生物炼制技术的核心工艺是打开坚固的木质纤维素超分子结构,通过酶解的方式获得可发酵单糖,最终实现生物燃料和生物基化学品的发酵生产。本文对生物炼制过程中的木质纤维素拆分、糖化和抑制物耐受性关键问题进行了深入的挖掘和探索,提出了针对性的解决方案。首先尝试了一种新型木质纤维素拆分技术,用于秸秆纤维素和半纤维素的有效分离和利用；同时,对酶解过程中预处理秸秆底物粒径的一般性变化规律进行了深入探究。其次,发现工业玉米芯残渣存在大量水溶性较低的酚类抑制物,提出新的驯化策略显著改善了酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae DQ1对酚类抑制物的耐受性；同时,发现了运动发酵单胞菌Zymomonas mobilis ZM4对酚类抑制物具有高抗性,并对其耐受机理进行了初探。本文第一部分,针对玉米芯生产木糖传统工艺中存在的原料种类限制和木糖得率低的问题,提出两步稀酸水解处理工艺对麦秆原料进行拆分。首先通过干式稀酸预处理破坏麦秆木质纤维素结构,并使半纤维素转化为可溶性木糖单糖和寡糖。木糖总回收率可达95.7%,纤维素酶解得率为79.1%,并且抑制物含量较低。然后通过稀酸“后水解”将预处理秸秆中木聚糖和寡糖全部转化为单糖。木糖得率为71.2%,浓度54.3 g/L。最后通过同步糖化发酵将原料中纤维素转化为乙醇,最终实现纤维素和半纤维素的拆分和综合利用,获得33.1 g/L乙醇和41.5g/L木糖单糖。第二部分在酶解预处理秸秆过程中发现平均粒径先快速降低然后基本保持在20-30gm不变的现象。通过木质纤维素组分与结构形态分析,发现粒径迅速下降可能是由于颗粒外层纤维素含量较高的薄壁组织快速酶解所致；而随后粒径基本保持不变主要受微管纤维结构和预处理强度两方面因素共同影响所致。首先,预处理秸秆酶解过程中出现大量直径为10-20 μm且木质素含量高的微管纤维保持结构形态不变,这可能是导致颗粒平均粒径基本不变的主要原因。其次,酶解过程中预处理强度高的秸秆粒径趋向于更小的尺寸并保持不变。通过偏光显微镜观察发现高强度预处理使微管纤维上产生更多结构松散、易于酶解的“位错”区域,因此说明预处理对粒径所趋向的尺寸起决定作用。第三部分以木糖生产工业中产生的玉米芯残渣(CCR)为原料进行同步糖化和乙醇发酵(SSF),发现其含有大量水溶性较低的酚类物质(16.8 mg/g干物料),主要包括2-糠酸、愈创木酚、对羟基苯甲酸、对香豆酸和阿魏酸。这些酚类物质对酿酒酵母Scerevisiae DQ1的发酵性能具有明显抑制作用,而且利用常规脱毒方法难以去除。本文提出了一种在玉米芯残渣水解液中进行梯度培养S. cerevisiae DQ1的短期驯化策略,有效缩短了发酵延滞期,提高了乙醇发酵性能。在5 L及50 L发酵工艺放大中,无需对玉米芯残渣进行任何处理,驯化后的S. cerevisiae DQ1发酵乙醇浓度均能超过7.9%(v/v)。第四部分,发现通常认为抗逆性较弱的乙醇发酵菌株Z. mobilis在利用富含酚类化合物的玉米芯残渣原料进行高固含量发酵时,其细胞生长和乙醇发酵性能均优于高抗逆性的S. cerevisiae DQ1。通过考察Z. mobilis ZM4和S. cerevisiae DQ1对预处理原料中常见的12种酚类化合物的耐受性,发现Z. mobilis ZM4对酚酸类化合物,特别是玉米芯残渣中存在的酚酸具有很强的耐受性。生物降解、细胞形态变化和细胞膜渗透性等方面进一步探究表明,Z. mobilis ZM4能够将酚醛化合物降解为毒性较低的酚醇化合物,而且其外膜的脂多糖层对酚酸化合物具有疏水性屏障作用。本论文通过上述研究,实现了秸秆木质纤维素的有效拆分和综合利用,阐明了酶解过程中预处理秸秆底物粒径变化的一般性规律。另外,通过驯化策略改善菌种抗逆性或发掘固有抗性菌株能够有效的利用富含酚类抑制物的木质纤维素原料。这些结果将为木质纤维素原料生物炼制技术的深入研究以及产业化发展提供基础理论支持。