秸稈木質纖維素微觀結構及其裂解方法

王玉榮，陶蓮，許貴善，石長青，刁其玉*

（1.中國農業科學院飼料研究所，農業部飼料生物技術重點實驗室，北京海淀100081；2.塔里木大學動物科學學院，新疆阿拉爾843300）

福邦酵母技術專欄

秸稈木質纖維素微觀結構及其裂解方法

王玉榮1，2，陶蓮1，許貴善2，石長青2，刁其玉1*

（1.中國農業科學院飼料研究所，農業部飼料生物技術重點實驗室，北京海淀100081；2.塔里木大學動物科學學院，新疆阿拉爾843300）

纖維素的微觀結構可以從分子水平揭示秸稈的基本組成，解釋植物細胞壁的破解效果，為提高秸稈利用率提供有效證據。本文綜述了纖維素的四級結構及其裂解方法，為秸稈飼料化利用提供理論依據和指導方法。

秸稈；木質纖維素；微觀結構；四級結構；生物處理

農作物秸稈細胞壁中的纖維素本身復雜的層次結構和凝聚態結構，以及包裹著纖維素的半纖維素和木質素是導致其利用率低的主要原因（裴繼誠，2012；劉盧生等，2012）。木質素與半纖維素以共價鍵形式結合，將纖維素分子包被在其中，形成一種自然屏障，使消化酶不易與纖維素分子接觸，導致其在動物瘤胃中的分解受到限制（Ding等，2012）。提高秸稈飼料化利用率的常用加工處理方法有物理處理、化學處理和生物處理。其中，生物處理具有能耗低、污染小、易于操作等優點，依靠微生物和酶制劑的生物降解能力來破壞秸稈細胞壁（張立霞等，2014）。同時生物處理可以通過對細胞壁中的纖維素組分的降解，改變不同層次中的纖維素的空間結構。然而在真菌作用下，纖維素空間結構的變化并非單一的變化，而是相互聯動的變化（崔美等，2012）。根據纖維素空間結構的破解程度，能夠說明細胞壁破壁的有效性，為秸稈利用率的提高提供了更為直接的證據。因此本文綜述了秸稈木質纖維素的微觀結構及破解方法，以期為秸稈的利用提供理論依據。

1　農作物秸稈的主成分及結構特點

1.1秸稈的主成分農作物秸稈主要由細胞壁和細胞內容物組成，其中細胞壁所占比例達80%以上（張立霞等，2014）。秸稈中的細胞內容物幾乎能夠被完全消化，而細胞壁因含有較多的粗纖維，導致在動物體內消化緩慢且不完全。秸稈細胞壁主要由纖維素、半纖維素及木質素組成，具有很高的營養價值。三種主要農作物秸稈的主要成分見表1。

表1　三種主要農作物秸稈中主要成分含量%

1.2農作物秸稈細胞壁的結構特點農作物秸稈細胞壁是以纖維素微纖的形式作為“骨架”，其周圍是由半纖維素和具有三維網狀結構的木質素大分子共同構建形成的非水溶性三維立體木質纖維素結構（Kuijk等，2015）。這種復雜的結構導致纖維素很難被消化酶或瘤胃液中微生物有效降解（Mette，2005）。

1.2.1木質素木質素主要是由苯基丙烷結構單元通過酯鍵、醚鍵及碳—碳鍵連接而成的高分子化合物，在水解纖維素過程中扮演屏障作用（Himmel等，2007）。木質素的存在是瘤胃微生物不能有效降解纖維素及半纖維素的主要屏障，在秸稈細胞壁中，纖維素以高度凝聚的結晶形態有序的存在，構成細胞壁的骨架結構，纖維素的外圍包被著半纖維素，半纖維素的外層又鏈接著木質素，這種結構阻礙了消化酶和纖維素的接觸（Kuijk等，2015；劉盧生等，2012）。細胞壁如此復雜的自然結構，形成了秸稈的“抗降解屏障”，以抵抗瘤胃消化液以及酶的降解，這給木質纖維素的飼料化利用造成困難。

1.2.2半纖維素半纖維素主要是由木糖、少量阿拉伯糖、半乳糖或甘露糖等多種類型的單糖構成的異質多聚體，各單糖之間通過共價鍵、氫鍵、酯鍵或醚鍵相聯結，因而呈現出復雜穩定的化學結構，水解利用半纖維素往往需要多種酶共同協作，如木聚糖酶、甘露聚糖酶等（郭翰林，2012）。

1.2.3纖維素纖維素是植物細胞壁的主要組成成分之一。基于纖維素具有的特定層次結構特征，而將其分為一級結構、二級結構、三級結構和四級結構，并分別用聚合度、氫鍵、結晶度及比表面積進行表征（裴繼誠，2012；郭翰林，2012）。

