玉米芯木糖渣資源化利用技術(shù)現(xiàn)狀分析

摘要：為了提升木質(zhì)纖維資源廢棄物的綜合利用效率并緩解環(huán)境壓力，系統(tǒng)分析了玉米芯木糖渣的資源化利用潛力及其技術(shù)路徑。隨著我國(guó)木糖產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，玉米芯木糖渣的生成量增加，傳統(tǒng)處理方式對(duì)環(huán)境造成潛在危害。玉米芯木糖渣主要成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，具有高纖維素含量和良好的物理特性，使其在生物能源、材料及肥料等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。同時(shí)系統(tǒng)分析了玉米芯木糖渣的化學(xué)成分、功能特性及其資源化利用技術(shù)現(xiàn)狀，包括生物發(fā)酵、能源化利用、材料化利用、肥料化利用及基質(zhì)化利用等多個(gè)方向。盡管存在成分復(fù)雜性和酶制劑成本高等技術(shù)挑戰(zhàn)，但通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和工藝優(yōu)化，木糖渣資源化利用具有廣闊的應(yīng)用前景。未來(lái)，隨著政策支持與市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，有望推動(dòng)該領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供新的解決方案。

關(guān)鍵詞：玉米芯；木糖渣；堆肥；發(fā)酵；資源化利用

收稿日期：2025-01-13

基金項(xiàng)目：黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（202410223021）；黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)成、引進(jìn)人才科研啟動(dòng)計(jì)劃（XYB202022）。

第一作者：夏金楠（2003-），女，本科生，專(zhuān)業(yè)方向?yàn)樯锛夹g(shù)。E-mail：460225444@qq.com。

通信作者：畢少杰（1990-），男，博士，副教授，碩導(dǎo)，從事農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用研究。E-mail：bishaojie1990@163.com。

近年來(lái)，玉米作為我國(guó)主要糧食作物種植面積逐年擴(kuò)大。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，自2021年以來(lái)，我國(guó)玉米年產(chǎn)量已超過(guò)2.73億 t，副產(chǎn)物玉米芯約4 500萬(wàn)t［1］。玉米芯作為重要的工業(yè)原料，主要用于生產(chǎn)木糖、木糖醇和糠醛等產(chǎn)品，推動(dòng)了我國(guó)木糖產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。然而，在這一過(guò)程中，每生產(chǎn)1 t木糖就會(huì)產(chǎn)生約5 t的木糖渣，其中含有大量難溶的木質(zhì)素［2］。傳統(tǒng)處理方式，如垃圾填埋和燃燒，不僅浪費(fèi)資源，還對(duì)環(huán)境造成潛在危害。

隨著全球資源短缺和環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，如何高效利用農(nóng)林廢棄物資源已成為生物質(zhì)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。玉米芯木糖渣作為木糖生產(chǎn)過(guò)程中的主要副產(chǎn)物，具有產(chǎn)量大、可再生性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，是一種極具開(kāi)發(fā)潛力的生物質(zhì)資源［3-4］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年產(chǎn)生的木糖渣總量已超過(guò)1 000萬(wàn)t［5］，若能得到有效利用，不僅能夠緩解環(huán)境壓力，還可以創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

從化學(xué)成分來(lái)看，玉米芯木糖渣主要包含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等組分，其中纖維素含量高達(dá)40%～50%，具有較高的資源化利用價(jià)值［5］。然而，木質(zhì)素與纖維素、半纖維素之間形成的復(fù)雜交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使得木糖渣在資源化利用過(guò)程中面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)［6］。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞木糖渣的資源化利用已開(kāi)展了大量研究工作，主要包括生物發(fā)酵、能源化利用、材料化利用、肥料化利用等多個(gè)方向。

在生物發(fā)酵領(lǐng)域，木糖渣可作為底物用于生產(chǎn)纖維素酶、乙醇、L-乳酸等高附加值產(chǎn)品［7-8］；在能源化利用方面，通過(guò)熱解、氣化等技術(shù)可將木糖渣轉(zhuǎn)化為生物炭、合成氣等可再生能源［9］；在材料化利用中，木糖渣可用于制備吸附材料等功能材料［10-11］；在肥料化利用方面，經(jīng)過(guò)堆肥處理的木糖渣可作為優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥料和土壤改良劑［12］；此外，木糖渣還可作為食用菌栽培基質(zhì)［13］，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。

