生物處理玉米秸稈的研究進(jìn)展

許 偉 李金華 趙秋兵

（①山東輕工業(yè)學(xué)院，山東省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南，250353）（②DUPLO辦公設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南，250100）

生物處理玉米秸稈的研究進(jìn)展

許 偉①李金華②趙秋兵②

（①山東輕工業(yè)學(xué)院，山東省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南，250353）（②DUPLO辦公設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南，250100）

本文主要對(duì)近十年來(lái)，玉米秸稈生物處理方面的研究與利用作了綜述。

玉米秸稈 酶解 生物發(fā)酵 木素

1 引言

我國(guó)是世界上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)之一，每年的農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量相當(dāng)龐大。2000年，我國(guó)的秸稈產(chǎn)量就達(dá)到了6億多噸，其中，玉米秸稈產(chǎn)量達(dá)2.2億多噸[1]。這一巨大資源，除了用作動(dòng)物飼料和生活燃料外，大部分被棄于田間或就地?zé)簟Ｎ覈?guó)本身是一個(gè)能源短缺的國(guó)家，加大對(duì)農(nóng)業(yè)秸稈的回收利用，如生物處理玉米秸稈，對(duì)解決我國(guó)木材等纖維資源短缺和促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展依然有著重要意義。

2 玉米秸稈的纖維形態(tài)與化學(xué)組成

劉麗英、陳洪章[2]建立了近紅外漫反射光譜（NIRS）測(cè)定方法用以測(cè)定玉米秸稈的組分。秸皮的主要成分是纖維素和木質(zhì)素；秸穰則包含大量的半纖維素、淀粉和少量蛋白成分；秸葉主要含有粗蛋白、粗脂肪和糖類物質(zhì)。玉米秸皮強(qiáng)度高、韌性好，是造紙、人造板等行業(yè)的好材料。

從表1可以看出，相對(duì)于一般的草類原料，玉米稈的平均纖維長(zhǎng)度較長(zhǎng)，長(zhǎng)寬比也較大，其胞腔較大，壁腔比較小[3]。玉米稈纖維形態(tài)表明，此原料適合作為纖維原料用于制漿造紙。

表1 玉米秸稈纖維形態(tài)

從表2[3]中可以看出,玉米秸稈中，綜纖維素和木素含量較低，而抽出物和灰份含量較高，戊聚糖含量居中。（見(jiàn)表2）

3 玉米秸稈的生物處理方法

3.1 生物菌種的選取

降解玉米秸稈中的纖維素、半纖維素和木素，首先要篩選出具有針對(duì)性的菌種，利用菌種所分泌的酶系，對(duì)這些物質(zhì)進(jìn)行專一性的分解[4]。目前，纖維素酶活力較高的微生物有木霉、黑曲霉、青霉等[5]。對(duì)于降解玉米秸稈中纖維素多采用綠色木霉和黑曲霉。玉米秸桿中約94%的半纖維素是阿拉伯糖、葡萄糖及醛酸木聚糖，能降解纖維素的真菌所分泌的酶系，基本上可以滿足半纖維素的降解。因此，一般采用綠色木霉和黑曲霉一次完成纖維素和半纖維素的降解。白腐真菌是最有效的木素降解微生物，其中黃抱原毛平革可能是研究最為深入、最具有代表性的微生物。其他著名的白腐真菌，如彩絨革蓋菌（coriolusve rsicolor），其不僅具有降解纖維素的能力，同時(shí)也表現(xiàn)出更強(qiáng)的降解木質(zhì)素的能力。

3.2 發(fā)酵處理

未經(jīng)處理的秸稈消化率和能量利用率低主要是由于秸稈中的木素與糖類結(jié)合在一起，使得微生物和酶很難將其分解。此外，秸稈中的蛋白質(zhì)含量低和其他必要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏也會(huì)導(dǎo)致秸稈中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不能被動(dòng)物充分吸收利用[4]。玉米秸稈因具有堅(jiān)硬的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，其纖維素與木素緊密結(jié)合，不容易被動(dòng)物消化，直接用做飼料，適口性差，因此，對(duì)玉米秸稈的處理至關(guān)重要。

