本发明涉及木质纤维素类原料生产乙醇领域，尤其是一种利用微生物对玉米秸秆水解糖化预处理的方法和应用。
背景技术：
利用秸秆生产酒精已经成为传统化石燃料能源的主要替代品，但由于秸秆中木质纤维素中生物聚合物相互交织紧密联系的结构特点，使其水解的效率很难提高。近年来，人们在在食用菌的生产过程中，发现糙皮侧耳可以在一定程度上可以降解秸秆中的木质素。在自然界中，杂色云芝是降解秸秆效率较高的菌株。
目前，乙醇作为安全、洁净的燃料及汽油添加剂已经备受关注，大力发展可替代传统汽油的新型燃料势在必行。而乙醇汽油就是一个很好的解决方案，传统的乙醇发酵工业主要以玉米、小麦等粮食淀粉或甘蔗汁为原料，但其原料成本高达总成本的40％。而中国地少人多的国情现状，也决定基于粮食为原料的乙醇大规模生产必将导致“与人畜争粮，与粮食争地”的不利局面。在我国利用甘蔗等糖料作物生产燃料乙醇也将受到土地资源和原料成本的限制而无法大规模推广。生物质是一种重要的可再生资源，利用生物质生产燃料乙醇是一种新的能源利用形式，环境污染小，是目前的研究热点。我国生物质原料丰富，其中玉米秸秆年产量高达7亿多吨，占生物质原料的35％。如果能将生物质资源转化为可利用的液体或气体燃料，将有力缓解人类所面临的资源危机、能源短缺及环境污染等一系列问题，具备很好的应用前景。
通过秸秆生产燃料乙醇的主要方法之一是通过微生物水解产糖然后利用酿酒微生物生产燃料乙醇。但由于秸秆中木质纤维素中生物聚合物相互交织紧密联系的结构特点，使其水解的效率很难提高。木质素中一般含有松柏醇、芥子醇和对香豆醇三种不同类型的苯基丙烷单体，它们随植物品种、植物年龄甚至细胞壁形态部位的不同而存在着不同的比例。由于这三类醇的共聚化产生不均匀的、无旋光性的、交叉键合、高度分散性及高度抗生物降解性的芳香高聚物，对绝大多数微生物的攻击均有抗性。因此，木质素的分解特别慢，而且在完整的木质组织中，木质素是以一种物理屏障存在的，它包围纤维素，成为外围基质，保护纤维素免遭微生物袭击和降解酶的进攻，其降解必须先于纤维素分解。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种利用微生物对玉米秸秆水解糖化预处理的方法和应用，通过利用微生物对秸秆进行预处理生产酒精，为秸秆生产酒精提供新的生产工艺方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种利用微生物对玉米秸秆水解糖化预处理的方法，包括以下步骤：
(1)将玉米秸秆粉碎后，过筛，置于干燥器中备用；
(2)玉米秸秆置三角瓶中，经高压灭菌后，接入杂色云芝与糙皮侧耳混合菌液、无菌无机盐以及石膏粉，最后加入无菌水，混匀后放入恒温培养箱中进行微生物培养，待培养完毕后，将玉米秸秆依次进行真空抽滤、清洗和烘干，得到预处理的玉米秸秆。
所述的利用微生物对玉米秸秆水解糖化预处理的方法，步骤(2)中，反应体系的固液质量比例为1：5～50。
所述的利用微生物对玉米秸秆水解糖化预处理的方法，步骤(2)中，反应体系的混合菌液接种量为10ml～100ml/l。
所述的利用微生物对玉米秸秆水解糖化预处理的方法，步骤(2)中，混合菌液中杂色云芝与糙皮侧耳的混合质量比例为1:0.1～10。
