玉米秸稈高值化利用研究進(jìn)展

摘 要 玉米秸稈是產(chǎn)量最大的農(nóng)作物秸稈，利用不好既浪費(fèi)資源又影響農(nóng)業(yè)環(huán)境，而研究采用先進(jìn)技術(shù)開展玉米秸稈高值化利用才是解決玉米秸稈問題的有效措施，目前玉米秸稈的高值化利用主要包括提取天然產(chǎn)物，生產(chǎn)生物燃料，制備生物炭、水凝膠、納米纖維素薄膜等，其研究和利用已取得一定進(jìn)展，但也存在科技含量不夠、缺少專業(yè)技術(shù)人才、產(chǎn)業(yè)規(guī)模不穩(wěn)定等問題，不過隨著各級政策的大力支持、科技水平的不斷提高，玉米秸稈高值化利用研究還會取得更新的發(fā)展。

關(guān)鍵詞 玉米秸稈；高值化利用；天然產(chǎn)物；生物燃料；生物炭；納米纖維素薄膜

中圖分類號：S513 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.21.032

玉米是世界上重要的糧食作物，其營養(yǎng)價值與保健作用非常高。2021年我國玉米產(chǎn)量約2.9億t，由此產(chǎn)生的秸稈約3.5億t，玉米秸稈作為玉米種植的副產(chǎn)物，產(chǎn)量巨大且含有豐富的營養(yǎng)和多種可利用的化學(xué)成分[1]。過去玉米秸稈在田間地頭隨處可見，利用率很低，少部分用于農(nóng)村燒火做飯，大部分被焚燒掉，不僅造成了資源的浪費(fèi)，還嚴(yán)重污染了大氣環(huán)境。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人們環(huán)保意識的提高，玉米秸稈的利用方式逐漸多樣化，包括秸稈還田、飼料加工、沼氣生產(chǎn)、食用菌栽培等，但上述玉米秸稈利用方式科技含量低，大多存在一定的缺陷，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也比較低[2]。因此，研究玉米秸稈的高值化利用技術(shù)迫在眉睫，對于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展及環(huán)境保護(hù)均具有非常重要的意義。

2022年中央一號文件明確提出支持秸稈綜合利用。近年來，隨著各級政策的支持和科技水平的不斷提高，逐漸出現(xiàn)了一些新型的玉米秸稈高值化利用方式，主要包括玉米秸稈提取天然產(chǎn)物，生產(chǎn)生物燃料，制備生物炭、水凝膠、納米纖維素薄膜等。

1" 研究現(xiàn)狀

1.1" 玉米秸稈提取天然產(chǎn)物

研究表明，玉米秸稈中含有多種可利用的化學(xué)成分，部分具有良好的藥物活性，例如抗炎、抗腫瘤、降血糖等。目前，玉米秸稈綜合利用并沒有充分利用其中寶貴的活性化學(xué)成分，造成了資源的極大浪費(fèi)，因此，研究玉米秸稈活性化學(xué)成分的提取純化工藝具有非常重要的意義。玉米秸稈天然產(chǎn)物包括生物大分子與天然有機(jī)小分子，相關(guān)研究提取的生物大分子包括纖維素、半纖維素、多糖等，提取的天然有機(jī)小分子包括酚酸類、香豆素類等，采用玉米秸稈提取生物大分子研究的比較多，提取天然有機(jī)小分子研究的比較少。

Song等首次報道了一種從玉米秸稈中低溫提取纖維素的新工藝，命名為低溫漆酶系統(tǒng)（LTLS）， 該工藝的主要特征是在提取過程中使用了漆酶，所需提取溫度較低，提取溶劑可反復(fù)循環(huán)使用，不僅經(jīng)濟(jì)環(huán)保，而且所得纖維素的純度與產(chǎn)率均較高[3]。肖本勝等以玉米秸稈為原料，以60 g·L-1的堿液為溶劑，在固液比為1∶12、提取溫度為80 ℃、提取時間為2 h條件下，提取得到了半纖維素，其最高提取率可達(dá)21.52%，紅外波譜分析表明，此種方法所得半纖維素的主要成分為聚木糖，該方法可為功能性低聚糖的生產(chǎn)提供原料[4]。夏文靜等開發(fā)出一種以玉米秸稈為原料制備阿魏酸的新方法，以0.75 mol·L-1的氫氧化鈉溶液為溶劑，在固液比為1∶60、提取溫度為50 ℃、提取時間為12 h條件下，阿魏酸的最高提取量可達(dá)到26.06" mg·g-1[5]。

