研究目的及意义

随着煤炭、石油等不可再生资源储备逐渐减少，环境污染问题日益凸显，寻找可再生能源成为缓解能源危机和环境污染的有效途经^[1]。 全球每年会产生约 100亿吨的生物质能原料，在目前世界的能源消耗中生物质能耗占世界总能耗的14%，仅次于石油、煤炭和天然气，位居第四位。而在中国这样的发展中国家，生物质能耗达到50% 以上^[2]。利用木质纤维原料生产乳酸是目前许多国家的研究热点。

乳酸是世界上公认的三大有机酸之一，目前已广泛应用于环保、食品、医药和化妆品领域，尤其是以乳酸为单位形成的聚合材料-聚乳酸，被认为是最有潜力的可生物降解高分子材料，有望代替聚丙烯、聚乙烯、聚丙乙烯等不可降解的塑料，消除“白色污染”，因此具有广泛的应用前景^[3]。

木质纤维原料全组分的利用是植物纤维原料高效转化为乳酸的关键问题之一。直接的木质纤维素原料由于成分复杂无法直接被利用，在发酵前必须对其进行预处理，然而在预处理的过程中不可避免的会产生对微生物发酵具有抑制效果的抑制物。抑制物的存在极大的限制了微生物直接利用预处理后的木质纤维原料，很多时候都需先对其进行脱毒，但脱毒步骤增加了微生物发酵成本，会导致一部分可发酵糖的损失。而且由于菌种的限制，当前在以木质纤维原料为底物发酵时，一般需要经过多段工艺：原料预处理、脱毒、酶解及水解液发酵，导致发酵效率不高，限制了木质纤维素发酵生产乳酸的工业化。

凝结芽孢杆菌是一种近年来受到广泛关注的可利用木糖的工业乳酸菌，可通过同型发酵将葡萄糖及木糖转化为L-乳酸。且凝结芽孢杆菌与其他菌相比，具有发酵过程易控制，可开放式发酵等优点。本课题旨在在实验室前期的实验基础上，以筛选出的一株能耐受抑制物的凝结芽孢杆菌B.coagulans GKN316为实验菌，以预处理的玉米秸秆为底物。在对玉米秸秆经预处理后，不经过固液分离和脱毒，直接进行同步糖化发酵生产乳酸。

国内外研究概况

木质纤维素原料的结构与性质

木质纤维原料是一种具有高度结晶区、结构非常稳定的超分子物质，组成部分主要有纤维素、半纤维素和木质素。其中纤维素含量约为30%-45%，半纤维素含量约为20%-30%，木质素含量约为10%-30%^[4]。

纤维素是beta;-D-吡喃型葡萄糖通过beta;-1,4-糖苷键连结而成的线性分子^[5]，纤维二糖苷是其重复单元。纤维素间通过分子间、分子内氢键和范德华力连结。其中，氢键作用使纤维素分子链具有较大张力，使其很难溶于包括水在内的大部分溶剂中。纤维素分子互相作用形成更为复杂的基元纤维、微纤维等纤维素聚合物。

半纤维素是由戊糖（木糖和阿拉伯糖）、己糖（甘露糖葡萄糖和半乳糖）和糖醛酸（葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸）组成的异质多聚体^[6]，结构和组成更加复杂多样。半纤维素的分子量小于纤维素，而且剧烈条件下其短链分支结构容易水解。自然界最丰富的木质素主要为木聚糖，含多个beta;-D-木二糖残基由beta;-1,4-糖苷键连结组成。

木质素是通过醚键和碳键连结苯丙烷单元组成的分类高聚合物，由各种官能团形成一个非常复杂的矩形，赋予木质素大分子的高极性，其主要作用是连结纤维素和半纤维素，一般认为木质素很难用于发酵底物。在木质纤维素原料中，木质素由三种木质素单体组成：愈创木质素（G-木质素）、紫丁香木质素（S-木质素）和对羟基苯基木质素（H-木质素）。

木质纤维素原料化学预处理工艺

木质纤维素材料是缓解能源的丰富原料，但木质纤维素中的生物聚合物相互交织紧密联系，纤维素被半纤维素和木质素包围在内，使木质纤维素材料结构坚固，造成降解困难。因此在木质纤维素酶解前需要进行预处理，主要目的是出去木质素，分离纤维素和半纤维素，解聚部分纤维素，增加其可接触的表面积，增加孔隙率，使将要进行的酶解步骤效率增加。化学预处理法法主要是指以酸、碱、有机溶剂作为物料的预处理化学试剂，破坏纤维素的晶体结构，打破木质素与纤维素的连结，同时使半纤维素溶解。目前，常用的化学预处理方法主要有：酸水解、碱水解、有机溶剂法和新型的亚硫酸盐处理法等。