所述的利用微生物对玉米秸秆水解糖化预处理的方法，步骤(2)中，无机盐的种类为kh2po4、mgso4、feso4、cacl2之一种或两种以上，秸秆与无机盐的质量比例为10～150：1，秸秆与石膏粉的质量比例为50～200：1。
所述的利用微生物对玉米秸秆水解糖化预处理的方法，步骤(2)中，微生物培养的温度为20℃～50℃，微生物培养的时间为7天～30天。
所述的利用微生物对玉米秸秆水解糖化预处理的应用，预处理的玉米秸秆在生物质燃料乙醇或生物质发酵工程中应用。
本发明的设计思想是：
近年来，人们在在食用菌的生产过程中，发现糙皮侧耳在一定程度上可以降解秸秆中的木质素。在自然界中，杂色云芝是降解秸秆效率较高的菌株。本发明针对糙皮侧耳和杂色云芝的特性，根据二者在混合条件下对秸秆水解糖化处理过程的影响，探究出玉米秸秆在双菌作用下水解糖化的最佳工艺条件，旨在为秸秆生产酒精提供新的生产工艺方法。秸秆类原料的主要是由纤维素、半纤维素和木质素通过共价键联结成网络结构，导致纤维素后续糖化水解效率低，乙醇产率低。所以，需要通过预处理，破坏木质素对纤维素和半纤维素的包裹，降低纤维素的结晶度，提高后续糖化效率，进而提高生物质利用率。
本发明的优点及有益效果是：
(1)本发明方法对条件要求温和，无需高温高压设备，对设备要求低，低能耗且不产生有毒有害，适合工业化生产。
(2)本发明生产成本低廉，菌种保藏后可长时间使用。
(3)本发明不产生有毒有害废物，对环境危害较小。
(4)利用本发明预处理后的秸秆还原糖产量提高32％，最高可达到37％。
附图说明
图1为本发明木质素降解的流程示意图。
具体实施方式
在具体实施过程中，利用微生物对玉米秸秆水解糖化预处理的方法，包括以下步骤：
(1)选取玉米秸秆，经粉碎后过筛选取；
(2)将玉米秸秆置于三角瓶中灭菌处理，然后接入杂色云芝以及糙皮侧耳，24℃条件下培养7～20天，待培养结束后，将玉米秸秆依次进行真空抽滤、清洗和烘干，得到预处理的玉米秸秆，然后经水解产糖。
杂色云芝降解木质素产物所含碳、甲氧基、氢比底物素少，而含较多氧、羰基，相对来讲芳香性降低，αβ不饱和链烃增加，但与原底物的分子量接近。因此，根据其降解产物分析，木质素降解的过程可分为：脱甲基和羟基并形成多酚类结构；加氧裂解多酚环，产生链烃；水解使脂肪烃缩短。酶系是在胞外或束缚于细胞壁上，其生产的酶系主要包括漆酶(lac)、过氧化物酶(lip)以及锰化物酶(mnp)。
如图1所示，本发明玉米秸秆生产乙醇的预处理方法，玉米秸秆与芬顿试剂的主要反应过程如下：
过氧化物酶+h2o2→酶复合物ⅰ+h2o(1)
酶复合物ⅰ+sh2→sh*+酶复合物ⅱ(2)
酶复合物ⅱ+sh2→sh*+过氧化物酶(3)
2sh*+2(木质素)→2(木质素自由基)+2sh2(4)
总反应：h2o2+2(木质素)→2(木质素自由基)+h2o
下面结合实施例进一步阐述本发明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例1
本实施例中，利用微生物对玉米秸秆水解糖化预处理的方法，包括以下步骤：
1、将玉米秸秆粉碎后，过40目筛，置于干燥器中备用。
2、称取10g秸秆置于三角瓶中，用纱布和牛皮纸密封后与121℃高压100kpa蒸汽灭菌30分钟。
3、向瓶中加入10ml杂色云芝与糙皮侧耳混合菌液(杂色云芝与糙皮侧耳的混合质量比例为1:1)、0.3克kh2po4、0.1克石膏粉，并添加无菌水补至100ml。24℃条件下反应7天，真空抽滤、清洗后105℃烘干，得到预处理的玉米秸秆。