表2 玉米秸稈的化學(xué)組成

3.2.1 微生物發(fā)酵劑對(duì)玉米秸稈的發(fā)酵

于艷輝等[5]的研究認(rèn)為，秸稈發(fā)酵過(guò)程中，全營(yíng)養(yǎng)和速效營(yíng)養(yǎng)的變化恰是高分子物質(zhì)降解的結(jié)果，因而將化學(xué)指標(biāo)簡(jiǎn)化為營(yíng)養(yǎng)測(cè)定。試驗(yàn)結(jié)果表明，接種外源微生物菌劑可有效加速玉米秸稈的發(fā)酵腐熟效果、加速升溫和體積變化、縮短發(fā)酵時(shí)間。通過(guò)發(fā)酵過(guò)程中溫度、體積、C/N及各營(yíng)養(yǎng)的變化情況，可將5種發(fā)酵劑分為三類：“金寶貝”和“滿園春”的發(fā)酵效果較好，有機(jī)物速腐劑和青島龍力發(fā)酵劑的發(fā)酵效果一般，而HM發(fā)酵基的效果較差。試驗(yàn)表明，在含水量和C/N值適宜條件下，接種恰當(dāng)?shù)奈⑸锟梢杂行У卮龠M(jìn)玉米秸稈單一發(fā)酵。與對(duì)照相比，各處理升溫迅速并能很快達(dá)到高溫（＞45℃），從而縮短了發(fā)酵時(shí)間，精簡(jiǎn)了發(fā)酵工序。

3.2.2 里氏木霉和酵母菌混合發(fā)酵玉米秸桿

王德培，劉瑛等[6]對(duì)降解纖維素的菌種和利用秸桿產(chǎn)出粗蛋白的菌種進(jìn)行了選擇，初步確定了里氏木霉DWC和產(chǎn)朊假絲酵母CP2混合菌系共同發(fā)酵，可將纖維素降解并產(chǎn)出粗蛋白，并應(yīng)用正交實(shí)驗(yàn)對(duì)其生產(chǎn)工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，選出了最優(yōu)條件：pH值為3.0，溫度為30℃，培養(yǎng)4d，氮源尿素，接種時(shí)間相隔 24h，接入菌種比（CP2：里氏木霉）為 1：4。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在此條件下的發(fā)酵結(jié)果表明，粗蛋白含量可達(dá)30.55%，其纖維素轉(zhuǎn)化率可達(dá)33.5%。

3.3 酶解處理

3.3.1 白腐菌處理玉米秸稈

研究者采用玉米秸稈和石灰作為主料，添加不同配比的玉米面和麥麩生產(chǎn)白腐菌的發(fā)酵曲種，生產(chǎn)出的菌種均能發(fā)酵玉米秸稈。隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，各組的木素、纖維素和半纖維素含量都有一定程度的下降，且木素的降解主要發(fā)生在10d以后，略晚于纖維素的降解時(shí)間[7]。其原因就是白腐菌可以產(chǎn)生分解木素、纖維素和半纖維素等的酶系，且各降解酶之間存在一定的協(xié)同作用，纖維素酶與半纖維素酶可降解纖維素和木聚糖等多糖，為白腐菌的生長(zhǎng)和木素的降解提供必需的碳源和能量來(lái)源，同時(shí)，多糖的分解產(chǎn)物可作為葡萄糖氧化酶、木糖氧化酶、纖維二糖－醌氧化酶、木二糖－醌氧化酶的底物，前者生成的H2O2，活化了木素降解酶的反應(yīng)，后者則能實(shí)現(xiàn)醌類中間體的快速代謝以防止木素的重新聚合。通過(guò)玉米秸稈來(lái)生產(chǎn)白腐菌菌種，一方面可以降解玉米秸稈的粗纖維成分，提高CP的水平，有利于動(dòng)物利用；另一方面，得到的白腐菌可以大量應(yīng)用于生物機(jī)械漿的生產(chǎn)，以提高漿料相應(yīng)性能。

3.3.2 復(fù)合酶降解高溫蒸煮玉米秸稈

玉米秸稈細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)致密，酶解時(shí)，木素結(jié)構(gòu)可以保護(hù)纖維素和半纖維素免受大量降解。因此，采用酶法對(duì)秸稈進(jìn)行有效降解，需對(duì)秸稈進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，然后，通過(guò)生物酶的協(xié)同作用，將秸稈中糖類物質(zhì)盡可能多的降解成還原糖，以應(yīng)用于生產(chǎn)。研究者對(duì)玉米秸稈進(jìn)行高溫蒸煮預(yù)處理后，可使木質(zhì)素熔化，半纖維素和纖維素分子發(fā)生斷裂、降解、氫鍵斷裂而吸水，有助于酶接觸相應(yīng)底物，有利于酶解。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)[8]，復(fù)合酶降解高溫蒸煮玉米秸稈，提高了玉米秸稈降解率，已非常接近玉米秸稈理論降解率（約74%）。

