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摘 要

细菌纤维素（Bacterial cellulose，简称BC）是一类由微生物产生的纤维素，相比于植物纤维素，细菌纤维素具有更多的优良特性。本文以农业副产品玉米秸秆为原料，将其进行预处理并用纤维素酶酶解，通过液相色谱法测定酶解糖液浓度，其最大糖含量为4.34 %。再以该秸秆糖液为碳源，制备细菌纤维素膜。实现了秸秆材料的再利用。

关键词：玉米秸秆，预处理，酶解，细菌纤维素膜，制备

Abstruct: Bacterial cellulose (abbreviated as BC) is a kind of cellulose produced by microorganisms. Compared with plant cellulose, bacterial cellulose has more excellent characteristics. In this paper, corn straw, an agricultural by-product, was used as a raw material. It was pretreated and digested with cellulase. The concentration of enzymatic hydrolysate was determined by liquid chromatography. The maximum sugar content was 4.34 %. The straw cellulose solution was used as a carbon source to prepare a bacterial cellulose membrane. The reuse of straw materials has been realized.

Keywords：Corn stalks, Pretreatment, Enzymolysis, Bacterial cellulose membrane, Preparation

目录

1 前言 4

1.1 玉米秸秆的组成及利用 4

1.1.1 玉米秸秆的组成成分 4

1.1.2 玉米秸秆的预处理方法 4

1.1.3 玉米秸秆的酶解及酶解糖液的应用 5

1.2 细菌纤维素的概况 5

1.2.1 合成细菌纤维素的微生物 5

1.2.2 细菌纤维素的生物合成 6

1.2.3 细菌纤维素的培养方式 6

1.2.4 细菌纤维素的应用 6

2 实验部分 7

2.1 实验材料 7

2.2 实验方法 8

2.2.1 玉米秸秆的预处理 8

2.2.2 纤维素酶水解玉米秸秆 8

2.2.3 细菌纤维素膜的制备 8

2.2.4 细菌纤维素膜的处理方法 9

3 结果与讨论 9

3.1 液相色谱法测定葡萄糖浓度 9

3.2 玉米秸秆酶解糖液中葡萄糖浓度的测定 10

3.2.1 液相色谱法测定玉米秸秆酶解糖液中葡萄糖浓度 10

3.2.2 折射率法测定玉米秸秆酶解糖液浓度 11

3.3 玉米秸秆酶解糖液制备细菌纤维素 12

结论 15

参考文献 16

致谢 18

前言

我国是个工农业大国，生物质资源十分丰富。与传统的化石燃料相比，生物质能源具有原料来源广泛、绿色环保、可再生等特点，应用前景广阔^[1]。近年来，生物质能源越来越受到众多科研人员的重视。

1.1 玉米秸秆的组成及利用

1.1.1 玉米秸秆的组成成分

我国的生物质资源十分丰富，玉米秸秆在其中占了很大比重^[2]。其主要成分就是纤维素、半纤维素以及木质素^[3]。在这些成分中，半纤维素最容易被降解为单糖，这些单糖主要为木糖^[4]，但也包括了少量的半乳糖 、甘露糖以及阿拉伯糖等单糖。纤维素在玉米秸秆总重量中约占百分之四十。天然纤维素的结晶结构复杂，很难被自然降解。因此要采用特殊的方法对天然纤维素进行处理。

1.1.2 玉米秸秆的预处理方法

玉米秸秆的预处理方法有很多，主要分为两类：物理法以及化学法。

物理法是将一些半纤维素从玉米秸秆中分离出来并降解，以此增加酶和纤维素的触及率，提高纤维素的酶解转化率，目前研究较多的物理法^[5]有蒸汽爆破、膨化、射线辐照、微波等方法。

化学法有酸水解法、碱法、湿氧化法、臭氧分解法、有机溶剂法、蒸汽爆破法等^[6]。在这里，我们采用碱式蒸煮法移除玉米秸秆中的木质素，破坏天然纤维复杂的刚性结构，提高酶解效率。

碱预处理法^[7]：利用木质素可溶于碱的特点，用稀氢氧化钠进行处理，破坏木质素对纤维素的包裹作用，达到分离二者的目的。

图1.1和图1.2为玉米秸秆预处理前后的电镜对比图。

图1.1 玉米秸秆预处理前 图1.2 玉米秸秆预处理后

1.1.3 玉米秸秆的酶解及酶解糖液的应用

在将纤维素转化为可利用资源的过程中，酶解糖化是十分重要的一步^[8]。预处理后的秸秆需要经过生物酶的酶解才能转化为糖。由于天然纤维素的结构复杂，单一的酶对其的酶解效率一般都不高，因此，在实验室中，我们常选择纤维素酶对玉米秸秆进行酶解。纤维素酶是一种复合酶系^[9]，其中的多种酶类组成了一个复杂的生物酶系，在整个生物酶系的协同作用下，玉米秸秆中的纤维素降解效率将大大提高。

在玉米秸秆经过酶解后将产生酶解糖液。目前将酶解糖液用来进行发酵成燃料乙醇的技术已成熟，并已投入了工业生产形成了一条成熟的产业链。除了用来发酵乙醇外，还可以将秸秆酶解糖液作为碳源来制备细菌纤维素。

1.2 细菌纤维素的概况

细菌纤维素是由葡萄糖以β-1，4-糖苷键聚合而成的高分子^[10]。在细菌纤维素的形成过程中，这些高分子发生聚合，最终形成了具有超细网状结构的细菌纤维素膜，这使细菌纤维素膜具备了许多良好的性能，例如结晶度高，具有良好的吸水性及亲水性，机械性能好等特点。除此之外，BC的生物合成具有可调控性，且它的生物适应性好，易于降解，是一种良好的环保材料。由于BC所具有的诸多良好性能，使其广泛的应用于各个领域。细菌纤维素在一些发达国家的产业化已经成熟，主要涉及了化工生产、食品、医药等行业。细菌纤维素的商业应用广泛^[11]。而我国对细菌纤维素的研究还处于初级阶段，还未形成成熟的产业链。在世界人口不断增长、资源日益短缺的情况下，细菌纤维素作为一种对环境友好、可再生的生物材料，蕴藏着极大的商业价值和良好的发展前景^[12]。

1.2.1 合成细菌纤维素的微生物

目前研究表明，能生产BC的微生物主要有醋酸杆菌属、产碱菌属、固氮菌属、根瘤菌属、八叠球菌属、假单胞菌属、无色杆菌属、气杆菌属等属的菌株，其中醋酸杆菌属中的木醋杆菌合成纤维素的能力最强，最具有大规模的生产能力，常被作为研究用的模式菌株，研究的较为透彻^[13]。

在本文中，主要以红茶菌为菌种制备细菌纤维素。红茶菌^[14]是一种复合菌，里面包含了酵母菌、乳酸菌以及木醋杆菌等菌种。由于多菌种间会有协同作用，使得以红茶菌为菌种制备细菌菌纤维素的效率比单菌种的效率高的多。

1.2.2 细菌纤维素的生物合成

细菌纤维素的生物合成过程较的为复杂，一般可以分为聚合、分泌、组装与结晶四个大过程，这四个过程是高度藕合的，并且和细胞膜上的特定位点密切相关^[15]。具体的合成过程如图1.3所示。

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