簡介農(nóng)業(yè)廢棄物玉米芯的資源化和應(yīng)用

汪曉鵬

（甘肅省皮革塑料研究所有限責任公司，甘肅 蘭州 730046）

生物質(zhì)資源是地球上再生資源的核心組成部分，是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)資源，是維系人類經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展最根本的保障。當前，我國的綠色環(huán)保、安全、循環(huán)、可持續(xù)成為國民經(jīng)濟發(fā)展的主導(dǎo)方向。確定了新材料、裝備制造、生物技術(shù)等六大戰(zhàn)略新型產(chǎn)業(yè)。大力發(fā)展“生物煉制，綠色循環(huán)”產(chǎn)業(yè)鏈模式，為充分利用玉米芯資源化提供強大的政策支撐和戰(zhàn)略方向。企業(yè)、廠商和技術(shù)部門以玉米芯為基礎(chǔ)原料，廢物利用，變廢為寶，循環(huán)利用，綠色發(fā)展。其利用制備法：一是采用玉米芯生產(chǎn)功能糖產(chǎn)品；二是生產(chǎn)功能糖的廢渣，被用來生產(chǎn)新能源乙醇和提取木質(zhì)素；三是生產(chǎn)的廢水用于沼氣發(fā)電，剩余固廢物用于農(nóng)民養(yǎng)蘑菇或生物發(fā)電。使得廢水、廢氣、固廢物之“三廢”得到了循環(huán)閉合鏈的綜合利用。玉米芯的有效利用能保護環(huán)境、消除污染。若被高值化利用，還可增加農(nóng)民收入。

中國是生物質(zhì)資源最豐富的國家之一，農(nóng)業(yè)廢棄物玉米芯的高效利用和循環(huán)利用模式符合國民經(jīng)濟、國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向、法律和政策等。諸如《中華人共和國環(huán)境保護法》、《中華人民共和國大氣污染防治法》、《中華人民共和國循環(huán)經(jīng)濟促進法》、《中華人民共和國清潔生產(chǎn)促進法》《中華人民共和國節(jié)約能源法》《關(guān)于推進農(nóng)林廢棄物資源化利用的試點方案》等等，更符合國民經(jīng)濟“十三五”的創(chuàng)新發(fā)展、協(xié)調(diào)發(fā)展、綠色發(fā)展、開放發(fā)展、共享發(fā)展“五大發(fā)展理念”。充分利用玉米芯資源化具有非常大的應(yīng)用和推廣價值。中國作為農(nóng)業(yè)大國，有得天獨厚的條件，是世界玉米種植大國，玉米芯來源極其廣泛和豐富。屬可再生資源，能循環(huán)往復(fù)以至無窮，是廢物利用的“富礦”。

1 玉米芯資源豐富[1]

玉米是全球種植最廣、產(chǎn)量最大的谷物，居三大糧食（玉米、小麥、大米）之首。除南極洲之外，世界各大洲70 多個國家種植玉米。玉米營養(yǎng)豐富，有“五谷之王”的美譽。籽粒含有73%的淀粉、8.5%的蛋白質(zhì)、4.3%的脂肪，富含維生素，是食品、飼料和工業(yè)原料廉價的作物。玉米是重要的工業(yè)原料，是加工品種最多、鏈條最長和增值最高的谷類作物，深加工產(chǎn)品高達2000 多種。我國在東西南北中五方、春夏秋冬四季種植玉米，是世界獨一無二“四季玉米”之鄉(xiāng)。

圖1 玉米芯綜合利用途徑[3]

目前我國玉米播種面積、總產(chǎn)量、消費量僅次于美國，位居世界第三。玉米年產(chǎn)量約為1.1 億噸～1.6 億噸，可產(chǎn)下腳料玉米芯2000 萬噸，因此具有大量的玉米芯資源亟待開發(fā)利用。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，為開發(fā)利用提供了技術(shù)支撐。玉米芯的深加工不斷拓展，相繼開發(fā)糠醛、木糖、木糖醇、低聚木糖、飴糖、葡萄糖、乳酸黏合劑、納米粒子等一系列高附加值的產(chǎn)品。俗語云：“沒有廢物，只有放錯位置的資源”，物盡其用。毋庸置疑，對玉米芯的資源化綜合利用，具有重大的社會效益、生態(tài)環(huán)保效應(yīng)和經(jīng)濟效益。

2 玉米芯資源化之途徑

玉米芯中主要成分為纖維素（32%～36%）、半纖維素（35%～40%）、木質(zhì)素（25%）以及少量的灰分。對玉米芯深加工領(lǐng)域的擴大，加強研究的廣度與深度，已經(jīng)取得糠醇系列的工業(yè)化生產(chǎn)，實現(xiàn)對資源的充分利用。玉米芯的綜合利用途徑詳見圖1。