盡管木糖渣資源化利用技術(shù)取得了顯著進(jìn)展，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)：首先，木糖渣成分復(fù)雜，木質(zhì)素的存在限制了酶解效率，亟需開(kāi)發(fā)高效的預(yù)處理技術(shù)；其次，酶解和發(fā)酵過(guò)程中的酶制劑成本較高，制約了其規(guī)?；瘧?yīng)用；再次，不同利用途徑間的技術(shù)協(xié)同性有待加強(qiáng)，需要開(kāi)發(fā)多聯(lián)產(chǎn)工藝以提高資源利用效率。未來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)生物質(zhì)資源利用的重視程度不斷提高，以及相關(guān)技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，木糖渣資源化利用將迎來(lái)更廣闊的發(fā)展空間。本文旨在系統(tǒng)梳理玉米芯木糖渣的成分組成與功能特性，深入分析其資源化利用技術(shù)現(xiàn)狀，探討未來(lái)發(fā)展方向，為推進(jìn)木糖渣的高效利用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。

1 玉米芯木糖渣的成分組成與功能特性

1.1 成分組成

玉米芯木糖渣是以玉米芯等農(nóng)林廢棄物為原料，通過(guò)酸水解提取木糖后所產(chǎn)生的固體殘留物，具有復(fù)雜的化學(xué)成分和獨(dú)特的理化性質(zhì)。

1.1.1 主要化學(xué)成分

玉米芯木糖渣的主要化學(xué)成分包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，其含量因原料來(lái)源、提取工藝等因素而有所差異。根據(jù)現(xiàn)有研究，其纖維素含量一般在40%～50%之間，以結(jié)晶態(tài)為主，具有較高的熱穩(wěn)定性；半纖維素含量約為20%～30%，主要由木聚糖組成；木質(zhì)素含量在15%～25%之間，作為天然高分子屏障，限制了纖維素酶與底物的接觸，是影響資源化利用的主要障礙因素［6，14-16］。

不同學(xué)者對(duì)玉米芯木糖渣的化學(xué)成分進(jìn)行了深入研究。趙哲衛(wèi)［5］分析發(fā)現(xiàn)，木糖渣中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量分別為45.2%、22.8%和17.5%。張煥［14］的研究則表明，經(jīng)過(guò)酸水解處理后，木糖渣的纖維素含量可達(dá)48.3%，半纖維素含量降低至18.6%，木質(zhì)素含量保持在19.2%。呂江濤［15］的研究進(jìn)一步證實(shí)，木糖渣的化學(xué)成分會(huì)因預(yù)處理方法的不同而發(fā)生變化，例如，處理前纖維素含量為50%，木質(zhì)素含量為30%，經(jīng)過(guò)氫氧化鈉預(yù)處理后，木質(zhì)素提取率最高可達(dá)到93.2%。

1.1.2 有機(jī)成分

除主要化學(xué)成分外，玉米芯木糖渣還含有多種有機(jī)成分，包括（1）可溶性碳水化合物：含量約為3%～5%，主要為未完全水解的阿拉伯糖和葡萄糖［5］；（2）粗蛋白：含量較低，一般在1%～2%之間［14］；（3）粗纖維：含量約為15%～20%，主要包括不溶性多糖［15］；（4）多縮戊糖：含量約為5%～8%，主要為木糖殘基［15］。

1.1.3 無(wú)機(jī)成分

玉米芯木糖渣中的無(wú)機(jī)成分主要包括（1）礦物質(zhì)：含量約為2%～3%，主要有硅、鈣、鎂等元素［14］；（2）氮、磷、鉀：含量較低，分別為0.3%～0.5%、0.1%～0.2%和0.2%～0.4%［5］。

1.1.4 其他成分

（1）酸性殘留物：由于酸水解工藝的影響，木糖渣中常含有少量酸性殘留物，pH在2～4之間［14］；（2）水分：新鮮木糖渣的水分含量可達(dá)60%～70%［15］。

1.2 功能特性

1.2.1 物理特性

玉米芯木糖渣的物理特性對(duì)其資源化利用具有重要影響。首先，由于其酸性特征（pH2～4），在使用前需要進(jìn)行中和處理。其次，木糖渣具有較高的持水率（可達(dá)80%以上），這可能導(dǎo)致堆肥或發(fā)酵過(guò)程中通氣性差。在顆粒形態(tài)上，木糖渣質(zhì)地細(xì)碎、粒徑分布不均，表面多孔隙結(jié)構(gòu)有利于吸附和微生物附著，但也易導(dǎo)致致密堆積，需通過(guò)物理預(yù)處理（如粉碎、篩分）來(lái)改善流動(dòng)性［14］。

熱重分析結(jié)果顯示，木糖渣在200 ℃以下主要為水分揮發(fā)，而在300～500 ℃時(shí)，纖維素和半纖維素開(kāi)始分解，木質(zhì)素則在更高溫度下緩慢分解［15］。