1.2" 玉米秸稈生產(chǎn)生物燃料

生物燃料指利用生物質(zhì)資源所生產(chǎn)的燃料，其與傳統(tǒng)化石燃料相比具有明顯的優(yōu)越性：1）生物燃料屬于可再生能源，可實現(xiàn)在自然界的循環(huán)使用，其燃燒產(chǎn)生的二氧化碳又可被植物體吸收轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)資源，進(jìn)而可繼續(xù)用于生物質(zhì)燃料的生產(chǎn)；2）生物燃料的污染較小，可降低汽車尾氣所導(dǎo)致的城市污染，但生物燃料大多使用糧食作為原料，造成了糧食資源的極大浪費(fèi)，加重了全球糧食危機(jī)，其弊端亦比較明顯。研究表明，可用農(nóng)作物秸稈作為原料來制備生物燃料，不僅解決了生物燃料的原料問題，還有利于消除農(nóng)業(yè)廢棄物，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展。玉米秸稈作為產(chǎn)量最大的作物秸稈可以用來生產(chǎn)生物燃料，例如生產(chǎn)乙醇、丁醇、生物油、芳香化合物等，以實現(xiàn)其高值化利用。

朱均均等在100 ℃下，以3%的硫酸處理玉米秸稈3 h，然后對預(yù)處理渣進(jìn)行酶水解、濃縮與發(fā)酵處理，再對預(yù)水解液進(jìn)行三烷基胺脫毒、濃縮與發(fā)酵處理，兩步操作的乙醇得率分別為89.90% 、82.34%，大致每6.8 t絕干玉米秸稈可以生產(chǎn)1 t乙醇[6]。Chen等以氧化銅為催化劑研究了玉米秸稈的水熱液化，結(jié)果表明，其主要產(chǎn)物是重質(zhì)生物油，其中芳香族化合物在重質(zhì)生物油中的比例最高，在反應(yīng)溫度為230 ℃、反應(yīng)時間為1 h、氧化銅含量為3 g、氫氧化鈉濃度為1 mol·L-1條件下，芳香族化合物的最大比例可達(dá)89.84%，該項工作為玉米秸稈生產(chǎn)生物燃料研究提供了新的思路[7]。Zhang等利用蒸汽爆破玉米秸稈，獲得酶解上清液，而后以此為原料利用新選育的乙酰丁醇梭菌發(fā)酵來生產(chǎn)生物燃料丁醇。研究表明，當(dāng)玉米秸稈酶解液中糖的濃度為57.5 g·L-1、初始pH值為6.3、碳酸鈣添加量為5 g·L-1、酶解溶液的細(xì)菌接種濃度為6%、發(fā)酵溫度為37 ℃ 時，丁醇產(chǎn)率可達(dá)9.88 g·L-1 [8] 。

1.3" 玉米秸稈制備生物炭

生物炭是生物質(zhì)熱裂解之后的產(chǎn)物，主要成分是碳分子，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物炭，不僅可以起到固碳降低大氣中二氧化碳的作用，還可以增加土壤肥力，促進(jìn)植物生長。此外，生物炭還是良好的土壤改良劑，可用于修復(fù)重金屬污染的土壤[9]。玉米秸稈是良好的生物質(zhì)原料，可以用來生產(chǎn)生物炭。李力等以玉米秸稈為原料，在350 ℃和700 ℃熱解溫度下分別制備了兩種生物炭BC350和BC700，Cd （Ⅱ） 吸附評價實驗表明，BC700對Cd （Ⅱ） 的吸附能力明顯優(yōu)于BC350，其對Cd （Ⅱ） 的吸附容量可達(dá)52.9 mg·g-1[10]。Fan等以鐵浸漬的玉米秸稈為原料，在600 ℃的熱解溫度下制備了負(fù)載鐵的生物炭，其最大砷吸附容量可達(dá)14.77 mg·g-1，可用于砷污染的水源或土壤的修復(fù)[11]。Guo等以農(nóng)業(yè)廢棄玉米秸稈為原料在500 ℃下制備了生物炭，其活化過硫酸鹽后能很好地氧化去除被污染水溶液和土壤中的苯并芘，具有潛在的良好應(yīng)用前景[12]。趙建兵等以玉米秸稈為研究對象，通過高溫焙燒制備了玉米秸稈生物炭，并探討了其對水中鉛、鎘離子的吸附性能，結(jié)果表明，800 ℃下焙燒所制玉米秸稈生物炭可以有效去除水中的鉛、鎘離子，這主要是物理吸附與化學(xué)沉淀共同作用的結(jié)果[13]。