3 應(yīng)用

3.1 普通應(yīng)用

（1）玉米芯可以用來種食用菌和栽培料。玉米芯的營養(yǎng)非常豐富，特別是糖分的含量特別高，是發(fā)展食用菌生產(chǎn)的較為理想的優(yōu)質(zhì)原料，可以培養(yǎng)多種食用菌。積極推廣玉米芯栽培白靈菇、大球蓋菇、平菇、金針菇、滑菇、黑木耳等食用菌栽培技術(shù)，使得玉米芯大量資源化利用。（2）玉米芯可以用來加工成有機肥料，用粉碎機粉碎后，可以與畜禽的糞便混合后發(fā)酵，制成含有豐富氮、磷、鉀以及各種微量元素的有機肥料。（3）玉米芯可以作為動物的飼料、獸藥的載體、還可作為燃料。（4）玉米芯加工產(chǎn)品有木糖醇，從玉米芯里面煉制出來的功能糖不僅有木糖醇，還有低聚木糖、食品級木糖等。（5）玉米芯加工改制成化工合成的中間體—糠醛，糠醛不僅可制造橡膠、塑料、合成纖維、農(nóng)藥、涂料、化學(xué)試劑和各種助劑等，糠醛生產(chǎn)中的渣滓還可以做肥料，對改良鹽堿地和提高土壤肥力具有良好作用。（6）玉米芯還能提取“石墨烯”。據(jù)估算，100 噸的生物質(zhì)石墨烯材料竟然能帶來3～5 億元的財富。（7）在工業(yè)中可以使用玉米芯從廢水中來提取重金屬，防止熱的薄鋼片粘連在一起能防止金屬物質(zhì)對水體的污染等。（8）玉米芯對于紙板、水泥板和水泥磚等的制作也具有很重要的作用，尤其是在制作時可以作為膠水和漿糊一起填充劑使用。（9）在輪胎制造業(yè)中也可以使用到玉米芯，作為一種橡膠助劑，不僅可以增加輪胎和地面之間的摩擦力，增大輪胎的牽引力，還可以延長輪胎的使用壽命。（10）利用玉米芯生產(chǎn)葡萄糖和食品包裝盒，用玉米芯中所含的“玉米朊”蛋白膠質(zhì)，制備降解綠色食品包裝材料，該材料降解速度快，對土壤和水質(zhì)無害而有利。（11）除此之外，利用玉米芯生產(chǎn)油、酒、黏結(jié)劑，生產(chǎn)高比表面積活性炭、除臭填料、實驗動物墊料等。

3.2 推廣應(yīng)用

李昌華等[2]介紹玉米芯是玉米生產(chǎn)和加工的副產(chǎn)物,資源豐富。玉米芯通常被當作飼料和燃料使用或作為廢棄物,未能充分利用。對玉米芯進行開發(fā)和綜合利用，可提高農(nóng)副產(chǎn)品的經(jīng)濟效益和社會效益。以玉米芯為原料生產(chǎn)還原糖、木糖、木聚糖、多酚、多糖、糠醛、黃原膠、生物質(zhì)活性炭、木質(zhì)素、丁醇、2,3-丁二醇、改性玉米芯的生產(chǎn)工藝和研究進展，為玉米芯的綜合利用提供參考。

王紅彥等[3]通過實地調(diào)查，結(jié)合文獻綜述，從原料化、飼料化、基料化、能源化的角度，系統(tǒng)闡述我國玉米芯資源綜合利用途徑。結(jié)果表明:玉米芯產(chǎn)量與玉米產(chǎn)量之比為0.21；2013 年全國玉米芯資源總產(chǎn)量為4590萬t，相當于全國秸稈總產(chǎn)量的4.90%或玉米秸稈總產(chǎn)量的19.10%。主要分布于東北地區(qū)與黃淮海地區(qū)，產(chǎn)量分別為1586.61 萬t 與1185.41萬t，兩地區(qū)合計占全國玉米芯產(chǎn)量的60.42%。玉米芯是我國各類秸稈資源中高值化利用率較高的種類，其原料化、基料化、飼料化及能源化利用總量達到800 萬t 左右。食用菌基料化、新型能源化利用是提高我國玉米芯綜合利用水平的基本途徑。多產(chǎn)品聯(lián)產(chǎn)可有效地促進我國玉米芯工業(yè)原料化利用水平的不斷提升。積極開展玉米芯發(fā)酵飼料技術(shù)推廣與應(yīng)用可為我國玉米芯資源高值化利用開辟新途徑。

玉米芯主要由纖維素[4]、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成，便于收集、易加工處理，已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)食品、飼料和化工產(chǎn)品中，但目前仍存在原料利用率低、能耗大、成本高等問題。對農(nóng)業(yè)廢棄物玉米芯工業(yè)化綜合利用相關(guān)的工藝進行探討，通過論述玉米芯中半纖維素、纖維素和木質(zhì)素三大組分的高值化利用方式，闡述了玉米芯綜合利用的產(chǎn)業(yè)化途徑。

