玉米秸秆具有产量大、成本低、可再生的特点,是纤维乙醇生产的潜在重要原料。但是,玉米秸秆顽固的细胞结构阻碍了纤维素酶的水解糖化效率。本文采用芳香族磺酸对甲苯磺酸(p-TsOH)和有机溶剂乙醇对玉米秸秆进行预处理,破坏细胞壁的致密结构,去除木质素和半纤维素,改善纤维素酶的水解糖化效率,并对两种预处理方法进行对比研究。p-TsOH预处理后的水解液可重复利用,经多次循环利用后,更多的半纤维素水解物(木糖和葡萄糖)被释放出来,在p-TsOH的催化作用下,通过简单的加热处理它们被转化为高价值的乙酰丙酸平台化合物。基于残留木质素对纤维素酶无效吸附机理的研究,采用聚乙二醇类化合物对纤维素酶进行化学修饰,减少了残留木质素对纤维素酶的无效吸附,提高了纤维素酶的水解效率。主要结论如下:玉米秸秆经p-TsOH和乙醇预处理后,木质素含量明显降低。在100 oC相对较低的温度下进行p-TsOH预处理后,约83.4%的木质素被去除。而乙醇预处理在220oC下的木质素脱除率为67%。在纤维素酶用量15 FPU/g-纤维素、底物浓度为5%的条件下,水解96 h后,p-TsOH预处理的玉米秸秆的葡萄糖得率为97.6%,高于乙醇预处理后玉米秸秆的葡萄糖得率(89.5%)。当纤维素酶用量降低到7.5 FPU/g-纤维素时,p-TsOH预处理后的葡萄糖得率仍然高于80%,而乙醇预处理后的葡萄糖得率仅为65.2%。预处理前后玉米秸秆的组成和结构分析表明,与乙醇预处理相比,p-TsOH预处理严重破坏了玉米秸秆的纤维结构,去除了更多的木质素和半纤维素,纤维素的可及性增加,从而得到更高的葡萄糖得率。在最佳p-TsOH预处理条件下(100 oC、90%p-TsOH),对预处理水解液进行了回收,并用回收的水解液对玉米秸秆进行预处理,结果表明:随着会用次数的增加,预处理底物的酶解糖化效率先增加后降低,回用2次后底物的酶解效率最高,在纤维素酶用量为15 FPU/g-纤维素、底物浓度为5%时,葡萄糖得率为98.9%。采用酶解法分离预处理前后玉米秸秆中的木质素,并进行了纤维素酶吸附研究。未处理木质素比预处理残留木质素有更强的纤维素酶吸附能力,木质素吸附后的纤维素酶部分失去了活性。对吸附后的纤维素酶进行了结构表征,结果表明:氨基酸残基所对应的峰位置和最大发射波长有不同程度的红移,红移程度越大,残留木质素与纤维素酶吸附越强烈。聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)分析表明,纤维素酶中的β-葡萄糖苷酶(BGL)和纤维二糖水解酶(CBH)更容易被残留木质素吸附。此外,对残留木质素进行接触角、Zeta电位、红外和XPS分析表明,提高木质素的亲水性和降低残留木质素的电负性,可减少木质素对纤维素酶的无效吸附。以三聚氯氰(TCT)活化的不同分子量聚乙二醇(PEG)、羟基-聚乙二醇-羧基(OH-PEG-COOH)和羧基-聚乙二醇-羧基(COOH-PEG-COOH)为修饰剂对纤维素酶进行化学修饰,合成新型、高效修饰纤维素酶。经修饰后,修饰酶的滤纸酶活力均高于天然纤维素酶,其中,COOH-PEG-COOH-5K修饰得到的纤维素酶活力最高,为92.7 FPU/mL。对修饰酶进行紫外光谱、荧光光谱、圆二色谱和SDS-PAGE等表征。结果表明,修饰效果最好的COOH-PEG-COOH-5K修饰剂,增加了色氨酸残基向外的暴露程度,降低了酪氨酸和苯丙氨酸残基向外的暴露程度,并且荧光强度下降最快。另外,修饰酶的圆二色谱和二级构像结构也发生了改变。修饰效果最好的COOH-PEG-COOH-5K降低了纤维素酶的α-螺旋,提高了纤维素酶的β-折叠。对天然酶和修饰酶进行了水解糖化和木质素吸附研究,结果表明:经修饰后,未处理和p-TsOH预处理后玉米秸秆的酶解糖化效率显著提高,并且修饰后的纤维素酶具有较低的木质素吸附能力。p-TsOH预处理玉米秸秆后,80%以上的半纤维降解物以木糖和葡萄糖的形式溶解在预处理水解液中。由于p-TsOH具有较强的酸性,可以催化预处理水解液中的木糖和葡萄糖转化为重要的平台化合物乙酰丙酸。随着预处理水解液回用次数的增加,水解液中葡萄糖、木糖和乙酰丙酸的浓度逐渐增加。经过4次循环后,葡萄糖、木糖和乙酰丙酸浓度分别升高到了15.4 g/L、39.1 g/L和4.8g/L。为了提高乙酰丙酸的转化率,对去除木质素后的预处理水解热进行加热处理,研究了反应温度和反应时间对乙酰丙酸转化率的影响。在反应温度为190oC的反应温度和1 h反应时间下,乙酰丙酸的转化率最高,为58.1%。采用甲基异丁基酮(MIBK)萃取反应后的乙酰丙酸,得到较纯的乙酰丙酸产品。对产品进行红外和1H NMR分析,结果表明,乙酰丙酸产品中含有少量的p-TsOH,并用结晶技术回收p-TsOH。