四株产乙醇酵母中安 琪酵母在以稻草发酵糖化液为主要碳源时，产乙醇能力最强，为3 1 7 2 ( v v ) ， 残糖量较低，为2 0 9 7 m g m l 。因此选择安琪酵母做后续研究。在稻草经糖化后 的发酵培养基分别补充尿素、蛋白胨、牛肉膏、硫酸铵、氯化铵五种常见的氮 源从而确定在稻草糖化液中补充添加不同氮源对安琪酵母产乙醇的影响。实验 结果表明以尿素为氮源时，安琪酵母产乙醇水平最高，残余还原糖较低。因此 选择了尿素作为稻草糖化液发酵产乙醇培养基的补充氮源进行后续的研究。 ( 6 ) 通过平板初筛，稻草发酵复筛，从样品中分离到一株分解木糖能力较 好的菌株标记为，初步鉴定为酵母。进行发酵复筛试验测酒精产量，其酒精产 量为1 4 5 4 ( v v ) 。在稻草经糖化后的发酵培养基补充氮源尿素，添加木糖发 酵菌株进行产乙醇发酵试验，得到酒精产量3 2 6 5 ，残糖量3 5 8 2m g m l ，酒 精得率o 1 6 4 9 g ( 酒精消耗的糖) 。而同时添加安琪酵母和木糖发酵菌株进行产乙 醇发酵试验，得到酒精产量4 1 5 6 ，残糖量1 1 3 0m g m l ，酒精得率0 1 8 1 9 g ( 酒 精消耗的糖) 。 关键词：稻草降解；混菌发酵；产乙醇；发酵条件优化； i l a b s t r a c t e a r t hf o r m e sa b o u t10 0b i l l i o nt o n sp e ry e a rp l a n to r g a n i cm a t t e r , i st h em o s t w i d e l yd i s t r i b u t e di nn a t u r e ，t h em o s ta b u n d a n t ，i n e x p e n s i v eb u tr e n e w a b l er e s o u r s e s ， i ft h e s er e s o u r c e si su s e de f f e c t i v e l yt os o l v eh u m a ne n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n , f o o d s h o r t a g e sa n de n e r g yc r i s i si si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e s t r a wc e l l u l o s ei st h em a i n s o u t h e r nc h i n as t r a w , t h et r a d i t i o n a la p p r o a c hi sn o to n l yp o l l u t e st h ee n v i r o n m e n t a n dt h el o wu t i l i z a t i o nr a t e t h i ss t u d yw a si s o l a t e df r o ms a m p l e so fr i c es t r a w d e g r a d a t i o na b i l i t yo fs t r o n g e rs t r a i n so fb a c t e r i ab yw a yo fb u i l d i n gm i x e dm i c r o b i a l d e g r a d a t i o no fs t r a w , t os h a k ef l a s ke x p e r i m e n t s ，a n dt h es a c c h a r i f i c a t i o np r o c e s so f f e r m e n t a t i o nc o n d i t i o n sw e r eo p t i m i z e d ，ap r e l i m i n a r ys t u d yo nm i x e db a c t e r i a s a c c h a r i f i c a t i o nl i q u i df e r m e n t a t i o no fe t h a n o lp r o d u c t i o n r e s e a r c hs u m m a r i z e da s f o l l o w s ： ( 1 ) t h i se x p e r i m e n ts c r e e n e db yc o n g o r e dp l a t i n gt e s ta n ds t r a wf e r m e n t a t i o n c o m p o u n ds i e v i n gf r o mt h ep a d d ys o i l ，c , o wt u r e e n , c o wd u n g ，w eg e tt h r e es t r a i n s w h i c hp r o d u c ec e l l u l a s e sw a si d e n t i f i e da sa l la s p e r g i l l u sa n