榮春光[5]采用玉米芯為原料，在用水量很少的情況下，以有機溶劑甲苯做萃取劑，同步萃取糠醛。在低壓條件（反應(yīng)釜）下制得了糠醛，此方法用水量極少。最佳反應(yīng)條件是溫度140 ℃，甲苯用量25 mL，玉米芯1 g，硫酸質(zhì)量分數(shù)6%，反應(yīng)時間3.5 h。在此最佳條件下糠醛的產(chǎn)率為44%.其中反應(yīng)溫度和酸濃度是反應(yīng)的主要影響因素。之后在常壓下用無水法以玉米芯為原料生產(chǎn)糠醛，最佳實驗條件玉米芯2 g，DMSO(二甲基亞砜）5 mL，15%的硫酸5 mL，反應(yīng)時間5 h，甲苯萃取劑用量為50 mL，最佳糠醛產(chǎn)率為45%。在常壓下引入DMSO 做溶劑，提高了糠醛的產(chǎn)率，使常壓的產(chǎn)率接近低壓產(chǎn)率。此外在常壓下反應(yīng)溫度低，硫酸濃度也比較大。實驗證明此方法雖然加入了有機溶劑同步萃取，但糠醛的產(chǎn)率相對于目前工業(yè)的收率提高不大。并針對目前糠醛工業(yè)糠醛收率低和污染嚴重的問題展開研究，通過以木糖為原料制備糠醛，提高了糠醛的產(chǎn)率；以玉米芯為原料生產(chǎn)糠醛，減少水的用量避免向環(huán)境排放廢水；用糠醛渣制備活性炭和水熱碳實現(xiàn)了糠醛渣的綜合利用；以生物質(zhì)原料為吸附劑處理糠醛廢水，為糠醛的生產(chǎn)及廢水廢渣處理提供可貴的參考意見。

玉米芯變廢為寶——生物發(fā)酵提取木糖技術(shù)。日本群馬大學(xué)一個研究小組最新公布的成果顯示,他們開發(fā)出利用農(nóng)業(yè)廢棄物玉米芯高效制作工業(yè)生產(chǎn)常用的PET 樹脂技術(shù),這一技術(shù)無需使用糧食作物,也有望為緩解全球氣候變暖做出貢獻。PET 即"聚對苯二甲酸乙二醇酯",可用于制作薄膜片材、包裝飲用瓶、電子電器、汽車配件等。通常的PET 樹脂以對苯二甲酸和乙二醇為主要單體聚合而成,而對苯二甲酸乙二醇酯則是從石腦油中提煉出來。

采用玉米芯制造糠醛，由糠醛制備己二酸己二酯，再聚合而成聚己內(nèi)酯（PCL）降解高分子材料，可替代石油基降解塑料，成為生物降解塑料。能夠?qū)崿F(xiàn)治理白色污染（White Pollution），保護環(huán)境的目的。

4 結(jié)語

玉米脫粒后,剩下的玉米芯通常被視為農(nóng)業(yè)廢棄物。由是觀之，何廢之有？其實玉米芯“全身是寶”。

如果說“十三五”是我國踐行綠色發(fā)展理念，開啟建設(shè)美麗中國的重要時期，那么“十四五”時期就是加速推進綠色循環(huán)、低碳發(fā)展的關(guān)鍵期。黨的十九屆四中全會提出，全面建立資源高效利用制度；黨的十九屆五中全會提出了新一輪科技革命、產(chǎn)業(yè)變革的號召，把科技自立自強作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略支撐。在此利好消息的鼓舞和推動下，隨著我國科技實力的不斷增強，玉米芯的深加工和應(yīng)用領(lǐng)域必將不斷擴大。目前，已使糠醛、木糖、木糖醇、低聚木糖等一系列高附加值產(chǎn)品實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)并應(yīng)用于各個領(lǐng)域，達到了對玉米芯的資源化利用。

“十四五”計劃和二O 三五年遠景發(fā)展目標。提出大力發(fā)展科學(xué)技術(shù)，自立自強的戰(zhàn)略思想。今后應(yīng)向更高更深更廣的研究領(lǐng)域邁進，對玉米芯三大組分（纖維素、半纖維素和木質(zhì)素）的充分有效利用，既能解決經(jīng)濟問題，又解決環(huán)境問題；但是從三大組分綜合利用的終端產(chǎn)品上來看，其多樣化程度仍有待加強。盡管綜合利用模式已經(jīng)初步成熟，但關(guān)于纖維素制備乙醇方面還需要進一步提高預(yù)處理的效率和纖維素酶的生產(chǎn)效率，以便更好地控制纖維乙醇的成本，實現(xiàn)木質(zhì)纖維素原料利用與纖維素乙醇生產(chǎn)協(xié)同發(fā)展。另外，不論是一步法還是兩步法工藝還有待改進和進一步優(yōu)化，以提高出產(chǎn)率。