玉米秸稈各部位分離利用的研究進(jìn)展

歐 巍，王彥靖，王秀飛，劉 鵬，劉海燕

（吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130033）

我國玉米秸稈資源豐富，年產(chǎn)量可達(dá)2.5 億t[1]。隨著科技不斷發(fā)展，自80年代起，我國愈發(fā)重視玉米秸稈的綜合利用。企業(yè)、科研院所、高校學(xué)者不斷探索玉米秸稈綜合利用的新方法、新技術(shù)，以期提高玉米秸稈的利用率。但秸稈產(chǎn)品附加值低，利用率低于總量的30%，多數(shù)被丟棄或焚燒，造成嚴(yán)重環(huán)境污染與資源浪費(fèi)[2]。目前，針對(duì)玉米秸稈的各種處理方法大多為整株處理，但秸稈不同部位的細(xì)胞數(shù)目、排列方式，細(xì)胞壁的形成過程以及不同部位的組分、化學(xué)結(jié)構(gòu)均不同[3-4]，且各部位相互干擾，影響利用效果，因此，對(duì)玉米秸稈進(jìn)行分部位利用非常必要[5]。本文從玉米秸稈不同部位組成和特點(diǎn)、分離技術(shù)、利用技術(shù)的進(jìn)展等方面展開綜述，為今后玉米秸稈分部位利用提供研究思路和技術(shù)參考。

1 玉米秸稈不同部位組成和特點(diǎn)

國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)不同研究?jī)?nèi)容、利用方式與特性，將玉米秸稈分為3～8部分，詳細(xì)劃分情況見表1[4,6-23]。

由表1 可知，玉米秸稈劃分的部位越多，各部位的組成、結(jié)構(gòu)越精確，但加工成本越高，不適合應(yīng)用于生產(chǎn)。因此，綜合玉米秸稈各部位的物理、化學(xué)、組織結(jié)構(gòu)、所占比例等情況以及生產(chǎn)中的應(yīng)用方式考慮，分為莖皮、穰、葉3 個(gè)部位比較合理，因?yàn)橛衩捉斩挼娜~、穰、莖皮的重量比分別約占總重量的51.2%、32.9%、15.9%[24]。

表1 玉米秸稈不同部位的劃分情況Tab.1 Classification of different parts of corn stalks

玉米秸稈莖皮、穰、葉的組織、形態(tài)、化學(xué)組成不同，玉米秸稈莖皮具有木質(zhì)性，拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度較高，纖維形態(tài)特征與楊木相當(dāng)[7,25-27]。玉米秸稈的莖皮較堅(jiān)硬，具有支撐和保護(hù)的功能[28-29]。玉米秸稈的莖皮纖維較致密，有機(jī)物、中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維和酸性洗滌木質(zhì)素含量較高[30]，薄且不規(guī)則的蠟質(zhì)層位于秸稈外皮的表皮層，厚度約為0.04 mm[31]。通過表征玉米秸稈苞葉和莖皮部位的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)不同部位的木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)存在差異，莖皮木質(zhì)素主要由紫丁香基構(gòu)成，而苞葉木質(zhì)素主要由愈創(chuàng)木基構(gòu)成，莖皮中木質(zhì)素與半纖維素的連接較強(qiáng)，不利于 二者分離[32]。

玉米秸稈穰體積大、蓬松[33]，內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈網(wǎng)孔狀，透氣性較好。玉米秸稈富含粗脂肪、粗蛋白和糖類物質(zhì)[34]，其含量顯著高于水稻和小麥秸稈。玉米秸稈葉的粗脂肪、粗蛋白含量高，粗纖維的含量較低[30]。電鏡掃描分析和X射線衍射分析結(jié)果表明，葉和穰較外皮部結(jié)構(gòu)疏松，結(jié)晶度低[35]；顯微鏡觀察可知，皮、穰、葉細(xì)胞的組織結(jié)構(gòu)差異較大[31]。