dt w ob a c t e r i a u s et h e s e t h r e es t r a i n sa n ds t r e p t o m y c e s ，t r i c h o d e r m ar e e s e i ，t r i c h o d e r m ak o n i n g i ia n d h y p o c r e aj e c o r i n aw h i c ha r ep r e s e r v e db yo u rl a b o r a t o r yt od 0s t r a wf e r m e n t a t i o n e n z y m et e s t t r & h o d e r m ar e e s e ip r o d u c e dt h eh i g h e s ta c t i v i t i e so fc m ca c t i v i t ya n d f p aa c t i v i t i e sw e r e3 19 3 i u m la n d1 617 i u m l a n di t so p t i m u mf e r m e n t a t i o n c o n d i t i o n sw h i c hp r o d u c et h eh i g h e s ts u g a ra r ea sf o l l o w i n g ：s t r a wp o w d e r6 ，w h e a t b r a n5 ，i n i t i a lp h 4 5 ，f e r m e n t a t i o nt e m p e r a t u r e3 0 ，f e r m e n t a t i o nt i m e7d a y s ， s u g a rp r o d u c i n gw a so p t i m i z e dt o 14 9 71m g m l ，w h i c hi sa b o u t1 4t i m e sh i g h e r t h a nb e f o r e ( 2 ) b yp l a t i n gs c r e e n i n g ，s t r a w f e r m e n t a t i o nr e s c r e e n i n g ，t w os t r a i n sw e r e i s o l a t e df r o ms a m p l e so fh e m i c e l l u l a s ep r o d u c t i o ns t r a i nw a si d e n t i f i e da sa s p e r g i l l u s a n dp e n i c i l l i u m u s i n gt h e s et w os t r a i n st od ot h es e c o n ds c r e e n i n gt e s to fe n z y m e p r o d u c t i o n ，w eg e tt h er e s u l to fb w 2p e n i c i l l i u mp r o d u c e dh i g h e ra c t i v i t y , t h a t h e m i c e l l u l o s ea c t i v i t yr e a c h e d4 6 2 1u m l a n di t so p t i m u mf e r m e n t a t i o nc o n d i t i o n s w h i c hp r o d u c et h eh i g h e s ts u g a ra r ea sf o l l o w i n g ：s t r a wp o w d e r7 ，w h e a tb r a n 5 ， l l i a b s t r a e t i n i t i a lp h 6 5 ，f e r m e n t a t i o nt e m p e r a t u r e2 8 ，f e r m e n t a t i o nt i m e6d a y s ，s u g a r p r o d u c i n gw a so p t i m i z e dt o14 7 5 4 m g m l ，a b o u t1 6t i m e st h a tb e f o r eo p t i m i z a t i o n ( 3 ) w ei s o l a t e das t r a i nf r o ms a m p l e sa n dp l e u r o t u so s t r e a t u sw h i c hp r e s e r v e d b yo i l l l a b o r a t o r yw h i c hc a ne m e r g eac l e a ra n dt r a n s p a r e n tc i r c l ei np h e n y l o x a z o l e t h et w os t r a i n sw e r es e c o n ds c r e e n i n gt e s tf o rt