4 玉米秸稈的工業(yè)應(yīng)用探索

玉米秸稈經(jīng)過(guò)纖維素酶和纖維二糖酶的協(xié)同作用，得到的水解液中含有葡萄糖和木糖，濃縮后的玉米秸稈水解液，可用于發(fā)酵生產(chǎn)2，3－丁二醇。在發(fā)酵過(guò)程中，Klebsiella oxytoca ZU－03菌株優(yōu)先利用葡萄糖，在低葡萄糖濃度情況下開(kāi)始消耗木糖，最終將五碳糖和六碳糖都轉(zhuǎn)化為2，3－丁二醇[11]。高濃度的Na2SO4對(duì)于菌體的生長(zhǎng)和2，3－丁二醇的產(chǎn)生具有抑制作用。當(dāng)其濃度在20g/L以內(nèi)時(shí)，對(duì)發(fā)酵沒(méi)有明顯影響。乙酸和乙醇是兩種主要的副產(chǎn)物，當(dāng)濃度分別超過(guò)20g/L和8g/L時(shí)會(huì)對(duì)發(fā)酵產(chǎn)生明顯的抑制作用。采用Klebsiella oxytoca ZU－03發(fā)酵玉米秸稈水解液生產(chǎn)2，3－丁二醇，實(shí)現(xiàn)了纖維素和半纖維素的共同利用，是可再生植物纖維資源生物轉(zhuǎn)化的有效途徑。

玉米秸稈中含有大量的半纖維素，其結(jié)構(gòu)單元有木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等，其中木糖占一半以上。研究者們以超聲波為強(qiáng)化手段，稀硫酸為催化劑，水解提取玉米秸稈中的木糖，最高得率可達(dá)32.06%[12]。

傳統(tǒng)生物制品工業(yè)中的大多數(shù)制造工藝均采用淀粉類原料和糖類制品，研究發(fā)現(xiàn)許多微生物可以同時(shí)利用己糖和戊糖發(fā)酵生產(chǎn)產(chǎn)品，這使得直接利用農(nóng)林廢棄物降解產(chǎn)生的多糖發(fā)酵生產(chǎn)基礎(chǔ)化合物（包括丙酮、丁醇以及氫）成為一條切實(shí)可行的工藝路線。研究人員通過(guò)對(duì)玉米秸稈堿處理?xiàng)l件的研究[13]，確定了堿處理過(guò)程中工藝參數(shù)對(duì)預(yù)處理樣品纖維素、半纖維素和木素組成、酶解效率和總糖得率的影響，為植物纖維原料制糖的工業(yè)化提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

[1]孫竹瑩，郭升民.玉米秸桿皮穰分離及其制漿試驗(yàn)[J].中華紙業(yè)，2001，22（5）：41-42.

[2]劉麗英，陳洪章.玉米秸稈組分近紅外漫反射光譜（NIRS）測(cè)定方法的建立[J].光譜學(xué)與光譜分析，2007，27（2）：275-278.

[3]程合麗，詹懷宇，李兵云，付時(shí)雨.玉米稈纖維形態(tài)和制漿漂白特性研究 [J].造紙科學(xué)與技術(shù)，2008，27（6）：76-79.

[4]李海紅，郭雅妮，同幟.玉米秸稈的生物降解效果研究.西安工程大學(xué)學(xué)報(bào) 2010，24（3）：294-297.

[5]王蓓，張建民，朱格仙等.硫氧化細(xì)菌的篩選及其脫硫性能研究 [J].紡織高?；A(chǔ)科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，20（4）：418-420.

[6]朱德文.農(nóng)作物秸稈用作動(dòng)物飼料可行性與限制因素等分析[J].飼料研究，2003（2）:349-351.

[7]于艷輝，程智慧，謝芝春，張慶春，薛書(shū)浩.5種微生物發(fā)酵劑對(duì)玉米秸稈的發(fā)酵效果[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2010，19（2）:95-99.

[8]王德培，劉瑛，夏蘭英，高輝.里氏木霉和酵母菌混合發(fā)酵玉米秸桿的研究 [J].天津科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（2）：1-3.

[9]侯進(jìn)，李婷，李杰.白腐真菌降解玉米秸稈的研究[J].飼料博覽，2010，（1）：4-7.

[10]陳合，余建軍，舒國(guó)偉.復(fù)合酶降解高溫蒸煮玉米秸稈研究[J].糧食與油脂，2010（3）：21-23.

[11]司陽(yáng)，夏黎明.利用玉米秸稈水解液發(fā)酵生產(chǎn)2，3-丁二醇 [J]. 食品與發(fā)酵工業(yè)，2010，36（2）：26-29.

[12]劉長(zhǎng)虹，吳樹(shù)新，朱艷坤.玉米秸稈制備木糖工藝的研究[J].中國(guó)資源綜合利用，2009，27（1）：9-12.

[13]歐陽(yáng)嘉，李鑫，董鄭偉，連之娜.堿法-酶法處理玉米秸稈的制糖工藝研究.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，34（3）：1-5.

2010－10－16

草類原料清潔制漿專欄