王燕云, 吳 凱, 雷福厚, 楊 靜*
(1. 西南林業大學 云南省木材膠黏劑及膠合制品重點實驗室,云南 昆明 650224; 2. 西南林業大學 材料工程學院,云南 昆明 650224; 3. 廣西林產化學與工程重點實驗室,廣西 南寧 530006)
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NaOH-Fenton試劑預處理桑木的纖維素酶分段酶水解研究
王燕云1,2, 吳 凱1,2, 雷福厚3, 楊 靜1,2*
(1. 西南林業大學 云南省木材膠黏劑及膠合制品重點實驗室,云南 昆明 650224; 2. 西南林業大學 材料工程學院,云南 昆明 650224; 3. 廣西林產化學與工程重點實驗室,廣西 南寧 530006)
摘要:采用分段酶水解木質纖維原料的方法,以NaOH-Fenton試劑預處理桑木為原料,通過在反應過程中及時移除葡萄糖和纖維二糖,減輕產物的抑制作用,最終達到提高酶水解得率和縮短酶解反應時間的目的。實驗結果表明:纖維素酶用量為15 FPIU/g(以纖維素計,下同)時,在三段(8+8+8 h)水解過程中,經第一段水解,纖維素酶反應速率從1.25 g/(L·h)提高到2.21 g/(L·h),第二段水解后,酶反應速率為1.54 g/(L·h),比未分段水解的酶反應速率提高了73 %;當纖維素酶用量為40 FPIU/g時,三段(8+8+8 h)水解得率增至88.08 %;三段(8+8+8 h)水解充分利用了酶解殘渣上的結合酶進行后續水解。對纖維素酶在預處理桑木上的吸附情況進行研究,發現桑木經NaOH-Fenton試劑預處理后,對纖維素酶的最大吸附量為8.08 mg/g,預處理增加了纖維素酶與桑木間的吸附位點。
關鍵詞:纖維素酶;酶水解;酶反應速率;纖維素吸附
云南是我國第二大桑蠶產業基地,桑樹栽培歷史悠久,品種十分豐富[1]。為了提高桑木的葉產量,通常每年對桑木進行修剪,大量修剪的桑枝常作為薪柴燒掉,未被充分利用,而快速增長的、含豐富纖維素的桑木是一種有前景的制備燃料乙醇的木質纖維原料。木質纖維原料制備燃料乙醇主要經過原料預處理、纖維素酶制備和水解、糖液(戊糖、己糖)乙醇發酵和酒精蒸餾、脫水等技術。木質纖維原料在酶水解前需要經過預處理,預處理方法主要有物理法、化學法、生物法和聯合法。褐腐菌降解木質纖維素是常用的生物預處理方法,但存在天然微生物菌株的活力限制,且處理周期長,導致生產效率較低,不適宜大規模工業化。本研究所采用的NaOH-Fenton試劑預處理方法是借鑒褐腐菌降解木材的研究思路,利用Fenton反應產生的外源羥基自由基(OH·),模擬褐腐菌體外解聚纖維素的過程[2],有望解決現有預處理方法存在的高能耗、高污染等問題。纖維素酶水解是利用纖維素酶或半纖維素酶降解纖維素或半纖維素為六碳糖或五碳糖的過程。在木質纖維原料酶水解過程中,產物抑制是限制酶解速率的一個重要因素[3]。酶水解液中纖維二糖和葡萄糖的存在,抑制纖維素酶的活性,并且使得酶反應速率降低和纖維素完全水解的時間延長,增加纖維素酶用量可以提高酶水解反應的速率且縮短纖維素完全水解的時間,但增加了水解反應的成本。國內外對纖維素酶水解的重點均放在對酶水解性能的提高上[4],而忽視了長的水解時間將降低纖維素酶各組分的協同水解活性及制備燃料乙醇的勞動生產率。因此,本研究針對水解液中葡萄糖、纖維二糖對酶水解反應的抑制作用,研究了終產物對纖維素酶分段水解NaOH-Fenton試劑預處理桑木的平均酶反應速率和水解得率的影響,以期為建立氫氧化鈉-芬頓試劑預處理及分段酶水解集成技術提供參考。
1材料與方法
1.1原料與試劑
桑木采自云南陸良縣,經粉碎過篩后,得到粒徑為0.30~0.45 mm的桑木粉,備用。里氏木霉纖維素酶,丹麥諾維信(Novozyme)公司生產,Sigma公司提供,其濾紙酶活為125 FPIU/mL,β-葡糖苷酶酶活為27 IU/mL。過氧化氫(H2O2),質量分數≥30 %,分析純,天津市風船化學試劑科技有限公司。七水合硫酸亞鐵(FeSO4·7H2O),淡藍綠色結晶,分析純,國藥集團化學試劑有限公司。Avicel PH-101微晶纖維素,Fluka公司提供。
1.2NaOH-Fenton試劑預處理桑木
