生物处理玉米秸秆的研究进展

2011-01-06李金华赵秋兵

天津造纸 2011年1期

关键词：木霉木素木糖

许伟李金华赵秋兵

（①山东轻工业学院，山东省制浆造纸科学与技术省级重点实验室，山东济南，250353）（②DUPLO办公设备有限公司，山东济南，250100）

生物处理玉米秸秆的研究进展

许伟①李金华②赵秋兵②

（①山东轻工业学院，山东省制浆造纸科学与技术省级重点实验室，山东济南，250353）（②DUPLO办公设备有限公司，山东济南，250100）

本文主要对近十年来，玉米秸秆生物处理方面的研究与利用作了综述。

玉米秸秆酶解生物发酵木素

1 引言

我国是世界上的农业生产大国之一，每年的农作物秸秆产量相当庞大。2000年，我国的秸秆产量就达到了6亿多吨，其中，玉米秸秆产量达2.2亿多吨[1]。这一巨大资源，除了用作动物饲料和生活燃料外，大部分被弃于田间或就地烧掉。我国本身是一个能源短缺的国家，加大对农业秸秆的回收利用，如生物处理玉米秸秆，对解决我国木材等纤维资源短缺和促进国民经济发展依然有着重要意义。

2 玉米秸秆的纤维形态与化学组成

刘丽英、陈洪章[2]建立了近红外漫反射光谱（NIRS）测定方法用以测定玉米秸秆的组分。秸皮的主要成分是纤维素和木质素；秸穰则包含大量的半纤维素、淀粉和少量蛋白成分；秸叶主要含有粗蛋白、粗脂肪和糖类物质。玉米秸皮强度高、韧性好，是造纸、人造板等行业的好材料。

从表1可以看出，相对于一般的草类原料，玉米秆的平均纤维长度较长，长宽比也较大，其胞腔较大，壁腔比较小[3]。玉米秆纤维形态表明，此原料适合作为纤维原料用于制浆造纸。

表1 玉米秸秆纤维形态

从表2[3]中可以看出,玉米秸秆中，综纤维素和木素含量较低，而抽出物和灰份含量较高，戊聚糖含量居中。（见表2）

3 玉米秸秆的生物处理方法

3.1 生物菌种的选取

降解玉米秸秆中的纤维素、半纤维素和木素，首先要筛选出具有针对性的菌种，利用菌种所分泌的酶系，对这些物质进行专一性的分解[4]。目前，纤维素酶活力较高的微生物有木霉、黑曲霉、青霉等[5]。对于降解玉米秸秆中纤维素多采用绿色木霉和黑曲霉。玉米秸杆中约94%的半纤维素是阿拉伯糖、葡萄糖及醛酸木聚糖，能降解纤维素的真菌所分泌的酶系，基本上可以满足半纤维素的降解。因此，一般采用绿色木霉和黑曲霉一次完成纤维素和半纤维素的降解。白腐真菌是最有效的木素降解微生物，其中黄抱原毛平革可能是研究最为深入、最具有代表性的微生物。其他著名的白腐真菌，如彩绒革盖菌（coriolusve rsicolor），其不仅具有降解纤维素的能力，同时也表现出更强的降解木质素的能力。

3.2 发酵处理

未经处理的秸秆消化率和能量利用率低主要是由于秸秆中的木素与糖类结合在一起，使得微生物和酶很难将其分解。此外，秸秆中的蛋白质含量低和其他必要营养物质缺乏也会导致秸秆中的营养物质不能被动物充分吸收利用[4]。玉米秸秆因具有坚硬的细胞壁结构，其纤维素与木素紧密结合，不容易被动物消化，直接用做饲料，适口性差，因此，对玉米秸秆的处理至关重要。

表2 玉米秸秆的化学组成

3.2.1 微生物发酵剂对玉米秸秆的发酵

于艳辉等[5]的研究认为，秸秆发酵过程中，全营养和速效营养的变化恰是高分子物质降解的结果，因而将化学指标简化为营养测定。试验结果表明，接种外源微生物菌剂可有效加速玉米秸秆的发酵腐熟效果、加速升温和体积变化、缩短发酵时间。通过发酵过程中温度、体积、C/N及各营养的变化情况，可将5种发酵剂分为三类：“金宝贝”和“满园春”的发酵效果较好，有机物速腐剂和青岛龙力发酵剂的发酵效果一般，而HM发酵基的效果较差。试验表明，在含水量和C/N值适宜条件下，接种恰当的微生物可以有效地促进玉米秸秆单一发酵。与对照相比，各处理升温迅速并能很快达到高温（＞45℃），从而缩短了发酵时间，精简了发酵工序。

3.2.2 里氏木霉和酵母菌混合发酵玉米秸杆

王德培，刘瑛等[6]对降解纤维素的菌种和利用秸杆产出粗蛋白的菌种进行了选择，初步确定了里氏木霉DWC和产朊假丝酵母CP2混合菌系共同发酵，可将纤维素降解并产出粗蛋白，并应用正交实验对其生产工艺条件进行了优化，选出了最优条件：pH值为3.0，温度为30℃，培养4d，氮源尿素，接种时间相隔 24h，接入菌种比（CP2：里氏木霉）为 1：4。经研究发现，在此条件下的发酵结果表明，粗蛋白含量可达30.55%，其纤维素转化率可达33.5%。