1.2.2 結(jié)構(gòu)與功能特性

未經(jīng)預(yù)處理的木糖渣纖維素結(jié)晶度較高（約72.5%），通過(guò)化學(xué)或物理預(yù)處理（如氫氧化鈉處理、超聲波破碎）可以顯著降低結(jié)晶度（至40%以下），提升酶解效率［15］。其中，物理處理具有綠色無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)溫度和壓強(qiáng)要求較高；化學(xué)預(yù)處理雖然效果顯著，但成本較高且可能產(chǎn)生二次污染［16-17］。

木糖渣的疏水基團(tuán)賦予其良好的吸附能力，可用于吸附重金屬離子和有機(jī)污染物，改性后吸附容量可提升3～5倍。其碳含量高（約45%～50%），經(jīng)熱解可轉(zhuǎn)化為生物炭，比表面積可達(dá)800 m2·g-1以上，適用于超級(jí)電容器或鋰硫電池電極材料。當(dāng)玉米芯木糖渣作為一種生物質(zhì)廢棄物轉(zhuǎn)化為生物炭用于超級(jí)電容器，不僅實(shí)現(xiàn)了廢棄物資源化利用，而且降低了對(duì)傳統(tǒng)電極材料的依賴(lài)，符合可持續(xù)性發(fā)展的要求［18］。

1.2.3 生物降解特性

由于木糖渣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其自然降解速率較慢，需要借助微生物或酶解處理來(lái)加速降解［19］。酸性環(huán)境會(huì)抑制多數(shù)微生物活性，因此需選擇耐酸菌株或調(diào)節(jié)pH以?xún)?yōu)化發(fā)酵條件［20］。此外，纖維素酶對(duì)木糖渣的水解效率受到木質(zhì)素屏障的限制，通過(guò)優(yōu)化酶系配比或采用分段糖化工藝，可以顯著提高糖的轉(zhuǎn)化率。經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的玉米芯生物質(zhì)，其纖維素結(jié)晶度的變化對(duì)后續(xù)的酶解效率有顯著影響。結(jié)晶度的降低有助于提高酶解效率，但要避免過(guò)度降解導(dǎo)致糖類(lèi)流失［21］。

木糖渣的化學(xué)成分、物理結(jié)構(gòu)及功能特性為其資源化利用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。其高纖維素含量和良好的吸附性能使其在生物能源和功能材料開(kāi)發(fā)中具有廣闊的前景。然而，其酸性、高結(jié)晶度和木質(zhì)素屏障等特性也造成了木糖渣資源化利用的技術(shù)瓶頸。

2 玉米芯木糖渣的資源化利用

玉米芯木糖渣富含纖維素（約40%～50%）、半纖維素（約20%～30%）和木質(zhì)素（約15%～25%），具有較高的資源化潛力?，F(xiàn)階段木糖渣資源化利用技術(shù)主要包括生物發(fā)酵技術(shù)、能源化利用、材料化利用、肥料化利用和基質(zhì)化利用等。

2.1 生物發(fā)酵技術(shù)

2.1.1 發(fā)酵產(chǎn)纖維素酶

利用長(zhǎng)梗木霉等菌株對(duì)木糖渣進(jìn)行固體發(fā)酵，可生產(chǎn)纖維素酶，同時(shí)發(fā)酵殘?jiān)勺鳛橛袡C(jī)肥料，用于農(nóng)作物生長(zhǎng)。通過(guò)纖維素酶將木糖渣中的纖維素和半纖維素水解為可發(fā)酵糖，進(jìn)而用于生產(chǎn)乙醇、乳酸等化學(xué)品。固態(tài)發(fā)酵技術(shù)因其低成本、高底物利用率和環(huán)境友好性，已成為木糖渣轉(zhuǎn)化的重要研究方向，尤其在纖維素酶生產(chǎn)領(lǐng)域展現(xiàn)出明顯潛力。通過(guò)合理選擇微生物菌株、優(yōu)化培養(yǎng)基與發(fā)酵條件，以及創(chuàng)新工藝流程，研究者們?cè)谔岣呙富钚院彤a(chǎn)量方面取得了一系列進(jìn)展。研究表明［22］，里氏木霉作為一種高效的纖維素酶生產(chǎn)菌株，在木糖渣的固態(tài)發(fā)酵中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。趙哲衛(wèi)［5］通過(guò)系統(tǒng)研究證實(shí)，以木糖渣為底物的固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中，里氏木霉能夠有效利用其中的纖維素成分進(jìn)行產(chǎn)酶。通過(guò)優(yōu)化培養(yǎng)基配方，包括調(diào)整木糖渣與麩皮的比例、添加適宜的無(wú)機(jī)鹽和微量元素，使纖維素酶的活性和產(chǎn)量得到顯著提升。通過(guò)高產(chǎn)菌株篩選、基因工程改造和復(fù)合菌種協(xié)同作用，可以顯著提升纖維素酶的生產(chǎn)效率［23］。此外，營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化、物理化學(xué)參數(shù)調(diào)控及酶活促進(jìn)劑的應(yīng)用也為酶解效率的提升提供了有效的策略。適量添加氮源（如硫酸銨）、磷源（如磷酸二氫鉀）和微量元素（如Mg2+、Fe2+等），能夠顯著促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)和酶的分泌。同時(shí)，添加表面活性劑等酶活促進(jìn)劑，可有效降低酶與底物間的抑制作用，提高酶解效率［24］。分段發(fā)酵與補(bǔ)料策略的實(shí)施、殘?jiān)h(huán)利用的探索，以及雙酶共固定化技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步推動(dòng)了固態(tài)發(fā)酵技術(shù)在規(guī)模化生產(chǎn)中的可行性，實(shí)現(xiàn)了資源的高效利用。吳綿斌等［19］的研究表明，黑曲霉和產(chǎn)朊假絲酵母在固態(tài)發(fā)酵中表現(xiàn)出良好的協(xié)同效應(yīng)。在優(yōu)化條件下（培養(yǎng)溫度32 ℃，料層厚度10 cm），纖維素降解率達(dá)到67.7%，真蛋白增加量達(dá)6.22%，干基中蛋白質(zhì)含量從3.56%顯著提升至20.02%。盡管如此，木質(zhì)素的殘留以及酶系協(xié)同性不足仍然是當(dāng)前技術(shù)應(yīng)用中的主要挑戰(zhàn)。未來(lái)的研究應(yīng)聚焦于開(kāi)發(fā)高效的預(yù)處理-發(fā)酵耦合工藝、智能化發(fā)酵工藝的應(yīng)用，以及全組分利用策略［25］。

