生物處理玉米秸稈的研究進展

許 偉 李金華 趙秋兵

（①山東輕工業學院，山東省制漿造紙科學與技術省級重點實驗室，山東 濟南，250353）（②DUPLO辦公設備有限公司，山東 濟南，250100）

生物處理玉米秸稈的研究進展

許 偉①李金華②趙秋兵②

（①山東輕工業學院，山東省制漿造紙科學與技術省級重點實驗室，山東 濟南，250353）（②DUPLO辦公設備有限公司，山東 濟南，250100）

本文主要對近十年來，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 生物發酵 木素

1 引言

我國是世界上的農業生產大國之一，每年的農作物秸稈產量相當龐大。2000年，我國的秸稈產量就達到了6億多噸，其中，玉米秸稈產量達2.2億多噸[1]。這一巨大資源，除了用作動物飼料和生活燃料外，大部分被棄于田間或就地燒掉。我國本身是一個能源短缺的國家，加大對農業秸稈的回收利用，如生物處理玉米秸稈，對解決我國木材等纖維資源短缺和促進國民經濟發展依然有著重要意義。

2 玉米秸稈的纖維形態與化學組成

劉麗英、陳洪章[2]建立了近紅外漫反射光譜（NIRS）測定方法用以測定玉米秸稈的組分。秸皮的主要成分是纖維素和木質素；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。玉米秸皮強度高、韌性好，是造紙、人造板等行業的好材料。

從表1可以看出，相對于一般的草類原料，玉米稈的平均纖維長度較長，長寬比也較大，其胞腔較大，壁腔比較小[3]。玉米稈纖維形態表明，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

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性的菌種，利用菌種所分泌的酶系，對這些物質進行專一性的分解[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，同時也表現出更強的降解木質素的能力。

3.2 發酵處理

未經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，秸稈中的蛋白質含量低和其他必要營養物質缺乏也會導致秸稈中的營養物質不能被動物充分吸收利用[4]。玉米秸稈因具有堅硬的細胞壁結構，其纖維素與木素緊密結合，不容易被動物消化，直接用做飼料，適口性差，因此，對玉米秸稈的處理至關重要。

表2 玉米秸稈的化學組成

3.2.1 微生物發酵劑對玉米秸稈的發酵

于艷輝等[5]的研究認為，秸稈發酵過程中，全營養和速效營養的變化恰是高分子物質降解的結果，因而將化學指標簡化為營養測定。試驗結果表明，接種外源微生物菌劑可有效加速玉米秸稈的發酵腐熟效果、加速升溫和體積變化、縮短發酵時間。通過發酵過程中溫度、體積、C/N及各營養的變化情況，可將5種發酵劑分為三類：“金寶貝”和“滿園春”的發酵效果較好，有機物速腐劑和青島龍力發酵劑的發酵效果一般，而HM發酵基的效果較差。試驗表明，在含水量和C/N值適宜條件下，接種恰當的微生物可以有效地促進玉米秸稈單一發酵。與對照相比，各處理升溫迅速并能很快達到高溫（＞45℃），從而縮短了發酵時間，精簡了發酵工序。

3.2.2 里氏木霉和酵母菌混合發酵玉米秸桿

王德培，劉瑛等[6]對降解纖維素的菌種和利用秸桿產出粗蛋白的菌種進行了選擇，初步確定了里氏木霉DWC和產朊假絲酵母CP2混合菌系共同發酵，可將纖維素降解并產出粗蛋白，并應用正交實驗對其生產工藝條件進行了優化，選出了最優條件：pH值為3.0，溫度為30℃，培養4d，氮源尿素，接種時間相隔 24h，接入菌種比（CP2：里氏木霉）為 1：4。經研究發現，在此條件下的發酵結果表明，粗蛋白含量可達30.55%，其纖維素轉化率可達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白腐菌的發酵曲種，生產出的菌種均能發酵玉米秸稈。隨著處理時間的延長，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生在10d以后，略晚于纖維素的降解時間[7]。其原因就是白腐菌可以產生分解木素、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，為白腐菌的生長和木素的降解提供必需的碳源和能量來源，同時，多糖的分解產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，后者則能實現醌類中間體的快速代謝以防止木素的重新聚合。通過玉米秸稈來生產白腐菌菌種，一方面可以降解玉米秸稈的粗纖維成分，提高CP的水平，有利于動物利用；另一方面，得到的白腐菌可以大量應用于生物機械漿的生產，以提高漿料相應性能。

3.3.2 復合酶降解高溫蒸煮玉米秸稈

玉米秸稈細胞壁結構致密，酶解時，木素結構可以保護纖維素和半纖維素免受大量降解。因此，采用酶法對秸稈進行有效降解，需對秸稈進行適當的預處理，然后，通過生物酶的協同作用，將秸稈中糖類物質盡可能多的降解成還原糖，以應用于生產。研究者對玉米秸稈進行高溫蒸煮預處理后，可使木質素熔化，半纖維素和纖維素分子發生斷裂、降解、氫鍵斷裂而吸水，有助于酶接觸相應底物，有利于酶解。進一步研究發現[8]，復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 玉米秸稈的工業應用探索

玉米秸稈經過纖維素酶和纖維二糖酶的協同作用，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，可用于發酵生產2，3－丁二醇。在發酵過程中，Klebsiella oxytoca ZU－03菌株優先利用葡萄糖，在低葡萄糖濃度情況下開始消耗木糖，最終將五碳糖和六碳糖都轉化為2，3－丁二醇[11]。高濃度的Na2SO4對于菌體的生長和2，3－丁二醇的產生具有抑制作用。當其濃度在20g/L以內時，對發酵沒有明顯影響。乙酸和乙醇是兩種主要的副產物，當濃度分別超過20g/L和8g/L時會對發酵產生明顯的抑制作用。采用Klebsiella oxytoca ZU－03發酵玉米秸稈水解液生產2，3－丁二醇，實現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化的有效途徑。

玉米秸稈中含有大量的半纖維素，其結構單元有木糖、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32.06%[12]。

傳統生物制品工業中的大多數制造工藝均采用淀粉類原料和糖類制品，研究發現許多微生物可以同時利用己糖和戊糖發酵生產產品，這使得直接利用農林廢棄物降解產生的多糖發酵生產基礎化合物（包括丙酮、丁醇以及氫）成為一條切實可行的工藝路線。研究人員通過對玉米秸稈堿處理條件的研究[13]，確定了堿處理過程中工藝參數對預處理樣品纖維素、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化提供了基礎數據。

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[3]程合麗，詹懷宇，李兵云，付時雨.玉米稈纖維形態和制漿漂白特性研究 [J].造紙科學與技術，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.西安工程大學學報 2010，24（3）：294-297.

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[6]朱德文.農作物秸稈用作動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，薛書浩.5種微生物發酵劑對玉米秸稈的發酵效果[J].西北農業學報，2010，19（2）:95-99.

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[13]歐陽嘉，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.南京林業大學學報（自然科學版），2010，34（3）：1-5.

2010－10－16

草類原料清潔制漿專欄