文献综述随着能源危机、食物短缺、环境污染等问题日益严重，燃料乙醇作为一种用于现代汽车中的可再生高级生物燃料、重要的生物质能源受到世界各国的广泛重视[1]。巴西、美国率先于 20 世纪 70 年代中期大力推行燃料乙醇政策,目前以甘蔗、玉米等粮作物为原料的第 1 代燃料乙醇产业已经形成规模，多国正在积极研究以秸秆、纤维素和农业废弃物为原料的第2代燃料乙醇燃料[2]。美国是世界最大的燃料乙醇生产和使用国，其中绝大多数是以玉米为原料的第1 代燃料乙醇。2012 年美国35%以上的玉米用于生产燃料乙醇，燃料乙醇年产量达到140 亿加仑。第二大燃料乙醇生产国巴西约有50% 的甘蔗用于生产燃料乙醇［3］。我国是世界上第三大燃料乙醇生产国，原料主要以玉米为主，2012年乙醇产量210万吨[4-5]。本课题的研究任务主要是将第二代燃料乙醇技术应用到第一代燃料乙醇中以降解玉米中的纤维素。 图1 玉米乙醇生产工艺
1.1 第一代燃料乙醇：玉米燃料乙醇生产工艺
今天，大多数燃料乙醇是从玉米干磨（67%）或湿磨（33%）过程中产生的.在干磨过程中，将干净的玉米磨碎，和水混合，形成糊状物。将糊状物煮熟，加入耐高温的alpha;-淀粉酶，快速水解淀粉链，使其液化。冷却后，加入糖化酶。糖化酶将液化淀粉转化为葡萄糖。然后加入酵母用来发酵葡萄糖，生产含有乙醇和固体的混合物。对这种混合物进行蒸馏和脱水，以创建燃料级乙醇。蒸馏后剩余的固体被干燥生产酒曲干酒糟蛋白，作为动物饲料添加剂销售。湿磨过程中，谷物必须先被分离成它的组成部分，包括淀粉、纤维、面筋和胚芽。玉米油从胚芽中提取。将剩下的胚芽粉添加到纤维和壳中，形成玉米蛋白饲料。面筋也被分离形成成玉米蛋白粉。可发酵性糖从淀粉中生产，这些糖发酵成乙醇。这两个过程的示意图如图1所示[6]。
虽然玉米燃料乙醇的工艺技术已经非常成熟，但玉米中的纤维素并没有被转化利用，被纤维素包裹的淀粉也得不到转化。纤维素占玉米中总糖的4%左右。如果加以部分利用，将提高乙醇产量2%~4%。每提高1%的乙醇产量将为我国燃料乙醇行业每年增收1.5亿元。所以玉米中的纤维素转化具有非常大的研究意义。
1.2 第二代燃料乙醇中纤维素的降解转化
1.2.1 预处理
预处理的主要作用是破坏纤维素、木质素和半纤维素的结构，降低纤维素结晶度以及提高基质的孔隙率，同时保证较好的经济性[7-8]。目前预处理的方法主要有物理法(球磨法、热水法)、化学法(酸法、碱法等)、物理化学法(蒸汽爆破法、氨蒸汽爆破法)等[9]。酸水解一般在高温(160～220℃)高压(O．1 MPa)条件下进行，造成纤维素内部的氢键破坏。从而有利于纤维素的水解且稀酸水解木聚糖到木糖转化率很高[10]。碱预处理可有效破坏木质素与碳水化合物之间的连键，破坏生物质的结晶区，使木质素溶于碱溶液从而使酶水解易于进行。NaOH、Ca(OH)2、NI-hOH是应用较多的预处理试剂。
1.2.2 纤维素酶
纤维素酶是一大类复杂酶系的总称。纤维素降解酶按照其催化功能可分为3 大类：外切-beta;-1,4-葡聚糖酶 (exo-beta;-1,4-glucanases，EC 3.2.1.91)，又称为纤维二糖水解酶 (Cellobiohydrolases)，简称为外切酶 (CBH)；内切-beta;-1,4- 葡聚糖酶 (endo-beta;-1,4-glucanases ， EC3.2.1.4) ， 简称为内切酶(EG) ； beta;- 葡萄糖苷酶(beta;-1,4-glucosidases，EC 3.2.1.21)。长期的研究表明，结晶纤维素的彻底降解至少需要这3 组纤维素酶的协同作用：外切酶 (纤维二糖水解酶) 可以水解纤维素结晶区，(CBH I) 从纤维素链的还原端或 (CBH II) 非还原端开始持续水解，释放纤维二糖；内切葡聚糖主要作用于纤维素的非结晶区，随机水解纤维素链中的糖苷键，把纤维素长链切断，转化成为大量不同聚合度的纤维素短链，使得纤维素分子的聚合度降低，可供外切酶作用的纤维素链末端数增加；beta;-葡萄糖苷酶则主要水解纤维二糖和可溶性纤维寡糖，最终将纤维素转化为可利用的葡萄糖[11]。
1.3 玉米湿磨工艺中纤维素的降解转化
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