2.1.2 發(fā)酵產(chǎn)乙醇

乙醇發(fā)酵技術(shù)是一種利用微生物將玉米芯木糖渣中的糖分轉(zhuǎn)化為乙醇的生物轉(zhuǎn)化過(guò)程。該技術(shù)首先需要對(duì)玉米芯木糖渣進(jìn)行預(yù)處理，以破壞其細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，提高可發(fā)酵糖的釋放效率。預(yù)處理后，采用酶解或酸解的方法將多糖轉(zhuǎn)化為單糖，然后加入特定的酵母菌進(jìn)行發(fā)酵。在適宜的溫度和pH條件下，酵母菌能夠高效地將釋放的單糖轉(zhuǎn)化為乙醇和二氧化碳。因生物乙醇具有良好的清潔性、高效率和可再生性等優(yōu)點(diǎn)，所以將木糖渣作為生物能源的主要研究目標(biāo)。研究表明，通過(guò)優(yōu)化發(fā)酵條件、選擇適宜的酵母菌株以及提高原料的糖化率，可以顯著提高乙醇的產(chǎn)量和發(fā)酵效率。此外，玉米芯木糖渣作為生物質(zhì)原料，其豐富的纖維素和木糖成分為乙醇生產(chǎn)提供了良好的基礎(chǔ)，能夠有效實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。李秋園等［20］在pH5.0、溫度32～34 ℃的培養(yǎng)條件下，將10%酶解液與木糖渣反應(yīng)36 h后，按酒精體積分?jǐn)?shù)推算出398 t木糖渣可生產(chǎn)1 t的成品酒精。周天［26］在NaOH預(yù)處理的條件下脫除了木糖渣中的木質(zhì)素，隨后在140 ℃，15%酶解液的條件下反應(yīng)1.5 h，最終得到乙醇16.3 g·L-1，并提高了乙醇的質(zhì)量。然而，乙醇發(fā)酵過(guò)程中仍然面臨著酵母耐受性、發(fā)酵時(shí)間和成本等挑戰(zhàn)，因此，未來(lái)的研究應(yīng)集中于改進(jìn)發(fā)酵工藝、開(kāi)發(fā)耐高糖和耐高乙醇的酵母菌株，以及提高整個(gè)生產(chǎn)流程的經(jīng)濟(jì)性，以推動(dòng)該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展。