1.3纖維素的微觀結構

1.3.1一級結構纖維素是由1000～10000個β-D-吡喃型葡萄糖單體形式以β-1，4-糖苷鍵連接形成的同源直鏈多糖，多個分子層平行排列構成絲狀不溶性微纖維結構，基本組成單位為纖維二糖，組成了微纖絲的糖鏈結構，即纖維素的一級結構（郭翰林，2012；裴繼誠，2012）。纖維素化學結構的分子式為（C6H10O5）n，其中n是葡萄糖苷鍵數目，通常稱為聚合度（DP），聚合度可以表明纖維素的碳鏈長度，碳鏈的長度變短意味著其利用率具增加的趨勢。

1.3.2二級結構纖維素碳鏈形成以后，其葡萄糖殘基上的羥基和分子間或者內部的羥基基團形成穩定的氫鍵網絡，平行面上的碳鏈形成穩定的一層碳鏈片層，使纖維碳鏈形成極為穩定的超大分子，為纖維素的二級結構（郭翰林，2012；裴繼誠，2012）。二級結構是在碳鏈之間的氫鍵基礎上形成的，氫鍵是二級結構的核心凝聚力，減少碳鏈之間的氫鍵作用，有利于碳鏈片層結構的分離，縮短碳鏈的趨勢。

1.3.3三級結構在纖維素分子中，碳鏈的片層之間借助疏水作用力以及范德華引力等相互作用力，使碳鏈片層易于聚集在一起，形成規整性的結晶結構（張文杰等，2011）。排列整齊有序，相互靠的很近，具有晶體的基本特征，這一段稱為結晶區，即是植物細胞壁中的微纖絲結構，這個結構稱為纖維素的三級結構，因其易結晶和形成微纖絲的特點，結晶度作為反映纖維素聚集時形成結晶的程度，即纖維素構成的結晶區占纖維素整體的分數（郭翰林，2012；裴繼誠，2012）。結晶度的降低意味著結構性碳水化合物轉變為易被動物瘤胃微生物及消化酶降解的非結構性碳水化合物的趨勢。

1.3.4四級結構微纖絲中分子鏈有序堆積形成結晶結構，分子鏈無序堆積形成非結晶結構，多根微纖絲與微纖絲之間通過不同化學鍵的引力與排斥，形成纖維束狀的超分子結構，即為纖維素的四級結構。一般用比表面積作為表征纖維素微纖絲與降解纖維素酶分子之間可接觸面枳大小的一個特征值，其有十分重要的意義，利用纖維素底物的比表面積值即可進行表征（郭翰林，2012；裴繼誠，2012）。

2　木質纖維素空間結構的破解與利用

木質纖維素原料是由不同結構的碳水化合物構成的有機大分子物質，且結構復雜，作為動物飼料資源，必須破解碳鏈結構，將大分子物質降解為可以被動物瘤胃微生物及消化酶降解的單糖、雙糖和氨基酸等小分子物質，從而提高秸稈的營養價值和適口性（張文杰等，2012）。

國內外對于木質素的微觀結構及其裂解技術進行了大量研究，旨在從微觀結構的角度找到提高木質纖維素利用的方法，以提高秸稈等高纖維資源的利用率。目前，較為可行的破壁技術包括物理法、化學法及生物法。

2.1物理處理物理方法處理木質纖維素可以提高其降解率。Sarkar等（2012）研究報道，利用物理處理包括粉碎、軟化、爆破、顆粒化技術等，可有效降低纖維素的結晶度，增加比表面積，降低顆粒大小，使得原料與消化過程中的消化酶接觸面更廣，有利于纖維素降解率的提高。鄧華等（2010）發現對玉米秸稈進行微波處理后，其纖維表面粗糙，具有很多孔洞，比表面積顯著增加，有利于與消化液充分接觸。但是Sarnklong等（2010）發現單一物理處理方法并不能減少木質素及半纖維素含量。機械粉碎是秸稈作為飼料使用所需要的前處理過程。在農業的實際生產過程中，物理處理的方式有很多，其利用效果與處理后顆粒的大小有關，因為涉及到與消化液的混合（Mosier等，2005）。

2.2化學處理化學處理主要包括酸化處理、堿化處理，其能破壞秸稈的結構，進而破壞纖維素中不同的化學鍵，以降低纖維素的聚合度和結晶度。Ghasemi等（2013）利用5%濃度的酸處理水稻秸稈，分析發現其結晶度相比未處理的水稻秸稈呈現明顯降低趨勢，而用11%濃度的酸處理水稻秸稈，結晶度反而增加。鄭明霞等（2012）利用堿液處理玉米秸稈，通過傅立葉變換紅外光譜（FTIR）和X射線衍射光譜（XRD）分析發現，處理后的秸稈細胞壁中纖維素的形態結構發生了很大變化，部分分子間氫鍵斷裂，部分酯鍵消失，隨著堿用量的增加，纖維素結構被破壞的程度越大，纖維素的結晶度增大。唐洪濤等（2012）研究表明，經γ射線輻照與NaOH溶液協同處理后的玉米秸稈，脆性更大，更易于粉碎，纖維素一級、二級結構都有所降解，其FTIR光譜圖1162 cm-1波數的C—O—C伸縮振動吸收峰振動強度，其斷裂意味著聚合度的降低，且結晶度顯著提高，比表面積增加，木質素含量降低。這種方法使木質纖維素結構變化，纖維素去結晶化，木質素和糖鏈之間的鍵斷裂，半纖維素和木質素被部分去除（Kuijk等，2015），不僅有利于纖維素比面積增加，而且能避免發酵抑制物的產生（Hendriks和Zeeman，2009）。通常，用化學方法處理秸稈等粗飼料，可以有效提高其營養物質的利用率，然而實際用于飼用秸稈處理，不僅存在化學污染，還易對動物瘤胃微生物產生不利影響（Chaturvedi和Verma，2013）。

