本發明涉及木質纖維素類原料生產乙醇領域，尤其是一種利用微生物對玉米秸稈水解糖化預處理的方法和應用。
背景技術：
利用秸稈生產酒精已經成為傳統化石燃料能源的主要替代品，但由于秸稈中木質纖維素中生物聚合物相互交織緊密聯系的結構特點，使其水解的效率很難提高。近年來，人們在在食用菌的生產過程中，發現糙皮側耳可以在一定程度上可以降解秸稈中的木質素。在自然界中，雜色云芝是降解秸稈效率較高的菌株。
目前，乙醇作為安全、潔凈的燃料及汽油添加劑已經備受關注，大力發展可替代傳統汽油的新型燃料勢在必行。而乙醇汽油就是一個很好的解決方案，傳統的乙醇發酵工業主要以玉米、小麥等糧食淀粉或甘蔗汁為原料，但其原料成本高達總成本的40％。而中國地少人多的國情現狀，也決定基于糧食為原料的乙醇大規模生產必將導致“與人畜爭糧，與糧食爭地”的不利局面。在我國利用甘蔗等糖料作物生產燃料乙醇也將受到土地資源和原料成本的限制而無法大規模推廣。生物質是一種重要的可再生資源，利用生物質生產燃料乙醇是一種新的能源利用形式，環境污染小，是目前的研究熱點。我國生物質原料豐富，其中玉米秸稈年產量高達7億多噸，占生物質原料的35％。如果能將生物質資源轉化為可利用的液體或氣體燃料，將有力緩解人類所面臨的資源危機、能源短缺及環境污染等一系列問題，具備很好的應用前景。
通過秸稈生產燃料乙醇的主要方法之一是通過微生物水解產糖然后利用釀酒微生物生產燃料乙醇。但由于秸稈中木質纖維素中生物聚合物相互交織緊密聯系的結構特點，使其水解的效率很難提高。木質素中一般含有松柏醇、芥子醇和對香豆醇三種不同類型的苯基丙烷單體，它們隨植物品種、植物年齡甚至細胞壁形態部位的不同而存在著不同的比例。由于這三類醇的共聚化產生不均勻的、無旋光性的、交叉鍵合、高度分散性及高度抗生物降解性的芳香高聚物，對絕大多數微生物的攻擊均有抗性。因此，木質素的分解特別慢，而且在完整的木質組織中，木質素是以一種物理屏障存在的，它包圍纖維素，成為外圍基質，保護纖維素免遭微生物襲擊和降解酶的進攻，其降解必須先于纖維素分解。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種利用微生物對玉米秸稈水解糖化預處理的方法和應用，通過利用微生物對秸稈進行預處理生產酒精，為秸稈生產酒精提供新的生產工藝方法。
為了達到上述目的，本發明的技術方案是：
一種利用微生物對玉米秸稈水解糖化預處理的方法，包括以下步驟：
(1)將玉米秸稈粉碎后，過篩，置于干燥器中備用；
(2)玉米秸稈置三角瓶中，經高壓滅菌后，接入雜色云芝與糙皮側耳混合菌液、無菌無機鹽以及石膏粉，最后加入無菌水，混勻后放入恒溫培養箱中進行微生物培養，待培養完畢后，將玉米秸稈依次進行真空抽濾、清洗和烘干，得到預處理的玉米秸稈。
所述的利用微生物對玉米秸稈水解糖化預處理的方法，步驟(2)中，反應體系的固液質量比例為1：5～50。
所述的利用微生物對玉米秸稈水解糖化預處理的方法，步驟(2)中，反應體系的混合菌液接種量為10ml～100ml/l。
所述的利用微生物對玉米秸稈水解糖化預處理的方法，步驟(2)中，混合菌液中雜色云芝與糙皮側耳的混合質量比例為1:0.1～10。
所述的利用微生物對玉米秸稈水解糖化預處理的方法，步驟(2)中，無機鹽的種類為kh2po4、mgso4、feso4、cacl2之一種或兩種以上，秸稈與無機鹽的質量比例為10～150：1，秸稈與石膏粉的質量比例為50～200：1。