2.1.3 發(fā)酵產(chǎn)L-乳酸

目前，針對(duì)木糖渣發(fā)酵生產(chǎn)L-乳酸的技術(shù)研究已引起廣泛關(guān)注。凝結(jié)芽孢桿菌ZX25因其耐高溫（50～55 ℃）及廣譜底物利用特性，成為木糖渣酶解液發(fā)酵生產(chǎn)L-乳酸的理想菌株。孫甜甜［27］通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化發(fā)酵條件（pH6.0、溫度50 ℃、CaCO3作為中和劑），實(shí)現(xiàn)了L-乳酸產(chǎn)率達(dá)90%以上，且光學(xué)純度高達(dá)99%，充分證明了該技術(shù)的可行性和有效性。這一研究為木糖渣的高值化利用提供了重要理論依據(jù)。為進(jìn)一步提升發(fā)酵效率，研究者開(kāi)發(fā)了分段發(fā)酵策略，即在發(fā)酵初期采用好氧條件促進(jìn)菌體生長(zhǎng)，隨后轉(zhuǎn)為厭氧條件以加速乳酸積累。實(shí)驗(yàn)表明，該策略可使菌體密度提高約30%，乳酸積累速率提升25%。此外，添加微量氮源（如豆餅粉）也被證實(shí)能夠顯著增強(qiáng)菌株代謝活性，使發(fā)酵周期縮短15%～20%，同時(shí)乳酸產(chǎn)量提高10%～15% ［5］。從經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)看，得益于木糖渣來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉，利用木糖渣發(fā)酵生產(chǎn)L-乳酸的原料成本較傳統(tǒng)玉米淀粉降低30%～40%，展現(xiàn)出顯著的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)［28］，同時(shí)為木糖渣的資源化利用提供了新的途徑。

2.2 能源化利用

玉米芯木糖渣作為富含纖維素和半纖維素的生物質(zhì)資源，可通過(guò)熱解、厭氧消化等技術(shù)轉(zhuǎn)化為高附加值的生物質(zhì)能源，如生物炭和沼氣等，在發(fā)電、及化學(xué)品生產(chǎn)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。這些技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了廢棄物的資源化利用，還為可再生能源的開(kāi)發(fā)提供了可行途徑。

2.2.1 熱解技術(shù)

熱解過(guò)程在無(wú)氧條件下將玉米芯木糖渣加熱至300～700 ℃，從而分解為固體、液體和氣體產(chǎn)品。熱解技術(shù)能夠高效地將木糖渣轉(zhuǎn)化為具有高附加值的能源產(chǎn)品。其中，生物炭因其優(yōu)異的電化學(xué)性能和土壤改良潛力而備受關(guān)注。生物炭的電化學(xué)性能主要取決于其比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)。比表面積越大、孔隙結(jié)構(gòu)越發(fā)達(dá)，生物炭在超級(jí)電容器中的電容性能通常越優(yōu)異。萬(wàn)圓［29］以木糖渣為原料，通過(guò)優(yōu)化熱解溫度和活化試劑（KOH）的用量，制備了具有發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)的生物炭。結(jié)果表明，隨著溫度從650 ℃升高至850 ℃，KOH對(duì)木糖渣生物炭的造孔能力顯著增強(qiáng)，制備的生物炭比表面積提高2.3倍，總孔體積提高2.5倍。此外，生物炭在堿性電解液中展現(xiàn)出優(yōu)異的電容特性，在0.5 A·g-1的充放電條件下，其比電容值達(dá)到221 F·g-1，是商業(yè)活性炭的1.24倍。這一研究證實(shí)了玉米芯木糖渣生物炭在替代高成本商業(yè)活性炭作為儲(chǔ)能材料方面具有巨大潛力，為木糖渣的高值化利用提供了重要依據(jù)。

2.2.2 沼氣生產(chǎn)

玉米芯木糖渣的厭氧發(fā)酵技術(shù)是一種高效、環(huán)保的生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化方法，通過(guò)厭氧微生物在缺氧環(huán)境中的代謝作用，將玉米芯木糖渣轉(zhuǎn)化為沼氣能源。該技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了廢棄物的資源化利用，還在減少溫室氣體排放和促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。厭氧發(fā)酵技術(shù)主要包括原料預(yù)處理、厭氧消化和沼氣收集三個(gè)關(guān)鍵步驟。首先，通過(guò)粉碎和預(yù)處理（如酶解、化學(xué)處理等）破壞玉米芯木糖渣的復(fù)雜木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，提高其可降解性。隨后，將預(yù)處理后的原料置于厭氧發(fā)酵罐中，在適宜的溫度（通常為35～37 ℃）和pH（6.5～7.5）條件下，利用厭氧細(xì)菌進(jìn)行發(fā)酵。發(fā)酵過(guò)程中，微生物群落依次通過(guò)水解、酸化、乙酸化和甲烷化四個(gè)階段，最終將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為沼氣。

