可再生生物质能可以缓解化石能源和环境危机,受到了越来越多的关注。木质纤维素生物质储量丰富,且可再生,是重要的生物质原料。木质纤维素的酶水解是木质纤维素生物炼制的重要步骤,而纤维素酶在木质纤维素底物上的吸附是影响酶水解效率的关键因素。酶水解过程的p H值对酶水解效率有重要影响。本文主要研究p H对木质纤维素酶水解的影响机制,包括p H对底物和酶的表面特性的影响、对纤维素酶在木质纤维素底物上的吸附特性以及酶水解前后的底物特性的影响。主要研究内容与结果如下:1.分析了热水预处理对蔗渣化学成分的改变。结果显示:热水预处理蔗渣的纤维素含量为48.58%,半纤维素含量为17.88%,木质素含量为26.56%;未处理蔗渣分别为41.54%、24.24%和23.96%。且热水预处理后蔗渣的保水值由184.56%提高到227.96%。结果表明:热水预处理保留了蔗渣样品中较高的纤维素含量,移除了大量的半纤维素,并将保水值提高43.40%,这些结果均可证明纤维素酶对热水预处理蔗渣的可及性大大提升,从而有利于酶水解获得高糖浓度。2.比较不同环境p H对热水预处理蔗渣酶水解效率的影响及其内在原因。结果显示:p H 5.5的热水预处理蔗渣的酶水解效率为65.46%,显著高于p H 4.8的56.70%。为了探究其中的原因,对p H 4.8和p H 5.5的纤维素酶和木质素(热水预处理蔗渣)的表面疏水性和表面电荷进行测定,结果发现:p H 5.5的纤维素酶和木质素(热水预处理蔗渣)的表面疏水性和表面负电荷均大于p H 4.8的。由此可见,p H 5.5的纤维素酶和木质素之间的疏水相互作用和静电斥力作用均大于p H 4.8的。3.由于木质纤维素底物酶水解过程中发生的酶吸附反应是影响酶水解效率的关键因素,因此,有必要对热水预处理蔗渣与纤维素酶的吸附特性进行研究,主要包括:吸附动力学、可逆吸附、有效吸附和无效吸附。结果显示:p H 5.5的吸附速率和可逆吸附均大于p H 4.8的,但达到吸附平衡的结合酶量和无效吸附均小于p H 4.8的,两者的有效吸附十分接近。由此可见,较大的吸附速率和可逆吸附,将会增加纤维素酶在纤维素上新的结合位点,能够更快地吸附到纤维素上,以提高底物的酶水解效率。另一方面,p H5.5的纤维素酶和木质素之间更大的疏水相互作用,并没有导致p H 5.5的无效吸附增加。由此可见,疏水相互作用并不占主导地位,p H 5.5的无效吸附的降低是酶水解效率增强的因素之一。此外,可以推测p H 4.8达到吸附平衡的结合酶量和无效吸附均较大的原因是拥有较小的静电斥力作用。4.为了进一步探讨酶水解的机理,研究了热水预处理蔗渣酶水解前后残渣的理化性质。通过Zeta电位仪、扫描电镜(SEM)、比表面积测定仪(BET)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)和X射线光电子能谱仪(XPS)对其表面电荷、表面形貌特征、比表面积和孔径特性、结晶度、表面官能团和表面化学组成等进行表征。结果表明:(1)p H 4.8和p H 5.5的酶水解体系(72 h)中底物的Zeta电位没有显著性差异,表明酶水解体系的稳定性以及底物和酶分散的情况,不是酶水解效率显著增加的影响因素;(2)p H 5.5的酶水解体系拥有更小的颗粒,酶水解残渣-p H 5.5的表面孔隙更多、更粗糙,结晶度更低,表明大部分纤维素的无定形区和结晶区发生酶水解反应,酶水解得更彻底。(3)酶水解残渣-p H 5.5的氮含量更多,表面木质素覆盖率更低,可以推测有更多的纤维素酶被吸附到纤维素上,纤维素酶对底物的可及性提高,有利于酶水解。