將桑木在20 g/L的NaOH 溶液、底物質量濃度100 g/L和65 ℃下處理2 h,待反應結束后,用蒸餾水洗滌固體殘渣至中性,備用。取絕干質量1 g的NaOH預處理后的桑木,加入質量分數30 %H2O24 mL、 16 mmol/L Fe2+溶液,使溶液中桑木的質量濃度為100 g/L,并于pH值3.0和150 r/min的條件下反應12 h。反應結束后,用蒸餾水洗滌固體渣,得預處理料,作為纖維素酶水解反應的底物。
1.3預處理桑木的酶水解
1.3.1纖維素酶一段水解取絕干質量為10 g的經氫氧化鈉-芬頓預處理后的桑木(預處理料)置于250 mL三角瓶中,加入一定量的水、檸檬酸緩沖液和纖維素酶液,使底物質量濃度為100 g/L,酶用量為15 FPIU/g(以纖維素計,下同)。充分攪拌均勻后,置于50±1 ℃、150 r/min的搖床中反應,分別于2、 4、 8、 12、 24、 48、 60、 72 h取樣,于3 000 r/min下離心10 min,取清液適當稀釋后用高效液相色譜(HPLC)測定反應液中葡萄糖和纖維二糖的濃度變化,并計算酶解得率[5-6]。
1.3.2纖維素酶分段水解取絕干質量為10 g的預處理料于250 mL三角瓶中,加入一定量的水、檸檬酸緩沖液和纖維素酶液,使底物質量濃度100 g/L,酶用量為15 FPIU/g。充分攪拌均勻后,置于50 ℃、150 r/min搖床中反應一定時間后,采用固液分離將反應產物移走;洗滌酶解殘渣,并補加一定量的酶液(用超濾的方法回收上清液中的纖維素酶,測定酶活力,根據酶活力決定補充的酶量)、緩沖液和水繼續下一段的反應。根據酶反應速率把24 h等分,水解方案分別為(12+12 h)、(8+8+8 h)和(6+6+6+6 h)。
1.3.3纖維素酶的Langmuir等溫吸附曲線和動力學方程為確定纖維素酶在不同底物上的等溫吸附曲線,以0.1 g樣品(微晶纖維素Avicel、NaOH-Fenton試劑預處理的Avicel、桑木和NaOH-Fenton試劑預處理的桑木)為底物,分別加入不同質量濃度的纖維素酶溶液(0.01~1.0 g/L),一定量的水和檸檬酸緩沖液,充分攪拌均勻后,置于4 ℃、150 r/min的搖床中反應3 h,達到平衡后,進行固液分離。用Bradford方法測定上清液中蛋白質濃度,并作為游離酶濃度;底物上的結合酶濃度為初始纖維素酶蛋白濃度與上清液中游離酶蛋白濃度之差[7]。
1.4分析方法
1.4.1水分的測定水分的測定采用紅外線水分計FD-720測定。
1.4.2纖維素、半纖維素和木質素的測定樣品的纖維素、半纖維素和木質素的組成按美國可再生能源實驗室公布的方法測定[8]。
1.4.3蛋白質的測定蛋白質濃度采用Bradford法測定,以牛血清蛋白作為標準蛋白[7]。
1.4.4酶水解液中糖組分的測定采用高效液相色譜(HPLC,Agilent technology 1100 series,Palo Alto,CA)法測定酶水解液中的糖組分。酶水解后的上清液經0.45 μm 濾膜過濾后,用Bio-Rad Aminex HPX-87H(300 mm×7.8 mm)色譜柱,以0.005 mol/L 的硫酸作為流動相,流速為0.6 mL/min,在示差折光檢測器(RI)上進行檢測。纖維素水解得率計算如式(1)所示:

(1)
式中:Y—纖維素水解得率,%;C1、C2、C3、C4—分別表示第一、二、三、四段水解液及洗液中還原糖質量濃度,g/L;V1、V2、V3、V4—分別表示第一、二、三、四段水解液及洗液的體積,L;m—原料質量,g;w—原料中纖維素的質量分數,%; 1.1 — 纖維素和葡萄糖之間的轉換系數。
1.4.5纖維素酶的Langmuir等溫吸附曲線用Langmuir等溫吸附方程擬合不同底物對纖維素酶的吸附性能[9-10],方程如下所示,Γmax和K值可由Langmuir線性方程擬合得出式(2),并由式(3)計算得到分配系數(R)。
Γ=KCΓmax/(1+KC)
(2)
R=Γmax×K
(3)
式中:C—平衡時,上清液中的自由酶質量濃度,g/L;Γ—平衡時,底物上結合酶的吸附量,mg/g;Γmax—底物上纖維素酶的最大吸附量,mg/g;K—Langmuir常數,反映纖維素酶親和力的大小,L/g;R—分配系數,反映纖維素與底物的相對親和力,L/g。
2結果與分析
2.1桑木預處理