h ee n z y m ep r o d u c t i o n ，i nw h i c h a c t i v i t yw a sh i g h e ri nt h ep l e u r o t u so s t r e a t u sp r o d u c t i o n ，g u a i a c o lo x i d a s ea c t i v i t y a n dm a n g a n e s ed e p e n d e n tp e r o x i d a s ea c t i v i t yw e r eu pt o81ua n d0 5 5 6 u ，i t so n eo f s i n g l eb a c t e r i af a c t o ro p t i m i z a t i o nt e s t ，g e tt h eb e s tc o n d i t i o n sf o rm u s h r o o ms u g a r ： s t r a wp o w d e r8 ，6 w h e a tb r a n , i n i t i a lp h 5 5 ，f e r m e n t a t i o nt e m p e r a t u r e2 8 ， f e r m e n t a t i o nt i m e10d a y s ，t h eo p t i m a ls u g a ry i e l df o rt h e14 7 5 4 m g m la b o u t1 7 t i m e sb e f o r eo p t i m i z a t i o n ( 4 ) d e g r a d a t i o no fr i c es t r a wm i x e df e r m e n t a t i o n ：p l e u r o t u so s t r e a t u s ， t r i c h o d e r m ar e e s e ia n dp e n i c i l l i u ms p e c i e sc o m p a t i b i l i t yt e s t ss h o w e dt h a tt h e g r o w t ho f t r i c h o d e r m ar e e s e it h a np l e u r o t u so s t r e a t u so b v i o u s a d v a n t a g e s ， c o m p e t i t i v ei n h i b i t i o no ft h ef o r m e ro nt h el a t t e rr o l e ，t h ef i r s tm u s h r o o mf o r f e r m e n t a t i o no fs t r a wt op r e v e n tm i l d e wc a l lb ee f f e c t i v e l yi n h i b i t e d t h r e es t r a i n so f r i c es t r a wd e g r a d a t i o no ft h em i x e df e r m e n t a t i o nt h eo p t i m u mc o n d i t i o n sa r e 嬲 f o l l o w s ：6 a d d e dr i c es t r a w , b r a n3 t h ef i r s ta c c e s sm u s h r o o ms e tt e m p e r a t u r eo f 2 8 7d a y s a n dt h e na c c e s st n c h o d e r m ar e e s e ia n dp e n i c i l l i u mh o m e3 2 3 d a y sf e r m e n t a t i o n ，i n i t i a lp ho f6m i x e df e r m e n t a t i o nw h e nt h es u g a rr e a c h e st h e h i g h e s t19 5 2 m g m l ，i s1 2 8t i m e sh i g h e rt h a nb e f o r eo p t i m i z a t i o n ( 5 ) u s i n g4k i n d so fy e a s t s ：s a c c h a r o m y c e su v a r u m , s c h i z o s a c c h a r o m y c e s , s a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a ea n da n g e ly e a s tt op r o d u c ee t h a n o li ny e a s tf e r m e n t a t i o n s a c c h a r i f i c a t i o nl i q u i du s i n gt h es t r a wa st h em a i nc a r