所述的利用微生物對玉米秸稈水解糖化預處理的方法，步驟(2)中，微生物培養的溫度為20℃～50℃，微生物培養的時間為7天～30天。
所述的利用微生物對玉米秸稈水解糖化預處理的應用，預處理的玉米秸稈在生物質燃料乙醇或生物質發酵工程中應用。
本發明的設計思想是：
近年來，人們在在食用菌的生產過程中，發現糙皮側耳在一定程度上可以降解秸稈中的木質素。在自然界中，雜色云芝是降解秸稈效率較高的菌株。本發明針對糙皮側耳和雜色云芝的特性，根據二者在混合條件下對秸稈水解糖化處理過程的影響，探究出玉米秸稈在雙菌作用下水解糖化的最佳工藝條件，旨在為秸稈生產酒精提供新的生產工藝方法。秸稈類原料的主要是由纖維素、半纖維素和木質素通過共價鍵聯結成網絡結構，導致纖維素后續糖化水解效率低，乙醇產率低。所以，需要通過預處理，破壞木質素對纖維素和半纖維素的包裹，降低纖維素的結晶度，提高后續糖化效率，進而提高生物質利用率。
本發明的優點及有益效果是：
(1)本發明方法對條件要求溫和，無需高溫高壓設備，對設備要求低，低能耗且不產生有毒有害，適合工業化生產。
(2)本發明生產成本低廉，菌種保藏后可長時間使用。
(3)本發明不產生有毒有害廢物，對環境危害較小。
(4)利用本發明預處理后的秸稈還原糖產量提高32％，最高可達到37％。
附圖說明
圖1為本發明木質素降解的流程示意圖。
具體實施方式
在具體實施過程中，利用微生物對玉米秸稈水解糖化預處理的方法，包括以下步驟：
(1)選取玉米秸稈，經粉碎后過篩選取；
(2)將玉米秸稈置于三角瓶中滅菌處理，然后接入雜色云芝以及糙皮側耳，24℃條件下培養7～20天，待培養結束后，將玉米秸稈依次進行真空抽濾、清洗和烘干，得到預處理的玉米秸稈，然后經水解產糖。
雜色云芝降解木質素產物所含碳、甲氧基、氫比底物素少，而含較多氧、羰基，相對來講芳香性降低，αβ不飽和鏈烴增加，但與原底物的分子量接近。因此，根據其降解產物分析，木質素降解的過程可分為：脫甲基和羥基并形成多酚類結構；加氧裂解多酚環，產生鏈烴；水解使脂肪烴縮短。酶系是在胞外或束縛于細胞壁上，其生產的酶系主要包括漆酶(lac)、過氧化物酶(lip)以及錳化物酶(mnp)。
如圖1所示，本發明玉米秸稈生產乙醇的預處理方法，玉米秸稈與芬頓試劑的主要反應過程如下：
過氧化物酶+h2o2→酶復合物ⅰ+h2o(1)
酶復合物ⅰ+sh2→sh*+酶復合物ⅱ(2)
酶復合物ⅱ+sh2→sh*+過氧化物酶(3)
2sh*+2(木質素)→2(木質素自由基)+2sh2(4)
總反應：h2o2+2(木質素)→2(木質素自由基)+h2o
下面結合實施例進一步闡述本發明，應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用于說明和解釋本發明，并不用于限制本發明。
實施例1
本實施例中，利用微生物對玉米秸稈水解糖化預處理的方法，包括以下步驟：
1、將玉米秸稈粉碎后，過40目篩，置于干燥器中備用。
2、稱取10g秸稈置于三角瓶中，用紗布和牛皮紙密封后與121℃高壓100kpa蒸汽滅菌30分鐘。
3、向瓶中加入10ml雜色云芝與糙皮側耳混合菌液(雜色云芝與糙皮側耳的混合質量比例為1:1)、0.3克kh2po4、0.1克石膏粉，并添加無菌水補至100ml。24℃條件下反應7天，真空抽濾、清洗后105℃烘干，得到預處理的玉米秸稈。