3.3 酶解处理

3.3.1 白腐菌处理玉米秸秆

研究者采用玉米秸秆和石灰作为主料，添加不同配比的玉米面和麦麸生产白腐菌的发酵曲种，生产出的菌种均能发酵玉米秸秆。随着处理时间的延长，各组的木素、纤维素和半纤维素含量都有一定程度的下降，且木素的降解主要发生在10d以后，略晚于纤维素的降解时间[7]。其原因就是白腐菌可以产生分解木素、纤维素和半纤维素等的酶系，且各降解酶之间存在一定的协同作用，纤维素酶与半纤维素酶可降解纤维素和木聚糖等多糖，为白腐菌的生长和木素的降解提供必需的碳源和能量来源，同时，多糖的分解产物可作为葡萄糖氧化酶、木糖氧化酶、纤维二糖－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应，后者则能实现醌类中间体的快速代谢以防止木素的重新聚合。通过玉米秸秆来生产白腐菌菌种，一方面可以降解玉米秸秆的粗纤维成分，提高CP的水平，有利于动物利用；另一方面，得到的白腐菌可以大量应用于生物机械浆的生产，以提高浆料相应性能。

3.3.2 复合酶降解高温蒸煮玉米秸秆

玉米秸秆细胞壁结构致密，酶解时，木素结构可以保护纤维素和半纤维素免受大量降解。因此，采用酶法对秸秆进行有效降解，需对秸秆进行适当的预处理，然后，通过生物酶的协同作用，将秸秆中糖类物质尽可能多的降解成还原糖，以应用于生产。研究者对玉米秸秆进行高温蒸煮预处理后，可使木质素熔化，半纤维素和纤维素分子发生断裂、降解、氢键断裂而吸水，有助于酶接触相应底物，有利于酶解。进一步研究发现[8]，复合酶降解高温蒸煮玉米秸秆，提高了玉米秸秆降解率，已非常接近玉米秸秆理论降解率（约74%）。

4 玉米秸秆的工业应用探索

玉米秸秆经过纤维素酶和纤维二糖酶的协同作用，得到的水解液中含有葡萄糖和木糖，浓缩后的玉米秸秆水解液，可用于发酵生产2，3－丁二醇。在发酵过程中，Klebsiella oxytoca ZU－03菌株优先利用葡萄糖，在低葡萄糖浓度情况下开始消耗木糖，最终将五碳糖和六碳糖都转化为2，3－丁二醇[11]。高浓度的Na2SO4对于菌体的生长和2，3－丁二醇的产生具有抑制作用。当其浓度在20g/L以内时，对发酵没有明显影响。乙酸和乙醇是两种主要的副产物，当浓度分别超过20g/L和8g/L时会对发酵产生明显的抑制作用。采用Klebsiella oxytoca ZU－03发酵玉米秸秆水解液生产2，3－丁二醇，实现了纤维素和半纤维素的共同利用，是可再生植物纤维资源生物转化的有效途径。

玉米秸秆中含有大量的半纤维素，其结构单元有木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等，其中木糖占一半以上。研究者们以超声波为强化手段，稀硫酸为催化剂，水解提取玉米秸秆中的木糖，最高得率可达32.06%[12]。

传统生物制品工业中的大多数制造工艺均采用淀粉类原料和糖类制品，研究发现许多微生物可以同时利用己糖和戊糖发酵生产产品，这使得直接利用农林废弃物降解产生的多糖发酵生产基础化合物（包括丙酮、丁醇以及氢）成为一条切实可行的工艺路线。研究人员通过对玉米秸秆碱处理条件的研究[13]，确定了碱处理过程中工艺参数对预处理样品纤维素、半纤维素和木素组成、酶解效率和总糖得率的影响，为植物纤维原料制糖的工业化提供了基础数据。

[1]孙竹莹，郭升民.玉米秸杆皮穰分离及其制浆试验[J].中华纸业，2001，22（5）：41-42.

[2]刘丽英，陈洪章.玉米秸秆组分近红外漫反射光谱（NIRS）测定方法的建立[J].光谱学与光谱分析，2007，27（2）：275-278.

[3]程合丽，詹怀宇，李兵云，付时雨.玉米秆纤维形态和制浆漂白特性研究 [J].造纸科学与技术，2008，27（6）：76-79.

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[5]王蓓，张建民，朱格仙等.硫氧化细菌的筛选及其脱硫性能研究 [J].纺织高校基础科学学报，2007，20（4）：418-420.

[6]朱德文.农作物秸秆用作动物饲料可行性与限制因素等分析[J].饲料研究，2003（2）:349-351.

[7]于艳辉，程智慧，谢芝春，张庆春，薛书浩.5种微生物发酵剂对玉米秸秆的发酵效果[J].西北农业学报，2010，19（2）:95-99.

[8]王德培，刘瑛，夏兰英，高辉.里氏木霉和酵母菌混合发酵玉米秸杆的研究 [J].天津科技大学学报，2002（2）：1-3.

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[12]刘长虹，吴树新，朱艳坤.玉米秸秆制备木糖工艺的研究[J].中国资源综合利用，2009，27（1）：9-12.