秸秆木质纤维素微观结构及其裂解方法

王玉荣，陶莲，许贵善，石长青，刁其玉*

（1.中国农业科学院饲料研究所，农业部饲料生物技术重点实验室，北京海淀100081；2.塔里木大学动物科学学院，新疆阿拉尔843300）

福邦酵母技术专栏

秸秆木质纤维素微观结构及其裂解方法

王玉荣1，2，陶莲1，许贵善2，石长青2，刁其玉1*

（1.中国农业科学院饲料研究所，农业部饲料生物技术重点实验室，北京海淀100081；2.塔里木大学动物科学学院，新疆阿拉尔843300）

纤维素的微观结构可以从分子水平揭示秸秆的基本组成，解释植物细胞壁的破解效果，为提高秸秆利用率提供有效证据。本文综述了纤维素的四级结构及其裂解方法，为秸秆饲料化利用提供理论依据和指导方法。

秸秆；木质纤维素；微观结构；四级结构；生物处理

农作物秸秆细胞壁中的纤维素本身复杂的层次结构和凝聚态结构，以及包裹着纤维素的半纤维素和木质素是导致其利用率低的主要原因（裴继诚，2012；刘卢生等，2012）。木质素与半纤维素以共价键形式结合，将纤维素分子包被在其中，形成一种自然屏障，使消化酶不易与纤维素分子接触，导致其在动物瘤胃中的分解受到限制（Ding等，2012）。提高秸秆饲料化利用率的常用加工处理方法有物理处理、化学处理和生物处理。其中，生物处理具有能耗低、污染小、易于操作等优点，依靠微生物和酶制剂的生物降解能力来破坏秸秆细胞壁（张立霞等，2014）。同时生物处理可以通过对细胞壁中的纤维素组分的降解，改变不同层次中的纤维素的空间结构。然而在真菌作用下，纤维素空间结构的变化并非单一的变化，而是相互联动的变化（崔美等，2012）。根据纤维素空间结构的破解程度，能够说明细胞壁破壁的有效性，为秸秆利用率的提高提供了更为直接的证据。因此本文综述了秸秆木质纤维素的微观结构及破解方法，以期为秸秆的利用提供理论依据。

1　农作物秸秆的主成分及结构特点

1.1秸秆的主成分农作物秸秆主要由细胞壁和细胞内容物组成，其中细胞壁所占比例达80%以上（张立霞等，2014）。秸秆中的细胞内容物几乎能够被完全消化，而细胞壁因含有较多的粗纤维，导致在动物体内消化缓慢且不完全。秸秆细胞壁主要由纤维素、半纤维素及木质素组成，具有很高的营养价值。三种主要农作物秸秆的主要成分见表1。

表1　三种主要农作物秸秆中主要成分含量%

1.2农作物秸秆细胞壁的结构特点农作物秸秆细胞壁是以纤维素微纤的形式作为“骨架”，其周围是由半纤维素和具有三维网状结构的木质素大分子共同构建形成的非水溶性三维立体木质纤维素结构（Kuijk等，2015）。这种复杂的结构导致纤维素很难被消化酶或瘤胃液中微生物有效降解（Mette，2005）。

1.2.1木质素木质素主要是由苯基丙烷结构单元通过酯键、醚键及碳—碳键连接而成的高分子化合物，在水解纤维素过程中扮演屏障作用（Himmel等，2007）。木质素的存在是瘤胃微生物不能有效降解纤维素及半纤维素的主要屏障，在秸秆细胞壁中，纤维素以高度凝聚的结晶形态有序的存在，构成细胞壁的骨架结构，纤维素的外围包被着半纤维素，半纤维素的外层又链接着木质素，这种结构阻碍了消化酶和纤维素的接触（Kuijk等，2015；刘卢生等，2012）。细胞壁如此复杂的自然结构，形成了秸秆的“抗降解屏障”，以抵抗瘤胃消化液以及酶的降解，这给木质纤维素的饲料化利用造成困难。

1.2.2半纤维素半纤维素主要是由木糖、少量阿拉伯糖、半乳糖或甘露糖等多种类型的单糖构成的异质多聚体，各单糖之间通过共价键、氢键、酯键或醚键相联结，因而呈现出复杂稳定的化学结构，水解利用半纤维素往往需要多种酶共同协作，如木聚糖酶、甘露聚糖酶等（郭翰林，2012）。

1.2.3纤维素纤维素是植物细胞壁的主要组成成分之一。基于纤维素具有的特定层次结构特征，而将其分为一级结构、二级结构、三级结构和四级结构，并分别用聚合度、氢键、结晶度及比表面积进行表征（裴继诚，2012；郭翰林，2012）。

1.3纤维素的微观结构

1.3.1一级结构纤维素是由1000～10000个β-D-吡喃型葡萄糖单体形式以β-1，4-糖苷键连接形成的同源直链多糖，多个分子层平行排列构成丝状不溶性微纤维结构，基本组成单位为纤维二糖，组成了微纤丝的糖链结构，即纤维素的一级结构（郭翰林，2012；裴继诚，2012）。纤维素化学结构的分子式为（C6H10O5）n，其中n是葡萄糖苷键数目，通常称为聚合度（DP），聚合度可以表明纤维素的碳链长度，碳链的长度变短意味着其利用率具增加的趋势。

1.3.2二级结构纤维素碳链形成以后，其葡萄糖残基上的羟基和分子间或者内部的羟基基团形成稳定的氢键网络，平行面上的碳链形成稳定的一层碳链片层，使纤维碳链形成极为稳定的超大分子，为纤维素的二级结构（郭翰林，2012；裴继诚，2012）。二级结构是在碳链之间的氢键基础上形成的，氢键是二级结构的核心凝聚力，减少碳链之间的氢键作用，有利于碳链片层结构的分离，缩短碳链的趋势。