2 玉米秸稈各部位分離的研究進(jìn)展

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)玉米秸稈不同部位組織結(jié)構(gòu)、組成特點(diǎn)的研究結(jié)果可知，玉米秸稈分部位利用可更有效地利用玉米秸稈。葉、莖皮、穰是玉米秸稈的3種主要組分，因此，將玉米秸稈分為莖皮、穰、葉的利用方式較為理想，目前已有大量關(guān)于玉米秸稈的莖皮、穰、葉高效分離加工技術(shù)的研究，并取得了較好的分離效果。

自20 世紀(jì)90 年代起，我國開始進(jìn)行玉米秸稈皮穰葉分離機(jī)械設(shè)備的研究。國外主要根據(jù)氣流分離原理研制玉米秸稈皮穰分離設(shè)備，可分為機(jī)械分離式和氣流分選式。孫竹瑩[36]以剖分和旋切的機(jī)械分離原理為依據(jù)，研制玉米秸稈皮穰分離機(jī)，實(shí)現(xiàn)了玉米秸稈葉、皮、穰的分離。高夢(mèng)祥[37]研究發(fā)現(xiàn)，采用鋼絲刷輥高速?zèng)_擊、梳刷作用分離玉米秸稈，效果較好。劉麗玲[38]設(shè)計(jì)了3 個(gè)（除葉、莖稈剖切、剖穰）獨(dú)立試驗(yàn)臺(tái)，通過研究加工過程建立了皮穰葉分離利用的主要工藝流程。于克強(qiáng)等[39]分析皮穰分離機(jī)理的試驗(yàn)結(jié)果，提出應(yīng)采用碾壓、接觸剝穰、拋穰階段分離玉米秸稈的皮、穰、葉的結(jié)論。王德福等[40]在現(xiàn)存研究基礎(chǔ)上，對(duì)除葉與剝穰機(jī)構(gòu)開展了運(yùn)行試驗(yàn)，確定了除葉與剝穰機(jī)構(gòu)的運(yùn)行參數(shù)，結(jié)果表明，對(duì)不同季節(jié)玉米秸稈的皮穰分離加工的效果較好，除葉率高于97.6%，剝穰率高于95.7%。華新生等[41]研制的秸稈皮穰分離設(shè)備可直接粉碎秸稈，并分別以細(xì)絲狀的外皮、塊狀的穰排出。任德志等[42]研究發(fā)現(xiàn)，皮穰分離機(jī)的使用效果取決于分離機(jī)中的皮穰分離機(jī)構(gòu)，以根據(jù)玉米秸稈物料特性研發(fā)的碾壓揭皮裝置分離皮穰，可提高玉米秸稈的皮穰分離效率。新設(shè)計(jì)的皮穰葉分離機(jī)，在較優(yōu)生產(chǎn)參數(shù)下，除葉率可達(dá)到97.5%，穰基本被去除，莖皮完整，穰粒均勻，達(dá)到皮穰葉分離的要求[43]。

王景鋒等[44]研究表明，不同形態(tài)物料的氣流式分離機(jī)的性能指標(biāo)隨各參數(shù)發(fā)生變化。楊中平[45]研究表明，垂直氣流分離可大幅度提高皮穰的分凈率與分離率，從而達(dá)到穰與莖皮分別排出的效果。張紅杰[24]初分離玉米秸稈，并分級(jí)風(fēng)選各組分，獲得了較好的分離效果。也有研究發(fā)現(xiàn)，利用篩分和旋轉(zhuǎn)風(fēng)分離裝置可分離皮和穰[46]。單瑞霞[47]對(duì)玉米秸稈皮穰分離機(jī)的喂料機(jī)構(gòu)進(jìn)行了全面系統(tǒng)研究，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)定量輸出、提高工作效率、降低生產(chǎn)成本的目的。

通過對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果的分析可知，對(duì)玉米秸稈莖皮、穰、葉三者進(jìn)行有效分離是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要全面研究分離設(shè)備、原理、方法及工藝，取得較好的分離效果。