為了解NaOH-Fenton預處理方法對桑木化學組成的影響,分別測定了桑木預處理前后的化學組成,預處理前的原料中含纖維素37.54 %、半纖維素21.33 %和木質素27.79 %, NaOH-Fenton預處理后樣品中含纖維素53.99 %、半纖維素7.91 %和木質素30.12 %。與桑木原料相比,經NaOH-Fenton預處理,半纖維素質量分數明顯降低,從21.33 %降低至7.91 %,纖維素和木質素質量分數相對增加,主要是由于經過NaOH-Fenton預處理后,破壞了桑木原本的天然高分子結構,使得部分半纖維素糖溶出,導致纖維素和木質素在固體殘渣中的含量相對增加。同時,NaOH-Fenton預處理對纖維素起到潤脹作用,有利于后續酶水解過程中纖維素與纖維素酶的結合。

圖 1 纖維素酶一段水解預處理桑木的得率 和平均反應速率Fig. 1 One-stage enzymatic hydrolysis yield and average reaction rate of pretreated mulberry wood
2.2預處理桑木的纖維素酶水解
2.2.1纖維素酶一段水解桑木按1.3.1節操作,纖維素酶一段水解NaOH-Fenton試劑預處理的桑木,反應過程中平均酶反應速率和酶水解得率的變化如圖1所示。由圖1可知:經NaOH-Fenton試劑預處理桑木纖維素酶一段水解,在水解初期,水解速度很快,6 h時,纖維素酶水解得率為18.99 %;而在6~24 h內,水解速度逐漸減慢,24 h時,纖維素酶水解得率為39.84 %;24~48 h后速度更為緩慢,水解48 h,纖維素酶水解得率為48.73 %,延長水解時間到72 h,纖維素酶水解得率的增加不明顯,水解得率為55.54 %。從圖中可以看出,平均酶反應速率隨反應時間的延長衰減很大,在反應的初始2 h,平均酶反應速率最高,為3.73 g/(L·h);反應8 h,平均酶反應速率大幅降低,為1.34 g/(L·h),僅為2 h時的35.92 %;當反應到24 h時,平均反應速率為0.55 g/(L·h),僅為2 h時的14.75 %;延長水解時間到72 h,酶平均反應速率降為0.25 g/(L·h)。
造成這種現象的可能原因是纖維素酶是一種受反饋抑制的水解酶類,根據纖維素酶水解協同作用機理,終產物葡萄糖反饋抑制β-葡萄糖苷酶,β-葡萄糖苷酶受抑制后導致體系中纖維二糖濃度提高,纖維二糖的累積反饋抑制外切和內切葡聚糖酶,從而導致酶水解效率的降低;其次,纖維素酶水解速度與纖維素的超分子結構有關,水解初期,主要是纖維素無定形區的水解,隨著無定形區纖維素被水解,底物的結晶度逐漸增大,主要是結晶纖維素表面的水解,故水解速度減慢,到水解后期,剩下的高結晶纖維素更難水解,故水解速度緩慢。有研究[11]表明:可通過及時除去生成的葡萄糖來解除產物抑制作用,如采用真空抽濾和超濾間歇除去葡萄糖,同時回收了纖維素酶。酶水解過程中簡單的固液分離就能使終產物濃度下降,從而可提高后續反應的酶平均反應速率。
2.2.2纖維素酶水解分段方式的選擇實驗選擇的不同分段方案對纖維素酶水解得率的影響結果如
表 1纖維素酶分段水解NaOH-Fenton試劑預處理桑木的水解得率
Table 1Multi-stage hydrolysis yield of NaOH-Fenton pretreated mulberry wood

水解方案scheme酶水解得率enzymatichydrolysisyield/%第一段thefirststage第二段thesecondstage第三段thethirdstage第四段thefourthstage合計total24h39.2739.2712+12h24.0320.1744.208+8+8h19.2620.2015.9455.406+6+6+6h18.7217.6511.799.2457.40
表1所示。酶水解反應后,纖維素酶蛋白吸附于底物上,稱之為結合酶。研究表明[12],分段酶水解充分利用了酶解殘渣上的結合酶,簡單離心分離解除產物抑制后,大量活性的纖維素酶蛋白吸附在底物上,酶解殘渣上的結合酶的協同水解活性得到改善;短時間的反應使得溫度、剪切力等因素對結合酶活性的影響不大,底物上的結合酶仍然具備高的協同降解天然纖維素的反應性。
