1.前言
1.1研究背景
我国长期致力于人工林、速生林的培育，现有人工林面积4666万公顷，居世界首位[1]。杨树是我国重要的人工林树种之一，其生长迅速周期短，适应环境能力强，种植面积十分广泛，是生产生物能源和生物质化学品的重要原料。但是速生杨木本身存在着木质松软、密度低、易翘曲变形等缺点，主要用于包装、农村住宅建材、火柴、一次性筷子等性能要求不高，产品附加值低的行业[3]。杨木加工利用过程会产生大量的杨木废弃物，直接焚烧而会造成杨木资源浪费，也会带来环境污染问题。以杨木原料制备生物质能源或生物质化学品，可以有效提高杨木资源利用率，解决部分能源和环境问题[2]。杨木中纤维素含量高达40%~50%，是生产生物能源及其他产品的廉价原料，王旭等[35]利用假丝酵母发酵玉米芯半纤维素水解液生产木糖醇，具有工艺简单、能耗小、产品质量好等特点。侯进菊等[36]研究发现，针对性地去除木质纤维素预处理水解液中毒性较大的酚类抑制物，可有效提高酿酒酵母发酵产生物乙醇的得率，从而减轻因传统化石燃料燃烧而造成的能源紧缺和环境污染等问题。杨木废弃物来源广泛，价格低廉，将杨木废弃物应用于益生菌生产，可降低其生产成本，提高杨木废弃物的附加经济价值。将杨木废弃物进行再利用，发展绿色经济，与可持续发展理念相符。
1.2立题依据
杨木是我国北方的常用木材，它的质地细软，性质稳定，价格低廉。并且具有适应性广、年生长期长、生产速度快等特点，我国南方及北方均有广泛的种植，杨木资源较为丰富，杨木中纤维素含量较高，酶水解后水解液中含有丰富的单糖，可作为微生物培养的碳源，本课题选取的菌种为枯草芽孢杆菌，是我国农业部允许作为饲料添加剂的菌种之一，生长周期短，能适应不同复杂环境。枯草芽孢杆菌作为益生菌饲料添加剂可改善动物肠道吸收状况，提高饲养效率，在医药方面，地衣芽孢杆菌可作为治疗肠胃炎的益生菌药物，发展前景十分可观。
本课题以杨木酶水解液作为碳源制备芽孢杆菌等益生菌，提高益生菌得率是研究的重点。通过单因素实验选择最佳的发酵工艺，分析杨木酶水解液中复杂成分，研究其对芽孢杆菌生长的影响规律，探究如何减弱酶水解液对菌体生长的抑制作用，从而达到提高益生菌产量的目的。
2文献综述
2.1杨木
杨树种类繁多，在世界各地分布广泛，其主要生长于亚洲、北美洲和欧洲部分地区。杨树具有生长周期短、易栽培、适应性强等优点，故而种植广泛，资源丰富。大量的杨木人工林种植为中国提供了丰富的木材资源。杨木资源利用十分广泛，是制浆造纸的重要原料。但是在广泛使用杨木资源的同时，也产生了大量的杨木废弃物，不能被直接利用的杨木碎屑被大量的焚烧或丢弃，造成了资源的大量浪费。杨木主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，相比其他生物质原料而言，杨木的一个主要特点是木质素含量高，抗降解性大。
2.1.1预处理
杨木三大组分的复杂空间结构阻碍了纤维素酶对杨木纤维素的降解，从而会影响杨木酶水解效率。研究表明[4]，在酶水解前经过一定程度的预处理可有效地提高后续酶水解的效率。目前常用的预处理方法主要可分为物理法、化学法和生物法。但总体而言，物理预处理法如热磨、挤压，所需能耗较高；稀酸预处理如稀硫酸、草酸等预处理方法，会产生糠醛和小分子酸等等抑制微生物生长发酵的抑制物[5]；稀碱法如氢氧化钠和氨法预处理，处理液的碱浓度较高，无法和预处理后的固体基质进行共水解和发酵[6]；有机溶剂法可显著提高后续纤维素对酶的可及性，但溶剂难以回收，成本难以控制[7]。生物质原料可以通过纤维素酶降解成单糖分，但未预处理的杨木酶水解的效率较低，杨木三大组分的复杂结构阻碍了纤维素酶对杨木纤维素的降解，使用预处理技术可以破坏杨木空间结构，增加杨木表面对纤维素酶的可及性，实现杨木的高效酶水解。
2.1.2酶水解
杨木预处理过程中，伴随着碳水化合物、木质素的降解、迁移、溶出，料片化学组分的含量、结构及性质都会发生改变。段超等[37]研究了高温预水解对杨木硫酸盐法制浆的影响，结果表明，高温预水解处理能显著提高后续蒸煮过程脱木素的效果，降低蒸煮用碱量。张永超等[38]利用乙酸-乙酸钠缓冲体系对杨木木片进行预水解，发现与热水预水解相比，共轭酸碱缓冲体系可以促进半纤维素的溶出，并抑制糖类物质的进一步降解，获得更多的低聚糖和单糖。
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