b o ns o u r c e t h es t r o n g e s t c a p a c i t yo fe t h a n o lp r o d u c t i o n , w a s3 17 2 ( v v ) ，t h er e s i d u a ls u g a rc o n t e n ti sl o w , f o r2 0 9 7 m g m l t h e r e f o r ec h o s e na n g e ly e a s tt od ot h ef o l l o w u ps t u d y a f t e rt h e s t r a ws a c c h a r i f i c a t i o nf e r m e n t a t i o nm e d i aw e r ea d d e da f t e rt h eu r e a , p e p t o n e ，b e e f e x t r a c t ，a m m o n i u ms u l f a t e ，a n da m m o n i u mn i t r o g e ni no r d e rt od e t e r m i n et h ef i v e c o m m o ns o l u t i o n si nt h es t r a ws a c c h a r i f i c a t i o na l s oa d d e dt od i f f e r e n tn i t r o g e n s o u r c e so ne t h a n o lp r o d u c t i o no fa n g e ly e a s t t h er e s u l t ss h o wt h a tu r e aa sn i t r o g e n s o u r c e ，t h eh i g h e s tl e v e lo fa n g e ly e a s ta l c o h o l ，r e s i d u a ls u g a rl o w t h e r e f o r ec h o s e n i v a b s t r a c t a st h es t r a ws a c c h a r i f i c a t i o nl i q u i du r e ae t h a n o lf e r m e n t a t i o nm e d i u mf o l l o w - u po f a d d i t i o n a ln i t r o g e ns o u r c e ( 6 ) b yp l a t es c r e e n i n g ，s t r a wf e r m e n t a t i o ns c r e e n i n g ，f r o ms a m p l ed e c o m p o s i t i o n o fx y l o s ew a si s o l a t e ds t r a i n sw i t hb e t t e rm a r k e d ，i d e n t i f i e da s y e a s t s e c o n d s c r e e n i n gt e s tu s i n gf e r m e n t a t i o no fa l c o h o lp r o d u c t i o n , t h ee t h a n o ly i e l do f1 4 5 4 v ) a f t e rt h es t r a ws a c c h a r i f i c a t i o nf e r m e n t a t i o nm e d i u mb ya d dn i t r o g e nu r e a , x y l o s ef e r m e n t a t i o ns t r a i n sp r o d u c i n ge t h a n o lf e r m e n t a t i o nt e s t , t h ee t h a n o ly i e l d 3 2 6 5p e r c e n t ，r e s i d u a ls u g a r3 5 8 2m g m l ，e t h a n o ly i e l do f0 2 0 5 9 g ( a l c o h o l c o n s u m p t i o no fs u g a r ) a d da n g e ly e a s tw h i l es t r a i n so fy e a s ta n df e r m e n t a t i o no f x y l o s ef e r m e n t a t i o ne t h a n o lp r o d u c t i o nt e s t ，t h ee t h a n o ly i e l d4 15 6p e r c e n t ，r e s i d u a l s u g a r1 13 0m g m l ，e t h a n o ly i e l do f0 2 2 6 9 g ( a l c o h o l c o n s u m p t i o no fs u g a