1.4" 玉米秸稈制備水凝膠

水凝膠作為一種新型的材料，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療行業(yè)中。研究表明，玉米秸稈可以用來制備水凝膠，制備的水凝膠可用于污水處理、凍干支架制備、用作土壤保水劑等。侯兆超等人以濃磷酸為介質(zhì)、過硫酸銨為引發(fā)劑、Ｎ，Ｎ'-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，選擇丙烯酸與玉米秸稈纖維素為原料制備了性能優(yōu)異的水凝膠[14]。張飛雄等以粉碎的玉米秸稈和羧甲基纖維素為原料制備了玉米秸稈/羧甲基纖維素水凝膠，其含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)97.47%[15]，后續(xù)研究表明該水凝膠可以明顯提升土壤持水率及玉米種子的萌發(fā)率，展現(xiàn)了其在干旱土壤保水方面的良好應(yīng)用前景。Cheng等首先以脫木質(zhì)素玉米秸稈與2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）為原料制備了磺化纖維素，再以過硫酸鉀為引發(fā)劑、Ｎ，Ｎ'-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑進(jìn)行了磺化纖維素與丙烯酸（AA）的接枝共聚，制備了玉米秸稈-AMPS-AA水凝膠，研究表明，當(dāng)聚合溫度為50 ℃、交聯(lián)劑為1.2%、磺化纖維素與丙烯酸的比例為1∶7、引發(fā)劑為2% 時所制備的水凝膠具有最佳的吸水率[16]。

1.5" 玉米秸稈制備納米纖維素薄膜

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，有機(jī)薄膜因成本低廉、耐沖擊性強(qiáng)、易于取材等優(yōu)點普遍應(yīng)用于科研與工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，納米纖維素薄膜即是一種應(yīng)用廣泛的有機(jī)薄膜，研究者利用玉米秸稈制備納米纖維素薄膜，以滿足當(dāng)今科研與工業(yè)發(fā)展的需要。Bian等以玉米秸稈和小麥秸稈為原料制備了纖維素溶液和納米纖維素，以此為原料進(jìn)一步制備了全纖維素納米復(fù)合膜，并通過X射線衍射和傅里葉變換紅外光譜分析了全纖維素納米復(fù)合膜的晶體結(jié)構(gòu)[17]。周晉等以玉米秸稈糠醛剩余物為原料，通過硫酸水解、超聲和 2，2，6，6-四甲基哌啶氧化物氧化3種方法分別制備了3種納米纖維素，并進(jìn)一步制備了相應(yīng)的納米纖維素薄膜CFR-CNC、CFR-CNF和CFR-TNC （CFR：玉米秸稈糠醛剩余物，CNC：纖維素納米晶體，CNF：纖維素納米纖維，TNC：納米纖維素），3種薄膜的透光性均較好，其中CFR-CNF薄膜的拉伸強(qiáng)度較高，CFR-CNC 薄膜的抗形變性能較好[18]。張愛武等首先制備了玉米秸稈納米纖維素與玉米秸稈淀粉，然后以此為原料利用共混流延法制備了玉米秸稈納米纖維素-淀粉膜，單因素和正交試驗研究表明，當(dāng)成膜液中淀粉含量為10.0%（W/V）、納米纖維素含量為5.0%（W/V）、羧甲基纖維素鈉含量為 1.6%（W/V）、甘油含量為 2.3%（V/V）時可制得性能最優(yōu)異的玉米秸稈納米纖維素-淀粉膜[19]。