由表1可知,NaOH-Fenton試劑預處理后的桑木經分段酶水解后,酶水解得率均高于一段水解。兩段(12+12 h)、 三段(8+8+8 h)和四段(6+6+6+6 h)的水解得率分別為44.20 %、 55.40 %和57.40 %;同一段水解(24 h)的水解得率(39.27 %)相比,兩段、三段和四段的水解得率分別提高了12.55 %、 41.07 %和46.17 %。這是因為分段水解技術通過簡單的離心分離,解除了水解產物——纖維二糖和葡萄糖對反應的抑制作用。從表中可以看出,在兩段、三段和四段的分段水解過程中,第二段的水解得率分別為20.17 %、 20.20 %和17.65 %,8 h的水解得率最大,雖然12 h水解得率與8 h相當,但第一段酶解殘渣中的殘糖比8 h多,并且水解時間長也影響了纖維素酶的活性,而6 h的水解時間較短,酶解得率不高;在三段和四段的分段水解過程中,第三段的水解得率分別為15.94 %和11.79 %,8 h的水解得率大于6 h,6 h的水解時間不夠。第四段的水解得率為9.24 %,低的水解得率與底物結構和酶活力以及水解時間有關。理論上把酶水解過程進行無限分段后,纖維素將會被完全水解,如三段(8+8+8 h)比二段(12+12 h)、四段(6+6+6+6 h)比三段(8+8+8 h)能夠得到更多的糖。但是分段越多,水解工藝就越復雜,操作費用也會相應增加,因此,本實驗選擇了三段酶水解技術。
2.2.3酶解條件對桑木三段酶水解的影響
2.2.3.1產物抑制的解除對三段水解反應速率的影響在纖維素酶水解過程中,各種酶組分的活力受其產物的反饋抑制調節。纖維素酶三段(8+8+8 h)水解可以達到一段72 h水解得率,并且反應時間比一段水解縮短了48 h。纖維素酶三段(8+8+8 h)水解過程中水解得率和酶平均反應速率的變化如圖2所示。由圖2可知,在三段水解過程中,隨著反應過程中產物的去除,酶反應速率呈迅速增加趨勢。在第一段除去終產物后,纖維素酶反應速率從1.25 g/(L·h)(8 h)提高到2.21 g/(L·h)(10 h),比一段水解的酶反應速率1.43 g/(L·h)(12 h)提高了54.55 %;在第二段除去終產物后,18 h纖維素酶反應速率為1.54 g/(L·h),比一段水解18 h的酶反應速率0.89 g/(L·h)提高了73 %。以上數據表明,纖維素酶分段水解,產物抑制的解除提高了酶水解反應的速率,從而改善了纖維素酶各組分協同降解纖維素的活性,導致了酶水解得率的增加。本研究選擇三段水解,在水解8 h和16 h時及時地移走反應產物——纖維二糖和葡萄糖,有效地解除了產物抑制作用,使酶水解得率顯著提高。

圖 2 纖維素酶三段水解預處理桑木的得率 和平均酶反應速率Fig. 2 Three-stage enzymatic hydrolysis yield and average reaction rate on pretreated mulberry wood
2.2.3.2纖維素酶用量的影響在底物質量濃度100 g/L時,纖維素酶用量分別為15、 20、 25、 30、 35和40 FPIU/g,以纖維素酶一段水解NaOH-Fenton預處理桑木作為對照,酶用量對桑木一段和三段水解得率的影響如圖3所示。
由圖3 可知,無論是一段水解還是三段水解,纖維素酶水解得率均隨著酶用量的增加而提高,在底物濃度不變的條件下,酶用量的增加意味著酶與底物接觸的機會增加,酶-底物復合物形成的增加,從而導致更多的纖維素酶吸附到底物上,增加了酶平均反應速率。當酶用量從15 FPIU/g提高到40 FPIU/g時,在一段酶水解中,72 h纖維素酶水解得率從55.54 %提高到81.52 %;在三段酶水解中, 24 h纖維素酶水解得率從55.40 %提高到88.08 %。由圖3(a)可以看出,相對于20~30 FPIU/g范圍,酶用量在30~40 FPIU/g之間,對纖維素酶一段水解得率的影響變小,說明酶用量只是在一定范圍內影響纖維素酶水解得率,除了酶用量外,底物中纖維素的聚合度、結晶度和木質素等對纖維素酶水解得率也有影響。同時由圖3(b)還可以看出,在三段酶水解過程中,在第一個8 h,酶用量對纖維素酶水解得率的影響不大;而在第二段(8~16 h)和第三段(16~24 h)過程中,當酶用量在30~40 FPIU/g時,酶水解得率相對第一段增加更加明顯。酶用量增加到一定程度時,水解速率增加緩慢,主要是由于纖維表面最初吸附的酶形成單分子層,當結合位點全部被纖維素酶分子飽和后,即使再增加過量的纖維素酶也起不到提高水解得率的作用[13]。因此,在木質纖維原料酶水解過程中,增加纖維素酶的用量在一定程度上對水解有利,可以提高水解得率,但當纖維素酶量超過一定量后,對水解的影響不大,而且過高的纖維素酶用量將直接導致水解成本的增加。