2.3生物處理常用的生物處理是利用真菌破壞木質纖維素的結構，真菌產生的一系列酶的降解作用，改變秸稈的理化結構，把秸稈中的纖維素、半纖維素和木質素等大分子碳水化合物降解為易消化的單糖或雙糖等小分子物質，同時釋放出其他營養物質（Kuijk等，2015；Chaturvide和 Zeeman，2013；盧松，2010）。目前常用的真菌主要以白腐菌為主。大量研究表明，利用白腐菌可改變纖維素原料的結構，分解木質素和部分半纖維素，增加纖維素比表面積，擴大孔徑（Custody等，2014；Wang，2013）。一般來說，軟腐菌和褐腐菌也可改變纖維素結構，但其只降解半纖維素，對木質素的影響很小，而白腐菌則能有效降解木質素組分，其中以黃孢原毛平革菌最強（Custody等，2014；柳珊等，2013；盧松，2010）。Jin等（2009）試驗證明黃孢原毛平革菌處理過的水稻秸稈，經電鏡掃描觀察，其纖維表面粗糙不規則，有大小不一的突起，并有裂紋，真菌破壞了纖維素一級結構和二級結構，結晶區強度提高，可利用的纖維素含量增加。Wang等（2013）試驗也發現經黃孢原毛平革菌處理的玉米秸稈二級結構破壞嚴重，結晶區強度明顯增強。柳珊等（2013）研究還證明，通過經白腐真菌處理的玉米秸稈的FTIR光譜圖觀察到1600 cm-1（半纖維素C=O1512 cm-1（木質素中苯環骨架的伸縮振動）、1122 cm-1（木質素C=O伸縮、1738 cm-1（半纖維素C=O振動、1375 cm-1纖維素，半纖維素C-H振動）、898 cm-1處的吸收峰強度有所減弱，這與真菌生物預處理青貯玉米秸稈中相對較低的木質纖維素降解率一致。王宏勛等（2007）利用白腐菌處理玉米秸稈也出現類似結果。Ma等（2011）提出兩種白腐菌聯合培養可以提高木質纖維素酶的活力及全纖維素的降解比率。張立霞等（2014）利用黃孢原毛平革菌、黑曲霉菌、青霉菌、木霉菌四種優勢菌株，以1∶1∶1∶1比例共同培養，接種于秸稈，發酵10 d后發現，木質素降解能力明顯優于單株菌株，并通過電鏡掃描觀察到經此組合處理后的秸稈結構變化較明顯，菌絲附著較多，細胞壁之間的斷裂清晰，但對其空間結構并未進行進一步研究。盧松（2010）將黃孢原毛平革菌及青霉菌混合接種于玉米秸稈，發現降解木質素能力明顯高于單菌種，電鏡分析結果表明其表面結構破壞嚴重，出現較多裂隙及空洞。梁朝寧等（2010）報道，多菌（酶）體系以群體協同作用的方式，可實現纖維素的高效降解。

3　小結

隨著人們對秸稈纖維素結構認識的逐漸深入，研究方法不斷改進，為碳鏈裂解提供了一定依據。目前，大量的研究主要集中在通過添加真菌處理秸稈以提高秸稈飼料的消化利用率，但研究結果差異很大，而且高效的粗飼料加工工藝也鮮有報道。在秸稈處理過程中，秸稈纖維素的結構表征會隨之變化，這種變化可有效表明秸稈細胞壁的破環程度。然而，這些研究在家畜營養方面少有報道，如果能詳細闡明在生物處理過程中，農作物秸稈木質纖維素微觀結構的降解變化，將有助于對秸稈飼料的破壁技術和碳鏈生物解碼技術的理解和改進，從而開發出高效的新工藝以促進作物秸稈的飼料化，為草食家畜的飼養提供充足的粗飼料資源。

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straw；lignocellulose；microstructure；quaternary structure；biological treatment

S816.7

A

1004-3314（2016）12-0038-04

10.15906/j.cnki.cn11-2975/s.20161210

秸稈飼料生物轉化技術研究與示范（20120304202）；國家肉羊產業技術體系建設專項資金（CARS-39）