實施例2
本實施例中，利用微生物對玉米秸稈水解糖化預處理的方法，包括以下步驟：
1、將玉米秸稈粉碎后，過40目篩，置于干燥器中備用。
2、稱取10g秸稈置于三角瓶中，用紗布和牛皮紙密封后與121℃高壓100kpa蒸汽滅菌30分鐘。
3、向瓶中加入20ml雜色云芝與糙皮側耳混合菌液(雜色云芝與糙皮側耳的混合質量比例為1:2)、0.3克mgso4、0.1克石膏粉，并添加無菌水補至100ml。24℃條件下反應7天，真空抽濾、清洗后105℃烘干，得到預處理的玉米秸稈。
實施例3
本實施例中，利用微生物對玉米秸稈水解糖化預處理的方法，包括以下步驟：
1、將玉米秸稈粉碎后，過40目篩，置于干燥器中備用。
2、稱取10g秸稈置于三角瓶中，用紗布和牛皮紙密封后與121℃高壓100kpa蒸汽滅菌30分鐘。
3、向瓶中加入30ml雜色云芝與糙皮側耳混合菌液(雜色云芝與糙皮側耳的混合質量比例為1:3)、0.3克cacl2、0.1克石膏粉，并添加無菌水補至100ml。24℃條件下反應7天，真空抽濾、清洗后105℃烘干，得到預處理的玉米秸稈。
實施例4
本實施例中，利用微生物對玉米秸稈水解糖化預處理的方法，包括以下步驟：
1、將玉米秸稈粉碎后，過40目篩，置于干燥器中備用。
2、稱取10g秸稈置于三角瓶中，用紗布和牛皮紙密封后與121℃高壓100kpa蒸汽滅菌30分鐘。
3、向瓶中加入40ml雜色云芝與糙皮側耳混合菌液(雜色云芝與糙皮側耳的混合質量比例為1:0.6)、0.3克feso4、0.1克石膏粉，并添加無菌水補至100ml。24℃條件下反應7天，真空抽濾、清洗后105℃烘干，得到預處理的玉米秸稈。
實施例5
本實施例中，利用微生物對玉米秸稈水解糖化預處理的方法，包括以下步驟：
1、將玉米秸稈粉碎后，過40目篩，置于干燥器中備用。
2、稱取10g秸稈置于三角瓶中，用紗布和牛皮紙密封后與121℃高壓100kpa蒸汽滅菌30分鐘。
3、向瓶中加入50ml雜色云芝與糙皮側耳混合菌液(雜色云芝與糙皮側耳的混合質量比例為1:0.3)、0.2克cacl2、0.1克mgso4、0.1克石膏粉，并添加無菌水補至100ml。24℃條件下反應7天，真空抽濾、清洗后105℃烘干，得到預處理的玉米秸稈。
應用例
將實施例1至5中預處理的玉米秸稈，應用在生物質燃料乙醇或生物質發酵工程中，實驗數據和技術效果如下：
用雜色云芝與糙皮側耳雙菌混合預處理玉米秸稈生產還原糖的產量實驗，在產糖高峰的菌劑添加量30ml/l處理條件下時，還原糖得率相對較高為20.1％，還原糖產量可提高32％。不同添加比例的混合菌液預處理秸稈還原糖糖產量見表1。
表1不同混合菌液添加量預處理秸稈前后還原糖糖產量變化
實施例和應用例結果表明，通過本發明玉米秸稈的預處理方法，在雜色云芝與糙皮側耳的共同作用下，秸稈中木質素對纖維素半纖維素的包裹明顯被破壞，從而在一定程度上提高生產及酒精的糖化預處理階段的得糖率，這為利用秸稈生產酒精提供新的工藝途徑以及處理方法。并且，在食用菌實際生產中可以更多地利用秸稈，并且將食用菌生產后廢棄的糙皮側耳段回收作為生產酒精的原料。本發明生產條件溫和，成本低廉，菌種保藏后可長時間使用，而且不產生有毒有害廢物，對環境危害較小，不僅提高資源利用率，還可以在一定程度上緩解能源緊缺所帶來的壓力。