近年來(lái)，研究者通過(guò)優(yōu)化預(yù)處理和發(fā)酵條件，顯著提升了玉米芯木糖渣的沼氣生產(chǎn)效率。李秋園［30］的研究表明，經(jīng)過(guò)纖維素酶預(yù)處理的木糖渣在為期20 d的厭氧發(fā)酵試驗(yàn)中，產(chǎn)氣量達(dá)到未經(jīng)預(yù)處理組的2.34倍。通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化，確定了最佳預(yù)處理?xiàng)l件為酶用量10 FPU·g-1、溫度50 ℃、時(shí)間24 h；最佳發(fā)酵條件為溫度37 ℃、時(shí)間20 d、pH6.5。此外，韓曉云等［31］通過(guò)構(gòu)建復(fù)合菌劑對(duì)玉米芯進(jìn)行降解，發(fā)現(xiàn)其纖維素降解率可達(dá)55.63%，顯著高于傳統(tǒng)方法。這些研究為玉米芯木糖渣的高效沼氣化利用提供了重要理論依據(jù)。

然而，該技術(shù)仍面臨一些挑戰(zhàn)，包括玉米芯木糖渣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)限制了微生物的降解效率［19］；發(fā)酵過(guò)程中微生物群落的穩(wěn)定性易受環(huán)境因素影響；規(guī)?；a(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性和工藝穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步提升［32］。因此，未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)微生物的篩選與培養(yǎng)、發(fā)酵過(guò)程的優(yōu)化，以及系統(tǒng)規(guī)?；\(yùn)營(yíng)等方面的深入研究，以提高該技術(shù)的應(yīng)用潛力。

2.3 制備吸附材料

玉米芯木糖渣中的纖維素和木質(zhì)素可用于制備吸附材料，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)污水中重金屬離子的有效吸附。木糖渣被視為制備活性炭的優(yōu)良原料，已有研究采用真空化學(xué)活化法及多種化學(xué)活化方法（如磷酸法和氯化鋅法等）對(duì)其進(jìn)行活化以制備活性炭。磷酸活化法因其低成本和較小的污染，成為當(dāng)前制備活性炭的主要方法［10］。例如，魏慶玲等［33］以木糖渣為原料，采用氯化鋅法進(jìn)行活化，成功制備出具有高效吸附糠醛廢水能力的活性炭，并探索了最佳制備條件，以實(shí)現(xiàn)最大的吸附性能。這一過(guò)程不僅降低了木糖的生產(chǎn)成本，還對(duì)環(huán)境保護(hù)起到了積極作用。此外，朱錦明［34］以木糖渣為基礎(chǔ)原料，分別用硫酸和ZSM-5型分子篩作為催化劑進(jìn)行纖維素的轉(zhuǎn)化，結(jié)果顯示硫酸催化的最高纖維素轉(zhuǎn)化率為35.97%，而ZSM-5型分子篩催化的最高轉(zhuǎn)化率為27.61%，為化學(xué)工業(yè)的綠色發(fā)展提供了新的方向。蘭刻勤等［35］則采用由低分子量有機(jī)溶劑和無(wú)機(jī)鹽組成的鹽析萃取體系，從模擬液及木糖渣催化反應(yīng)液中有效萃取和回收乙酰丙酸，結(jié)果表明在木糖渣反應(yīng)液中，乙酰丙酸的回收率可達(dá)80%。

2.4 肥料化利用

玉米芯木糖渣經(jīng)過(guò)發(fā)酵或堆肥處理后，可作為有機(jī)肥料，用于改善土壤結(jié)構(gòu)并提高土壤肥力。堆肥化技術(shù)通過(guò)將玉米芯木糖渣與其他有機(jī)廢棄物（如農(nóng)作物殘?jiān)?、?dòng)物糞便等）混合，并創(chuàng)造適宜的氧氣、溫度和濕度條件，利用自然界中的微生物進(jìn)行分解和轉(zhuǎn)化，最終形成富含養(yǎng)分的堆肥。這一過(guò)程不僅改善了土壤結(jié)構(gòu)，提高了土壤肥力，還有效減少了有機(jī)廢棄物的體積。栗利娟［12］研究發(fā)現(xiàn)，采用雞糞與木糖渣按1∶1比例混合，在發(fā)酵罐和混合條堆兩步法進(jìn)行堆肥化試驗(yàn)，首先進(jìn)行純雞糞罐式堆肥，然后再混合木糖渣進(jìn)行二次堆肥。雖然小型天然堆的溫度相對(duì)較低且不易穩(wěn)定，平均溫度維持在62±10 ℃。但二次堆肥后溫度在3 d內(nèi)可升高至70 ℃。同時(shí)添加木糖渣后，較低的pH有助于穩(wěn)定氨的存在，從而使電導(dǎo)率上升，表明木糖渣在固定氨元素方面發(fā)揮了作用，并提高了堆肥中的氮含量，微生物組成和功能得以轉(zhuǎn)變，優(yōu)良微生物得到了有效篩選，耐藥微生物的存在減少，實(shí)現(xiàn)了畜禽廢棄物的無(wú)害化、綠色化和資源化。

