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)?。我?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(lèi)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(lèi)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(zhuān)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(mǎn)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(lèi)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(lèi)：“金寶貝”和“滿(mǎn)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(lèi)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(lèi)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?xún)?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(lèi)原料和糖類(lèi)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)。

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2010－10－16

草類(lèi)原料清潔制漿專(zhuān)欄