编号：103001054048本科毕业论文题目：纤维素降解的研究进展学院：生命科学学院专业：生物技术年级：2010级姓名：邹千稳指导教师：黄凤兰（教授）完成日期：2014年 5月28日目录封面............................................................................... .. (1)目录............................................................................... .. (2)中文摘要及关键词 (3)英文摘要及关键词 (4)引言................................................................................ (5)1 纤维质材料的预处理 (7)1.1纤维素的结构及物理性质 (7)1.2运用物理方法对生物质材料进行预处理 (8)1.3运用化学方法对生物质材料进行处预理 (8)2 利用产纤维素酶的真菌对预处理后的材料进行混合发酵 (10)2.1纤维素酶的种类与理化特性 (10)2.2纤维素酶的生产与获得 (12)2.3选用菌种的组合 (13)2.4混合发酵的条件 (13)结束语................................................................................ (16)参考文献................................................................................ (17)发表论文................................................................................ (21)致谢 (22)摘要纤维素具有经过生物发酵转化为乙醇的巨大潜力，各国科学家都为此作了不少的工作，使得纤维素的生物降解工作取得了一定的进展，本文针对目前研究人员在生物质材料的预处理和纤维素混合发酵方面所做的工作，简要阐述纤维素降解的研究进展。
关键词：纤维素；预处理；发酵；生物降解AbstractCellulose has tremendous potential to be biological fermented into ethanol, so Scientists who come from all over the world have made a lot of work for it,. At the same times，because researchers have made a lot of work for which each link, biodegradation of cellulose has obtained certain achievements, this article is in view of the present researchers about cellulose material pretreatment stage and fermentation stage have done a brief in this paper.Key words: Cellulose; Pretreatment; Fermentation; Biodegradable引言改革开放以来，我国在各个领域都取得了不小的成就，但是各种各样的问题也逐渐体现出来，能源短缺和环境污染问题尤为突出，各种化石能源的短缺严重影响着我国的经济发展，同时由于化石燃料燃烧所带来的污染问题也威胁着每一个人的健康，怎样才能有效地解决这两个问题，成为了各国科学家密切关注的问题。
纤维素类物质是自然界中含量最多，同时也是获取成本最低的一类可再生资源。
据不完全统计，全世界的所有植物体每年可以合成将近1500亿t的干物质,这其中绝大部分都是纤维素和半纤维素[1～3]。
这么大数量的纤维素类物质如何处理，如何运用对人类来说既是一种挑战，也是一种潜在的财富。
从目前的情况来看，每年自然界中的各种植物通过光合作用将太阳能最终转化为稳定的化学能，这其中绝大部分的化学能都是以纤维素和半纤维素以及木质素的形式存在，可直接被人类高效利用的化学能只占其中很少的一部分。
在广大的发展中国家，由于经济有限，为了获取低廉的能源，农民往往采用直接焚烧的方法低效率地来获取蕴藏其中的化学能。
这样一来，大量的能源就被浪费了，同时产生大量有害气体，引发雾霾天气和温室效应，严重威胁人类健康和整个地球的生存环境。
如果能够采用一定的手段将天然的纤维素转化为可以利用的糖类，在进一步利用各种各样的方法将其转化为乙醇和气体燃料，毫无疑问这将对解决当前能源短缺的问题具有重大意义，同时对于目前的环境问题，比如温室效应和雾霾问题的解决将会得到非常有效地解决方案。
鉴于此，许多科研人员投入了大量的时间和精力试图去解决这个问题。
在一般情况下，纤维素在自然界中不太容易降解，即便是降解，也只是在特定的环境下，比如非洲的热带雨林中。
在这种温暖潮湿且富含某些能分解纤维素内细菌的情况下，纤维素的降解才能有所加快。