此外，木糖渣的分解過(guò)程中會(huì)釋放出有機(jī)酸和其他生物活性物質(zhì)，這些物質(zhì)可以促進(jìn)植物的營(yíng)養(yǎng)吸收，提高光合作用的效率，進(jìn)而增強(qiáng)植物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量。研究表明，施用玉米芯木糖渣的土壤中，作物的生長(zhǎng)高度、葉片數(shù)和果實(shí)產(chǎn)量普遍高于未施用組［5］。盡管現(xiàn)有研究已證實(shí)了玉米芯木糖渣對(duì)植物生長(zhǎng)的積極作用，但仍需開(kāi)展更多的系統(tǒng)性試驗(yàn)，探索其在不同植物品種、土壤類(lèi)型和施用量條件下的具體效果，以全面評(píng)估其在農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的應(yīng)用潛力。

總體而言，利用好氧堆肥技術(shù)生成有機(jī)肥料不僅有助于實(shí)現(xiàn)玉米芯木糖渣的資源化利用，減少環(huán)境污染，還能提升土壤的可持續(xù)生產(chǎn)能力，為農(nóng)業(yè)的綠色發(fā)展提供支持。未來(lái)的研究仍需關(guān)注堆肥化與微生物應(yīng)用過(guò)程中的優(yōu)化與標(biāo)準(zhǔn)化，以確保肥料化產(chǎn)品的安全性和有效性。

2.5 基質(zhì)化利用

玉米芯木糖渣作為食用菌的栽培基質(zhì)，表現(xiàn)出良好的通透性和較強(qiáng)的持水能力，因而適合菌類(lèi)的生長(zhǎng)。此外，其低廉的成本使其成為一種理想的栽培原料［13］。已有研究表明，利用木糖渣作為食用菌栽培基質(zhì)進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)，能實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量和良好的經(jīng)濟(jì)收益［36］。隨著棉花栽培面積的減少，過(guò)去用于食用菌栽培的主要原料棉籽殼價(jià)格逐年上漲，從而導(dǎo)致栽培成本增加、效益降低。為此，史秀麗等［37］開(kāi)始嘗試用玉米芯木糖渣替代棉籽殼作為平菇和金針菇的栽培基質(zhì)，并已取得成功，這一轉(zhuǎn)變有效降低了食用菌的栽培成本，顯著提高了經(jīng)濟(jì)效益。此外，趙淑芳等［38］研究表明，使用玉米芯木糖渣作為平菇的栽培基質(zhì)，與棉籽殼相比，成本降低了40%，而平菇產(chǎn)量卻提升了10%以上。趙文慧等［39］進(jìn)一步探討了玉米芯木糖渣的應(yīng)用，研究中通過(guò)添加適當(dāng)配比的輔料并采用雙菌種方法進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，結(jié)果表明發(fā)酵后產(chǎn)物的蛋白質(zhì)含量增加了6.2%，且培養(yǎng)基中的蛋白含量提高了4.6倍，顯示出木糖渣在蛋白飼料生產(chǎn)中的潛在應(yīng)用價(jià)值。

3 總結(jié)與展望

玉米芯木糖渣作為一種富含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的可再生生物質(zhì)資源，具有顯著的資源化利用潛力。本文系統(tǒng)梳理了木糖渣的化學(xué)成分、功能特性及其在生物發(fā)酵、能源化利用、材料化利用、肥料化利用和基質(zhì)化利用等領(lǐng)域的技術(shù)現(xiàn)狀，揭示了其在推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)中的重要作用。

3.1 技術(shù)挑戰(zhàn)與優(yōu)化方向

盡管木糖渣的資源化利用技術(shù)已取得顯著進(jìn)展，但仍面臨以下主要挑戰(zhàn)：

（1）木糖渣中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素形成的復(fù)雜交聯(lián)結(jié)構(gòu)限制了酶解效率。特別是木質(zhì)素作為天然屏障，阻礙了纖維素酶與底物的接觸，降低了糖化效率。未來(lái)研究應(yīng)著重開(kāi)發(fā)高效的預(yù)處理技術(shù)，如低共熔溶劑預(yù)處理、酸堿耦合預(yù)處理等，以破壞木質(zhì)素-纖維素復(fù)合結(jié)構(gòu)，提升酶解效率。

（2）酶解和發(fā)酵過(guò)程中的酶制劑成本較高，成為限制木糖渣大規(guī)模應(yīng)用的主要瓶頸。通過(guò)基因工程改造高效菌株、優(yōu)化酶系配比，以及開(kāi)發(fā)低成本酶制劑，可有效降低生產(chǎn)成本。