r ) k e y w o r d s ：s t r a wd e g r a d a t i o n ；m i x e dg e r m sf e r m e n t a t i o n ；e t h a n o lp r o d u c t i o n ； o p t i m u mf e r m e n t a t i o nc o n d i t i o n s v 目录 目录 第1 章绪论1 1 一 本课题研究意义l 1 2 秸秆的结构与性质1 1 2 1 纤维素概述2 1 2 2 木质素概述3 1 2 3 半纤维素概述4 1 3 微生物法处理秸秆的现状4 1 3 1微生物降解秸秆的机制5 1 3 2 可降解秸秆的微生物5 1 4 糖发酵生成乙醇的研究7 1 4 1己糖发酵生成乙醇7 1 4 2 戊糖发酵生成乙醇8 1 5本课题研究内容与创新点9 1 5 1本课题研究内容9 1 5 2 本课题创新点1 0 第2 章降解稻草纤维素产葡萄糖菌株的筛选1 1 2 1实验材料。1 1 2 1 1 样品1 1 2 1 2菌种1 1 2 1 3主要试剂和仪器1 1 2 1 4 培养基1 2 2 2实验方法1 3 2 2 1样品的处理13 2 2 2 试剂的配制1 3 2 2 3稻草的预处理1 4 2 2 4 纤维素酶生产菌的筛选1 4 v l 目录 2 2 5 葡萄糖标准曲线的制作1 4 2 2 6 酶液制备及酶活测定1 5 2 2 7 发酵液糖量的测定16 2 2 8 种子液的制备1 6 2 2 9 里氏木霉发酵产糖单因素试验：1 6 2 3 结果与分析17 2 3 1筛选结果17 2 3 2 里氏木霉发酵产糖单因素试验1 8 2 4 小结：2 l 第3 章降解稻草半纤维素产木糖菌株的筛选2 2 3 1实验材料2 2 3 1 1 样品2 2 3 1 2 主要试剂和仪器2 2 3 1 3 培养基2 2 3 2 实验方法：2 3 3 2 1 试剂的配制2 3 3 2 2 半纤维素降解菌的筛选2 3 3 2 3 菌株鉴定方法2 4 3 2 4 木糖标准曲线的制定2 4 3 2 5 酶液制备及酶活测定2 5 3 2 6 青霉发酵产糖单因素试验2 5 3 3 结果与分析2 6 3 3 1筛选结果2 6 3 3 2 鉴定结果2 6 3 3 3 酶活测定2 7 3 3 4 青霉发酵产糖单因素试验2 8 3 4 小结31 第4 章稻草木质素降解菌株的筛选3 2 4 1实验材料3 2 v i i 目录 4 1 1样品3 2 4 1 2 菌种3 2 4 1 3 主要试剂和仪器3 2 4 1 4培养基3 2 4 2实验方法3 3 4 2 1 试剂的配制3 3 4 2 2 木质素酶生产菌的筛选3 3 4 2 3 木质素酶活力测定3 3 4 2 4 发酵液糖量的测定3 4 4 2 5 菌种液的制备3 4 4 2 6 发酵培养及发酵液的处理i 3 4 4 2 7 平菇发酵产糖单因素试验3 4 4 3 结果与分析3 5 4 3 1筛选结果3 5 4 3 2 木质素酶活力测定3 6 4 3 - 3 平菇发酵产糖单因素试验3 7 4 4 小结3 9 第5 章混菌发酵降解稻草产糖的研究。4 0 5 1 实验材料4 0 5 1 1菌种4 0 5 1 2 主要试剂和仪器4 0 5 1 3培养基4 0 5 2 实验方法4 1 5 2 1 三菌株兼容性试验4 l 5 2 2 发酵液糖量的测定4 1 5 2 3 菌种液的制备4 1 5 2 4 混菌发酵稻草产糖工艺条件优化4 1 5 2 5 电镜样品制备。4 3 5 3 结果与分析。4 3 v 1 1 1 目录 5 3 1三菌株兼容性试验结果4 3 5 3 2 混菌发酵稻草产糖工艺条件的优化结果4 3 5 3 5 扫描电子显微镜观察4 6 5 4 小结4 7 第6 章利用木糖产乙醇菌株的筛选4 8 6 1实验材料4 8 6 1 1 样品4 8 6 1 2 主要试剂和仪器4 8 6 1 3培养基4 8 6 2实验方法4 9 6 2 1初筛4 9 6 2 2 菌种液的制备4 9 6 2 3 发酵复筛5 0 6 2 4乙醇标准曲线的制定5 0 6 3 结果与分析一：51 6 3 1 筛选结果5 1 6 3 2 鉴定结果5 1 6 3 3发酵复筛5 3 6 4 ，j 、结5 3 第7 章稻草糖化液产乙醇的研究5 4 7 1实验材料5 4 7 1 1 菌种5 4 7 1 2 主要试剂和仪器5 4 7 1 3培养基5 5 7 2实验方法。5 5 7 2 1安琪酵母菌株的活化5 5 7 2 2 酵母菌种子液的制备5 5 7 2 3 稻草糖化液产乙醇培养基的处理5 5 7 2 4 产乙醇发酵液的处理5 5 i x 目录 7 2 5乙醇含量和残糖量的测定5 6 7 2 6 葡萄汁酵母、裂殖酵母、啤酒酵母、安琪酵母发酵产乙醇能力的 比较5 6 7 2 7 补充氮源的选择5 6 7 2 8 稻草发酵糖化液添加酵母a 1 产乙醇试验5 6 7 2 9 混菌发酵产乙醇试验5 6 7 3 结果与分析5 7 7 3 1葡萄汁酵母、裂殖酵母、啤酒酵母、安琪酵母发酵产乙醇能力的 比较5 7 7 3 2 补充氮源添加物的选择5 8 7 3 3 稻草发酵糖化液添加酵母a l 产乙醇试验5 9 7 3 4 混菌发酵产乙醇试验5 9 7 4 小结6 0 第8 章结论与展望6 1 8 1 稻草糖化菌株的筛选6 1 8 1 1降解纤维素产葡萄糖菌株的筛选6 1 8 1 2 降解半纤维素产木糖菌株的筛选6 1 8 1 3 木质素降解菌株的筛选6 1 8 2 混菌发酵降解稻草产糖试验6 2 8 3 木糖发酵产乙醇菌株的筛选6 2 8 4 稻草糖化液产乙醇的研究6 2 8 5 展望6 3 致谢6 4 参考文献6 5 附录缩略语表6 8 攻读学位期间的研究成果6 9 x 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本课题研究意义 地球上每年大约形成1 0 0 0 亿吨植物有机物，是自然界分布最广、含量最多、 价格低廉而又可再生的资源。