2" 存在的問題

全世界范圍內(nèi)每年都會有大量的農(nóng)作物秸稈產(chǎn)生，農(nóng)作物秸稈是重要的生物質(zhì)資源，屬于可再生資源，是大自然贈予人類的寶貴財富。秸稈的高值化利用不僅有利于改善農(nóng)業(yè)環(huán)境，還將極大地節(jié)約化石燃料，減輕環(huán)境污染，實現(xiàn)人與自然和諧共生的良性循環(huán)。在所有農(nóng)作物秸稈中，產(chǎn)量最大的是玉米秸稈，玉米秸稈高值化利用的前景非常廣闊，對我國工農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)都具有非常重要的意義，但目前玉米秸稈的高值化利用還存在以下幾個方面的問題。

2.1" 科技含量較低

目前，玉米秸稈高值化利用研究投入的科技力量有限，其研究成果亦較少，還需要持續(xù)不斷地加大科技的投入，提高玉米秸稈高值化利用的科技含量。近年來，隨著我國對秸稈高值化利用的重視及各級政策的大力支持，科技賦能秸稈高值化利用的空間已打開，秸稈高值化利用科技含量較低的狀況將會逐步得到改善。

2.2" 缺少相關(guān)專業(yè)技術(shù)人才

人才是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)與驅(qū)動力，只有培養(yǎng)相當(dāng)規(guī)模的玉米秸稈高值化利用方面的人才，才能促進(jìn)該產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。由于目前玉米秸稈高值化利用還處于起步階段，還沒有形成專業(yè)的技術(shù)人才隊伍，一定程度上限制了該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同時，玉米秸稈高值化利用因未形成規(guī)模，企業(yè)利潤較低，收入較少，相關(guān)技術(shù)人員不愿從事該領(lǐng)域的工作。

2.3" 沒有形成穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模

目前，從事玉米秸稈高值化利用大多都是技術(shù)有限，規(guī)模較小的企業(yè)，由于缺少科技的投入，較雄厚的資金未能投入到玉米秸稈高值化利用的產(chǎn)業(yè)中，從而沒有形成穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，這就進(jìn)一步限制了玉米秸稈高值化利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著科研投入的加大與成熟技術(shù)的引進(jìn)及規(guī)模資金的參與，會逐漸形成玉米秸稈高值化利用的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，并向著多元化、專業(yè)化、系統(tǒng)化方向發(fā)展。

總之，雖然在玉米秸稈高值化利用方面還存在著許多困難，但是隨著國家的重視及相關(guān)政策的出臺，科技投入的加大及人們可持續(xù)發(fā)展意識的提高，更多的專業(yè)人才和規(guī)模化的資金會被吸引到這一產(chǎn)業(yè)中來，秸稈的高值化利用定會迎來突飛猛進(jìn)的發(fā)展，從而實現(xiàn)人與自然和諧共生的良性循環(huán)。

3" 總結(jié)與展望

綜上所述，玉米秸稈高值化利用已被廣泛應(yīng)用，由于秸稈還田、飼料加工、沼氣生產(chǎn)、食用菌栽培等產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益比較低，且大多數(shù)利用方式不符合農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求，于是研究者們在玉米秸稈的高值化利用過程中融入先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，逐漸出現(xiàn)了一些新型的玉米秸稈高值化利用方式，如用玉米秸稈提取天然產(chǎn)物，生產(chǎn)生物燃料，制備生物炭、水凝膠與納米纖維素薄膜等。由于技術(shù)水平的限制，目前大多處于基礎(chǔ)研究階段，還沒有被廣泛推廣應(yīng)用，也沒有形成一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，但是隨著國家相關(guān)政策的出臺，人們可持續(xù)發(fā)展意識的提高，會聚集更多的科技專業(yè)人才從事玉米秸稈高值化利用的研究，其研究成果和推廣應(yīng)用也會進(jìn)一步得到顯現(xiàn)。

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（責(zé)任編輯：易" 婧）