圖 3 纖維素酶用量對預處理桑木水解得率的影響Fig. 3 Effect of enzymatic dosage on hydrolysis yield of pretreated mulberry wood
2.3纖維素酶在預處理桑木上的吸附研究
為了進一步分析水解底物上結合酶對分段酶水解的貢獻,建立和分析了Langmuir吸附動力學方程和吸附等溫曲線,以微晶纖維素Avicel做對比,比較了纖維素酶在NaOH-Fenton試劑預處理前后的桑木上的吸附情況,以在Avicel上的吸附作為對照樣,吸附等溫曲線見圖4。大量研究表明,纖維素酶對纖維素的吸附符合Langmuir等溫吸附方程。結合圖4中的平衡吸附量計算得到,纖維素酶在桑木、NaOH-Fenton試劑預處理的桑木、Avicel和NaOH-Fenton試劑預處理Avicel上的最大吸附量Γmax分別為0、 8.08、 20.37和48.48 mg/g,分配系數R值分別為0、 0.03、 0.219和0.101 L/g。由數據可以看出桑木經NaOH-Fenton試劑預處理后,纖維素酶在底物上的最大吸附量得到了增加。這是由于經NaOH-Fenton試試劑預處理后的桑木,去除了半纖維素,并且改變了纖維素的超分子結構,增加了纖維素與纖維素酶的結合位點。同樣地,以Avicel作為底物,經NaOH-Fenton預處理后的吸附量比原料增加了28.11 mg/g,這說明NaOH-Fenton試劑預處理能夠解聚纖維素,使纖維素結構疏松,從而提供更多的結合位點,最終達到提高桑木酶水解得率的目的。

圖 4 不同底物對纖維素酶的吸附Fig. 4 Cellulase adsorption on different subtrates
Langmuir常數K表示纖維素酶與底物之間的相對親和力,纖維素酶與桑木、NaOH-Fenton試劑預處理的桑木之間的常數K分別為0和3.73 L/g。酶與底物的吸附作用主要受靜電作用和疏水作用的影響,桑木由于復雜的木質纖維結構使其無法輕易和纖維素酶蛋白結合,故沒經預處理的桑木難以吸附纖維素酶;經NaOH-Fenton試劑預處理后,破壞桑木中纖維素、半纖維素和木質素間的致密結構,暴露出纖維素酶的結合位點,其中包括纖維素酶與纖維素和木質素之間的吸附,因而親和力增加。
3結 論
3.1采用分段酶水解經NaOH-Fenton試劑預處理的桑木,通過移除產物葡萄糖與纖維二糖來減輕抑制作用,提高桑木的酶水解得率及縮短反應時間。結果顯示,三段水解(8+8+8 h)過程中,隨著反應過程中產物的去除,酶反應速率呈迅速增加趨勢。在第一段除去終產物后,纖維素酶反應速率從8 h時的1.25 g/(L·h)提高到10 h時的2.21 g/(L·h);在第二段除去終產物后,18 h纖維素酶反應速率為1.54 g/(L·h),比一段水解18 h的酶反應速率0.89 g/(L·h)提高了73 %。
3.2纖維素酶三段水解經NaOH-Fenton試劑預處理的桑木,水解過程中,纖維素酶水解得率隨著酶用量的增加而提高,當酶用量為40 FPIU/g(以纖維素計)時,24 h纖維素酶水解得率達到88.08 %,三段水解充分利用了酶解殘渣上的結合酶進行后續水解。
3.3桑木經NaOH-Fenton試劑預處理后,對纖維素酶的最大吸附量(Γmax)由未處理前的0增至8.08 mg/g,由此可見,預處理增加了纖維素酶與桑木間的吸附位點。
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doi:10.3969/j.issn.1673-5854.2016.04.006
收稿日期:2016-01-06
基金項目:云南省應用基礎研究計劃項目(2011FZ137);國家自然科學基金資助項目(31260162);廣西林產化學與工程重點實驗室開放課題(GXFC13-06)