很显然，自然条件下纤维素的分解速度，以及分解产物还不能满足人类的需求，为了加快纤维素的分解，以及在人为的控制下使纤维素的分解能够满足人类的需求，科研人员想了很多的办法。
首先，从原材料入手，科研人员对实验对所得到的原始材料进行了一定的预处理，然后寻找到纤维素酶在何种生化条件下催化效率最高，最后还考虑了纤维素酶的回收利用问题，通过一定的方法将用过的纤维素酶回收再利用。
通过这一系列的措施，在一定程度上提高了纤维素的发酵效率。
但是，目前的情况依然离期望的还有一定差距。
这其中最主要的因素就是纤维素酶，寻找到廉价、高效、化学敏感性低的新一代纤维素酶这将是下一个阶段研究的重点。
1 纤维质材料的预处理1.1纤维素的结构及物理性质根据Ｘ-射线影像技术可以发现纤维素由结晶区和无定形交替排列而成。
结晶区和无定形区的形成是由于纤维素大分子之间形成氢键的多少、强弱的不同造成的。
结晶区分子排列紧密，且具有一定规律，可以看到清楚的Ｘ-射线衍射图谱；但是无定形区域的分子则相对比较松散，而且排列几乎没有规律，同时也看不到清楚的Ｘ-射线衍射图谱。
由于纤维素分子的内部链接方式是一个葡萄糖羟基上的氢与相邻葡萄糖羟基上的氧之间结合形成氢键，大量的葡萄糖分子以这种方式连接在一起，使得纤维素分子在常温下比较稳定。
通常情况下，纤维素一般难溶于水，同时也难溶于有机类的溶剂，例如丙酮、酒精、苯等。
复杂的高分子纤维素最终水解得到的单糖产物是葡萄糖，在纤维素分子内部，葡萄糖分子之间相互以1，4键结合，所形成的糖苷键是β式。
最终水解之后得到的产物是β-Ｄ葡萄糖，这种葡萄糖可以用于下一阶段的微生物发酵生产乙醇。
由于最初在大自然中得到的生物质材料除了含有大量的纤维素之外，还含有难以降解的木质素和半纤维素，杂聚多糖半纤维素和难以降解的木质素紧紧地包裹在纤维素的外表，使得纤维素酶难以接触到纤维素将其进行催化分解。
因此，如果要对生物质材料中的纤维素发酵，首先必须对其进行预处理，降解半纤维素，去除木质素，同时还要改变纤维素的晶体结构，使其变得松散容易被降解，见图１。
图１生物质材料预处理前后的效果图Picture1 the pretreatment of biomass material rendering1.2运用物理方法对生物质材料进行预处理首先将收集到的富含纤维素的生物材料洗净。
然后使用大型工业研碎设备将生物材料粉碎，接着再用纯水在高温高压的条件下对生物材料进行特殊的处理。
大致流程见图２：图２物理方法对生物质材料预处理流程Picture2 The flow chart of of Physical methods biomass material 在高压的情况下，可以使纯水的温度达到将近200℃，这时水的pH值由一般情况下的7下降到5，同时在这种高温、高压、低pH环境的情况下，水分子将会进入到预处理材料的内部，一旦水分子进去将会加快纤维素的水解。
由于在此情况下，水的pH值只有5，会电离出大量的H﹢，使得原材料里含有的半纤维素溶解，并且大部分的木质素也会被溶解，然后用水对处理材料进行清洗，最后剩下可以用于微生物发酵的纤维素。
很显然，用纯水来处理原始材料还有一个非常好的优点，那就是不用其他的化学物质参与，避免了引入其他影响微生物发酵的物质。
但是这种处理方法也有缺点，那就是用水冲洗过程中将会降低最后的总糖产率[4]，同时水解率虽然有所提高，但是结果仍然不太理想。
1.3 运用化学方法对生物质材料进行预处理1.3.1使用稀NaOH对生物质材料进行预处理一般的情况下，使用低浓度的NaOH来对材料进行预处理，可以使得材料中含有的木质素更好地脱离，这将对后续工作带来便利。
但是使用NaOH也会产生一些问题，由于NaOH的存在会影响后续的微生物发酵，所以必须对NaOH进行回收或者是中和以及洗涤，然而这一系列工作下来将会大大提升材料预处理的成本，因此，此方法还有待进一步提升。
1.3.2 使用氨对生物质材料进行预处理随着研究的深入，关于氨对材料进行的预处理研究方面，科研人员取得了十足的研究成果。
研究人员发现，用氨来对含纤维素的材料进行预处理，一方面可以大大地加快纤维素的降解，另一方面氨气还便于回收再次利用[5]。
若是采用液氨来对生物质材料进行浸泡，即在较低的温度（20℃～55℃）下，用一定浓度的液氨对生物质材料进行浸泡，虽然使用液氨对生物质材料进行浸泡并不能保证将绝大部分的半纤维素去除掉，但是却可以在一定程度上促进纤维素酶对纤维素的降解。
由于纤维素酶中含有一定量的半纤维素酶，在合适的条件下，通过进一步的发酵就可以生成含有木糖和葡萄糖的混合液，最终使用适当的酵母发酵生成酒精。
1.3.3使用Ca(OH)2对生物质材料进行预处理按照Ca(OH)2:H2O:生物质材料为1:50:10的比例混合之后进行堆积处理，这个方法所需要的条件要求较低，一般情况只要温度高于30℃即可，而且可以在露天的情况下即可，不需要什么复杂高端昂贵的容器，也不需要另外加入其他的化学物质，比较其他方法来讲，此法经济实惠而且安全度较高，但是用这种方法消化生物素物质的效率太低，只能除去大约30%的木质素，如果用来处理那些含木质素较低的生物质材料还是比较理想的办法[6]。
1.3.4使用稀酸对生物质材料进行预处理目前的情况来看，利用稀酸来预处理生物质材料科研人员研究的比较细致。