3 玉米秸稈各部位利用的研究進(jìn)展

3.1 玉米秸稈莖皮應(yīng)用于燃料顆粒的研究進(jìn)展

研究表明，玉米秸外皮機(jī)械強(qiáng)度好、特性均一、易于加工，不適合飼料化利用，應(yīng)用于燃料制作是不錯(cuò)的選擇。

劉圣勇等[48]研究中，通過燃燒結(jié)渣特性測(cè)定、燃燒灰渣分析以及相關(guān)判別方法，對(duì)玉米秸稈成型燃料的結(jié)渣特性開展試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)玉米秸稈結(jié)渣傾向?yàn)橹械?。李慧媛等[49]研究表明，有髓玉米秸稈的結(jié)渣傾為中等，無髓玉米秸稈的結(jié)渣傾向?yàn)檩p微。何勛等[50]研究表明，玉米秸稈皮顆粒燃料抗破碎性、顆粒成型密度分別為94.9%、1.0 g/cm3以上，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)顆粒燃料的要求，為秸稈皮燃料商品化發(fā)展提供了技術(shù)支撐。

3.2 玉米秸稈穰葉利用的研究進(jìn)展

玉米秸稈的穰由薄壁細(xì)胞與嵌入的維管組織構(gòu)成[27]，易被瘤胃細(xì)菌消化。玉米秸稈穰葉的營養(yǎng)成分含量相對(duì)較高，宜飼料化利用。目前，國內(nèi)外已有大量關(guān)于玉米秸稈穰葉飼料化利用的研究，主要圍繞穰葉的營養(yǎng)成分分析和營養(yǎng)價(jià)值評(píng)定[51-52]；也有學(xué)者測(cè)定各部位中性洗滌纖維的有效降解率，結(jié)果表明，不同部位的降解率排列順序?yàn)椋喊~＞穰＞葉片＞葉鞘＞外皮[53]，結(jié)果表明，與整株玉米秸稈相比，玉米秸稈穰葉的粗蛋白、粗脂肪的含量顯著提高，中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維的含量降低，木質(zhì)素含量顯著降低，營養(yǎng)價(jià)值顯著提高。李婷婷等[54]研究玉米秸稈穰發(fā)酵殘?jiān)姆旨?jí)利用，測(cè)定發(fā)酵殘?jiān)牡鞍踪|(zhì)含量與體外消化率，結(jié)果表明，玉米秸稈穰發(fā)酵殘?jiān)鳛樯蟾叩鞍罪暳暇哂幸欢尚行浴?/p>

高翔[46]研究發(fā)現(xiàn)，加入漆酶和半乳糖酶處理秸稈穰壓塊飼料，并加入一定量精料，不僅飼料塊成型效果好，還能夠提高飼料塊的營養(yǎng)成分?？追叉玫萚55]研究表明，在橫向、豎向的壓縮狀態(tài)下，秸稈葉的最大壓縮力受含水率和取樣部位兩因素的影響均極顯著。何勛等[56]優(yōu)化了玉米秸稈葉顆粒飼料的生產(chǎn)工藝參數(shù)，產(chǎn)品的密度達(dá)到1.185 g/cm3，為秸稈穰葉作為商品生產(chǎn)提供了技術(shù)支撐。

秸稈穰中半纖維素含量較高，結(jié)構(gòu)松軟呈網(wǎng)孔狀，具有較好的吸附性能和緩沖性能[57-58]。有學(xué)者認(rèn)為，玉米秸稈穰適宜作為緩沖包裝材料或模壓包裝材料[59-60]。王芳等[61]以玉米秸稈穰為原料，制備的玉米秸稈穰板是一種高效保溫材料，具有吸聲保溫特性。穰也可制成電容性較高的碳材料及優(yōu)良化學(xué)性能的硬碳材料[62-63]。

4 結(jié)論

玉米秸稈分部位利用，是一種極具市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿彤a(chǎn)業(yè)化前景的技術(shù)。國內(nèi)外學(xué)者在玉米秸稈皮、穰、葉組分分離技術(shù)獲得的研究成果，是玉米秸稈皮高值化利用、穰葉高營養(yǎng)化利用的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。因此，將玉米秸稈分部位利用，整體提高玉米秸稈的附加值，是今后玉米秸稈綜合利用研究的發(fā)展趨勢(shì)。