（3）單一利用途徑難以實(shí)現(xiàn)木糖渣全組分的高效利用。未來(lái)的研究應(yīng)聚焦于多聯(lián)產(chǎn)工藝的開(kāi)發(fā)，如“發(fā)酵-能源化”耦合工藝、“材料化-肥料化”協(xié)同利用技術(shù)等，以提高資源利用效率和經(jīng)濟(jì)效益。

（4）現(xiàn)有技術(shù)多處于實(shí)驗(yàn)室或中試階段，規(guī)?；瘧?yīng)用中仍存在工藝穩(wěn)定性差、設(shè)備成本高等問(wèn)題。通過(guò)優(yōu)化工藝流程、開(kāi)發(fā)智能化生產(chǎn)設(shè)備以及建立標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系，可推動(dòng)木糖渣資源化利用的工業(yè)化應(yīng)用。

3.2 政策支持與市場(chǎng)前景

木糖渣資源化利用的發(fā)展?jié)摿Σ粌H取決于技術(shù)突破，還與政策支持和市場(chǎng)需求密切相關(guān)。隨著國(guó)家對(duì)生物質(zhì)資源利用和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重視，木糖渣資源化利用將獲得更多的政策支持。例如，《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》明確提出要推動(dòng)農(nóng)林廢棄物的高值化利用，為木糖渣資源化技術(shù)的研究與推廣提供了政策保障。生物基材料、可再生能源和有機(jī)肥料的市場(chǎng)需求持續(xù)增長(zhǎng)，為木糖渣資源化利用提供了廣闊的市場(chǎng)空間。例如，生物乙醇、L-乳酸和生物炭等衍生品在能源、化工和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，將進(jìn)一步推動(dòng)木糖渣資源化技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。木糖渣資源化利用不僅能夠減少?gòu)U棄物對(duì)環(huán)境的污染，還能通過(guò)替代化石資源降低溫室氣體排放，助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。其環(huán)境效益和社會(huì)效益將為其技術(shù)推廣提供有力支撐。

3.3 未來(lái)研究方向

為充分挖掘木糖渣的資源化潛力，未來(lái)的研究可從以下幾個(gè)方面展開(kāi)。開(kāi)發(fā)綠色、低成本的預(yù)處理技術(shù)，如生物預(yù)處理、物理-化學(xué)耦合預(yù)處理等，以提高木糖渣的可降解性和資源化效率。通過(guò)基因工程和代謝工程手段，選育高效的纖維素酶生產(chǎn)菌株和耐酸、耐高溫的發(fā)酵菌株，提升酶解和發(fā)酵效率。開(kāi)發(fā)“發(fā)酵-能源化-材料化”一體化工藝，實(shí)現(xiàn)木糖渣全組分的高效利用，提高資源利用率和經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，開(kāi)發(fā)智能化生產(chǎn)設(shè)備，推動(dòng)木糖渣資源化利用技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用。建立木糖渣資源化利用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用規(guī)范，加強(qiáng)技術(shù)推廣與示范，推動(dòng)其在農(nóng)業(yè)、能源和材料等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

總之，玉米芯木糖渣作為一種重要的生物質(zhì)資源，其資源化利用技術(shù)在推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)中具有重要價(jià)值。通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新、政策支持和市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，木糖渣資源化利用將迎來(lái)更廣闊的發(fā)展前景，為農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)提供有力支撐。

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Analysis of Current Status of Resource Utilization Technologies for Corncob Xylan Residue

XIA Jinnan1， JIE Jingyi1， SU Ting1， YU Jiaxiu1， CHEN Zhuo1， BI Shaojie1，2， WANG Yanjie1，2

（1.College of Life Science and Biotechnology， Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing 163319，China; 2.Heilongjiang Provincial Key Laboratory of Environmental Microbiology and Recycling of Agro-waste in Cold Region， Daqing 163319，China）

Abstract：In order to improve the comprehensive utilization efficiency of wood fiber resource waste and alleviate the environmental pressure， this study systematically analyzed the resource utilization potential of corncob xylose residue and its technical path. With the rapid development of China’s xylose industry， the amount of corncob xylose residue has increased， and the traditional treatment method has caused potential harm to the environment. Corncob xylose residue is mainly composed of cellulose， hemicellulose and lignin， which has high cellulose content and good physical properties， making it widely used in bio-energy， materials and fertilizers. The chemical composition， functional characteristics and resource utilization technology of corncob xylosa residue were systematically analyzed， including biological fermentation， energy utilization， material utilization， fertilizer utilization and substrate utilization. Despite the technical challenges of composition complexity and high enzyme preparation cost， the utilization of xylose residue resources has broad application prospects through technological innovation and process optimization. In the future， with the growth of policy support and market demand， it is expected to promote technological innovation and development in this field， and provide new solutions for sustainable agricultural development and ecological environmental protection.

Keywords：corncob; xylose residue; composting; fermentation; resource utilization