实施例2
本实施例中，利用微生物对玉米秸秆水解糖化预处理的方法，包括以下步骤：
1、将玉米秸秆粉碎后，过40目筛，置于干燥器中备用。
2、称取10g秸秆置于三角瓶中，用纱布和牛皮纸密封后与121℃高压100kpa蒸汽灭菌30分钟。
3、向瓶中加入20ml杂色云芝与糙皮侧耳混合菌液(杂色云芝与糙皮侧耳的混合质量比例为1:2)、0.3克mgso4、0.1克石膏粉，并添加无菌水补至100ml。24℃条件下反应7天，真空抽滤、清洗后105℃烘干，得到预处理的玉米秸秆。
实施例3
本实施例中，利用微生物对玉米秸秆水解糖化预处理的方法，包括以下步骤：
1、将玉米秸秆粉碎后，过40目筛，置于干燥器中备用。
2、称取10g秸秆置于三角瓶中，用纱布和牛皮纸密封后与121℃高压100kpa蒸汽灭菌30分钟。
3、向瓶中加入30ml杂色云芝与糙皮侧耳混合菌液(杂色云芝与糙皮侧耳的混合质量比例为1:3)、0.3克cacl2、0.1克石膏粉，并添加无菌水补至100ml。24℃条件下反应7天，真空抽滤、清洗后105℃烘干，得到预处理的玉米秸秆。
实施例4
本实施例中，利用微生物对玉米秸秆水解糖化预处理的方法，包括以下步骤：
1、将玉米秸秆粉碎后，过40目筛，置于干燥器中备用。
2、称取10g秸秆置于三角瓶中，用纱布和牛皮纸密封后与121℃高压100kpa蒸汽灭菌30分钟。
3、向瓶中加入40ml杂色云芝与糙皮侧耳混合菌液(杂色云芝与糙皮侧耳的混合质量比例为1:0.6)、0.3克feso4、0.1克石膏粉，并添加无菌水补至100ml。24℃条件下反应7天，真空抽滤、清洗后105℃烘干，得到预处理的玉米秸秆。
实施例5
本实施例中，利用微生物对玉米秸秆水解糖化预处理的方法，包括以下步骤：
1、将玉米秸秆粉碎后，过40目筛，置于干燥器中备用。
2、称取10g秸秆置于三角瓶中，用纱布和牛皮纸密封后与121℃高压100kpa蒸汽灭菌30分钟。
3、向瓶中加入50ml杂色云芝与糙皮侧耳混合菌液(杂色云芝与糙皮侧耳的混合质量比例为1:0.3)、0.2克cacl2、0.1克mgso4、0.1克石膏粉，并添加无菌水补至100ml。24℃条件下反应7天，真空抽滤、清洗后105℃烘干，得到预处理的玉米秸秆。
应用例
将实施例1至5中预处理的玉米秸秆，应用在生物质燃料乙醇或生物质发酵工程中，实验数据和技术效果如下：
用杂色云芝与糙皮侧耳双菌混合预处理玉米秸秆生产还原糖的产量实验，在产糖高峰的菌剂添加量30ml/l处理条件下时，还原糖得率相对较高为20.1％，还原糖产量可提高32％。不同添加比例的混合菌液预处理秸秆还原糖糖产量见表1。
表1不同混合菌液添加量预处理秸秆前后还原糖糖产量变化
实施例和应用例结果表明，通过本发明玉米秸秆的预处理方法，在杂色云芝与糙皮侧耳的共同作用下，秸秆中木质素对纤维素半纤维素的包裹明显被破坏，从而在一定程度上提高生产及酒精的糖化预处理阶段的得糖率，这为利用秸秆生产酒精提供新的工艺途径以及处理方法。并且，在食用菌实际生产中可以更多地利用秸秆，并且将食用菌生产后废弃的糙皮侧耳段回收作为生产酒精的原料。本发明生产条件温和，成本低廉，菌种保藏后可长时间使用，而且不产生有毒有害废物，对环境危害较小，不仅提高资源利用率，还可以在一定程度上缓解能源紧缺所带来的压力。