摘要: 玉米秸秆（CS）作为玉米田收割后的剩余物，是世界上丰富的农业废弃物之一，占粮食总量的47-50%。全球CS的年总产量为16.6125亿吨，占全球农业废弃物总量的27.2%，因其在经济上具有潜在竞争性并且对环境友好等优势，CS被视为生产生物燃料和生物基化学... 展开 玉米秸秆（CS）作为玉米田收割后的剩余物，是世界上丰富的农业废弃物之一，占粮食总量的47-50%。全球CS的年总产量为16.6125亿吨，占全球农业废弃物总量的27.2%，因其在经济上具有潜在竞争性并且对环境友好等优势，CS被视为生产生物燃料和生物基化学品的理想原料，其中以生产生物乙醇最具有代表性。近年来，随着人们对木质纤维素生物质的关注，以CS作为原料生产生物乙醇成为了研究热点，目前的研究主要集中在利用普通玉米秸秆（NCS）中不可溶的多糖，通过昂贵的酶将其水解为可发酵性糖，最后以可发酵性糖生成生物乙醇。然而，该方法存在着生产性能较低以及生产成本高等问题，制约了生物乙醇生产的工业化进程。因此，CS中的可溶性糖可能是极具潜力的原料替代品，但NCS中的可溶性糖含量较低。有鉴于此，本研究利用前期开发的高糖秸秆（HSS），以HSS为原料生产生物乙醇，优化生产发酵工艺，实现生物乙醇产量最大化。 取得的主要研究结果如下： （1）基于前期经甜玉米和大田玉米基因型之间的杂交筛选的四个新型高糖基因型或杂交种（HSG），包括UM.NF-1、UM.NF-4、UM.NF-6和UM.NF-11，首先本研究对其进行了成分分析和乙醇发酵能力测试，以HSG的各自亲本玉米基因型（PFC-1、PFC-4、PFC-6和PFC-11）的四个NCS系统作为对照，比较HSS和NCS系统之间的成分和生物乙醇发酵能力差异。另外，由于可溶性糖含量随着植物生长存在着显著变化，接着对蜡熟期（R4）、凹陷期（R5）和成熟期（R6）阶段的样品分别进行了研究。结果显示，NCS和HSS的水溶性碳水化合物（WSC）含量从R4阶段到R6阶段有所下降，但HSS中的WSC含量在所有阶段均显著高于NCS（plt;0.05），其中HSS系统的WSC含量最高。HSS在R4阶段的总可溶性糖（TSS）含量和生物乙醇产量最高，分别达到了29.2%和204.8g/kg。因此，选择HSS（R4阶段）中的UM.NF-6作为新的生物质原料进行下一步研究。 （2）以R4阶段的HSS（UM.NF-6）作为原料，运用单因素实验法和响应面法（RSM）优化了稀酸（DA）的处理过程，以获得最佳的HSS预处理条件。结果表明，当DA预处理的最适温度、酸浓度和反应时间分别为155℃、0.5%和30min时，总糖的产量最高。基于该最佳的预处理条件，在10%固体负载（SL）条件下，总糖产量达到了76.51g/L，产率为97.15%；在20%SL条件下，总糖产量增加到了126.9g/L，但产率下降到82.47%。此外，该条件下还产生了3.89g/L的乙酸盐、0.92g/L的5-羟甲基糠醛（HMF）、0.82g/L的糠醛和3.75g/L总酚类化合物（TPC）等副产物。 （3）在确定最佳预处理条件后，采用整体浆液（WS）水解（WSH）技术对纤维素进行酶解，使用整体预处理浆液（WPS）代替传统的固液分离方法。然而，由于WPS中含有不溶性固体、木质素和抑制剂，WSH条件下20%固体负荷的纤维素水解受到严重影响，酶活性降低，导致纤维素水解效率（CHE）仅为42.09%。使用经过解毒处理的WPS进行进一步分析发现，抑制剂是导致CHE较低的主要原因，在20%SL条件下，经脱毒处理后CHE增加到了59.52%。此外，酶活性较低的原因还由于其与木质素的非生产性结合所致。为了克服木质素和抑制剂的抑制作用，对WSH进行了系统的优化，添加了2%的丁香酸以减少抑制剂的影响，添加0.4%的聚乙二醇以减少酶的结合，同时优化酶混合物。结果显示，基于以上条件的优化，在20%的固体负载下，CHE增加到了90.7%，水解产物中可发酵糖的总浓度可达142.87g/L。 （4）利用大肠杆菌将获得的水解产物进行用于全浆发酵（WSF），由于糖消耗较慢，木糖残留未转化，乙醇产率较低，为44.87%。为提高乙醇产量，加入酿酒酵母进行双菌共培养，乙醇的产率达到了66.94%，但木糖的转化率并没有显著的提高。随后，将甜菜碱和焦亚硫酸钠添加到培养基中以降低抑制剂的毒性，乙醇的产量达到了53.18g/L，产率为72.9%。此外，为进一步提高发酵效率，采用双相同步糖化发酵（DP-SHCF）策略，使用WPS代替WS水解产物，该策略在第一阶段消耗来自WPS的木糖和其他糖，之后在第二阶段水解纤维素。结果表明，基于DP-SHCF策略乙醇产量得到显著提高，达到了63.14g/L，产率为84.29%，生产强度为0.88g/L/h。 收起