在我国，仅农业生产中形成的农业废弃物，每年 约有7 亿吨，工业生产中也产生大量的纤维废弃物。这些废弃物的利用率很低， 有的甚至污染了环境，成为社会公害。稻草秸秆是我国南方主要的纤维素秸秆， 一般都被直接焚烧，不仅污染环境而且利用率极低。另一方面，能源危机日益 威胁人类的生存，因而急需寻找替代能源。 随着绿色化学【l 】与生态农业1 2 】的理念深入人心，可降解再生资源的开发与利 用成为人类可持续发展的重点。对于目前木质纤维素三组分( 纤维素、半纤维 素、木质素) 在工业意义上的分离与利用情况而言，占绝对主导地位的还是纤 维素的分离与利用。分离所得纤维素可以用于造纸与纺织，其水解后的还原糖 可以用于乙醇发酵【3 】等多个领域。然而这样的分离方式是以尽可能保留碳水化合 物( 纤维素) ，破坏木质素等物质的天然结构为代价。由于纤维素的最终产物如 纸浆、生物转化后的乙醇以及与其他化学品结合改性生成的高分子材料等，其 自身价值的提升非常有限，这就使它在与其被替代品如石油化学品的竞争中总 是无法形成绝对优势。要改变这种现状，有两条出路，一条是进一步完善纤维 素的分离、开发与利用的技术手段以进一步降低成本；另一条或许也是更为合 理的一条，就是如何提升分离过程中的木质素与半纤维素的应用价值，找到它 们更多、更好的出路，才能真正解决好对木质纤维素原料的利用效率低的问题， 使纤维素、半纤维素、木质素真正走向生态化的全利用多级循环的道路。 1 2 秸秆的结构与性质 农作物秸秆的干物质一般由灰分、含氮化合物与非含氮化合物组成。含氮 化合物包括蛋白和其它含氮物；非含氮化合物约占秸秆干重的8 0 左右，主要 包括纤维素、半纤维素和木质素等。水稻、小麦、玉米等主要农作物秸秆的纤 维素含量为3 5 5 0 ，半纤维素含量为2 0 - - - 3 0 ，木质素含量为1 5 2 5 t 4 1 。 第1 章绪论 1 2 1 纤维素概述 纤维素分子是由大量的d 葡萄糖残基通过b 1 ，4 糖苷键连结而成的链状聚 合体，几十个纤维素分子平行排列组成一个小束，几十个小束又组成小纤维， 最后由许多小纤维构成一条植物纤维素。纤维素分子的聚合度变化范围很大， 一般为8 0 0 0 - 1 0 0 0 0 个葡萄糖残基【5 】。根据纤维素酶各组分酶功能的不同，可将 其成分划分为三大类【6 】。( 1 ) 葡聚糖内切酶( e n d o 1 ，4 - t 3 d g l u c a n a s e ) ，编码： e c3 2 1 4 ，简称e g 。这类酶是纤维素酶中最重要的酶，作用于纤维素内部非结 晶区，随机水解b 1 ，4 糖苷键，对长链纤维素分子进行截短，产生大量纤维素 末端，即带非还原性末端的小分子纤维素，能够快速改变纤维素的聚集状态1 7 j 。 ( 2 ) 葡聚糖外切酶( e x o 1 ，4 b d g l u e a n a s e ) ，又称为纤维二糖水解酶 ( c e l l o b i o h y d r o l a s e ) ，编码：e c3 2 1 9 l ，简称c b h 。这类酶作用于纤维素线状 分子末端，水解1 ，4 d 葡萄糖苷键，依次从纤维素分子中切下纤维二糖分子。 ( 3 ) 3 - 葡萄糖苷酶( b 1 ，4 g l u c o s i d a s e ) ，编号：e c3 2 1 2 1 ，简称b g 。这类 酶的可以将纤维二糖水解成葡萄糖，它在水解过程中能够大大减少低聚糖对外 切酶和内切酶的产物抑制例。 纤维素占植物干重的3 5 - - 5 0 ，是生物界中最重要的碳源物质，每年由光 合作用产生的植物干重约2 2 0 亿吨，其中纤维素占5 0 【9 】。对人类而言，它同时 又是自然界中数量最大的可再生性物质，它的降解是自然界碳素循环的中心环 节。纤维素酶却可将纤维素水解成葡萄糖，用于生产乙醇、有机酸等化合物， 将其转化为人类急需的能源、食物、化工原料，对于解决人类社会环境污染、 食物短缺和能源危机等都具有非常重大的现实意义。而纤维素被彻底分解而又 2 醛 合 出一一e 弋厂l 厂l 物 凯 椭 肭 秫 枞 栅 撇 第1 章绪论 无污染的一条有效途径，便是利用纤维素酶的水解作用。 纤维素酶在食品【l o 1 1 1 2 1 、发酵工业【1 3 1 、农副产品深加工、饲料【1 4 1 、医药、 纺织业f 1 5 】、环境保护和化工等领域都有着非常广阔的应用前景和应用潜力。2 1 世纪是知识经济时代，随着人们对纤维素酶研究工作的深人，纤维素酶必将在 食品，饲料，环境保护，能源和资源开发等各领域中扮演越来越重要的角色【1 6 1 。 我国纤维素酶产业尚处于研发初期，大部分依赖进口。因此，加大对纤维