作者簡介:王燕云(1991— ),女,江蘇蘇州人,碩士生,研究方向為生物質能源;E-mail:1394938725@qq.com *通訊作者:楊 靜(1976— ),女,博士,副教授,主要從事木質纖維素的生物降解與轉化的研究;E-mail:kmjingyang@163.com。
中圖分類號:TQ35
文獻標識碼:A
文章編號:1673-5854(2016)04-0031-06
Process Resrarch of Multi-stage Enzymatic Hydrolysis of NaOH-Fenton Pretreated Mulberry Wood
WANG Yan-yun1,2, WU Kai1,2, LEI Fu-hou3, YANG Jing1,2
(1. Yunnan Provincial Key Laboratory of Wood Adhesives and Glued Products,Southwest Forestry University, Kunming 650224,China; 2. College of Materials Science and Engineering,Southwest Forestry University, Kunming 650224, China ;3. Guangxi Key Laboratory of Chemistry and Engineering of Forest Products, Nanning 530006, China)
Abstruct:During the multi-stage enzymatic hydrolysis of lignocellulosic materials,the product inhibitions were reduced by the removal of end products at each stage to enhance the hydrolysis efficiency and shorten the hydrolysis time with NaOH-Fenton pretreated mulberry as raw material. During the three-stage (8+8+8 h) hydrolysis,as the enzymatic dosage was 15 FPIU/g(calculated by the mass of cellulose,similarly here in after),enzymatic average reaction rate increased from 1.25 to 2.21 g/(L·h) at the first stage,and after the second stage,it reached 1.54 g/(L·h) and increased rapidly by 73 % comparing with that of unsegmented hydrolysis.When enzymatic dosage was 40 FPIU/g ,the three-stage (8+8+8 h) hydrolysis could reach 88.08 %.Multi-stage hydrolysis made full use of the absorbed cellulase on substrate.The classical Langmuir adsorption isotherm was used tot the cellulase enzyme adsorption on substrates.The adsorption capacity of cellulase on NaOH-Fenton pretreated mulberry was studied with the maximum adsorption capacity of 8.08 mg/g substrate.The adsorbed sites were enhanced in the pretreatment process.
Key words:cellulase;enzymatic hydrolysis;enzymatic reaction rate;cellulose adsorption
·研究報告——生物質化學品·