1.3.3三级结构在纤维素分子中，碳链的片层之间借助疏水作用力以及范德华引力等相互作用力，使碳链片层易于聚集在一起，形成规整性的结晶结构（张文杰等，2011）。排列整齐有序，相互靠的很近，具有晶体的基本特征，这一段称为结晶区，即是植物细胞壁中的微纤丝结构，这个结构称为纤维素的三级结构，因其易结晶和形成微纤丝的特点，结晶度作为反映纤维素聚集时形成结晶的程度，即纤维素构成的结晶区占纤维素整体的分数（郭翰林，2012；裴继诚，2012）。结晶度的降低意味着结构性碳水化合物转变为易被动物瘤胃微生物及消化酶降解的非结构性碳水化合物的趋势。

1.3.4四级结构微纤丝中分子链有序堆积形成结晶结构，分子链无序堆积形成非结晶结构，多根微纤丝与微纤丝之间通过不同化学键的引力与排斥，形成纤维束状的超分子结构，即为纤维素的四级结构。一般用比表面积作为表征纤维素微纤丝与降解纤维素酶分子之间可接触面枳大小的一个特征值，其有十分重要的意义，利用纤维素底物的比表面积值即可进行表征（郭翰林，2012；裴继诚，2012）。

2　木质纤维素空间结构的破解与利用

木质纤维素原料是由不同结构的碳水化合物构成的有机大分子物质，且结构复杂，作为动物饲料资源，必须破解碳链结构，将大分子物质降解为可以被动物瘤胃微生物及消化酶降解的单糖、双糖和氨基酸等小分子物质，从而提高秸秆的营养价值和适口性（张文杰等，2012）。

国内外对于木质素的微观结构及其裂解技术进行了大量研究，旨在从微观结构的角度找到提高木质纤维素利用的方法，以提高秸秆等高纤维资源的利用率。目前，较为可行的破壁技术包括物理法、化学法及生物法。

2.1物理处理物理方法处理木质纤维素可以提高其降解率。Sarkar等（2012）研究报道，利用物理处理包括粉碎、软化、爆破、颗粒化技术等，可有效降低纤维素的结晶度，增加比表面积，降低颗粒大小，使得原料与消化过程中的消化酶接触面更广，有利于纤维素降解率的提高。邓华等（2010）发现对玉米秸秆进行微波处理后，其纤维表面粗糙，具有很多孔洞，比表面积显著增加，有利于与消化液充分接触。但是Sarnklong等（2010）发现单一物理处理方法并不能减少木质素及半纤维素含量。机械粉碎是秸秆作为饲料使用所需要的前处理过程。在农业的实际生产过程中，物理处理的方式有很多，其利用效果与处理后颗粒的大小有关，因为涉及到与消化液的混合（Mosier等，2005）。

2.2化学处理化学处理主要包括酸化处理、碱化处理，其能破坏秸秆的结构，进而破坏纤维素中不同的化学键，以降低纤维素的聚合度和结晶度。Ghasemi等（2013）利用5%浓度的酸处理水稻秸秆，分析发现其结晶度相比未处理的水稻秸秆呈现明显降低趋势，而用11%浓度的酸处理水稻秸秆，结晶度反而增加。郑明霞等（2012）利用碱液处理玉米秸秆，通过傅立叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射光谱（XRD）分析发现，处理后的秸秆细胞壁中纤维素的形态结构发生了很大变化，部分分子间氢键断裂，部分酯键消失，随着碱用量的增加，纤维素结构被破坏的程度越大，纤维素的结晶度增大。唐洪涛等（2012）研究表明，经γ射线辐照与NaOH溶液协同处理后的玉米秸秆，脆性更大，更易于粉碎，纤维素一级、二级结构都有所降解，其FTIR光谱图1162 cm-1波数的C—O—C伸缩振动吸收峰振动强度，其断裂意味着聚合度的降低，且结晶度显著提高，比表面积增加，木质素含量降低。这种方法使木质纤维素结构变化，纤维素去结晶化，木质素和糖链之间的键断裂，半纤维素和木质素被部分去除（Kuijk等，2015），不仅有利于纤维素比面积增加，而且能避免发酵抑制物的产生（Hendriks和Zeeman，2009）。通常，用化学方法处理秸秆等粗饲料，可以有效提高其营养物质的利用率，然而实际用于饲用秸秆处理，不仅存在化学污染，还易对动物瘤胃微生物产生不利影响（Chaturvedi和Verma，2013）。

2.3生物处理常用的生物处理是利用真菌破坏木质纤维素的结构，真菌产生的一系列酶的降解作用，改变秸秆的理化结构，把秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素等大分子碳水化合物降解为易消化的单糖或双糖等小分子物质，同时释放出其他营养物质（Kuijk等，2015；Chaturvide和 Zeeman，2013；卢松，2010）。目前常用的真菌主要以白腐菌为主。大量研究表明，利用白腐菌可改变纤维素原料的结构，分解木质素和部分半纤维素，增加纤维素比表面积，扩大孔径（Custody等，2014；Wang，2013）。一般来说，软腐菌和褐腐菌也可改变纤维素结构，但其只降解半纤维素，对木质素的影响很小，而白腐菌则能有效降解木质素组分，其中以黄孢原毛平革菌最强（Custody等，2014；柳珊等，2013；卢松，2010）。Jin等（2009）试验证明黄孢原毛平革菌处理过的水稻秸秆，经电镜扫描观察，其纤维表面粗糙不规则，有大小不一的突起，并有裂纹，真菌破坏了纤维素一级结构和二级结构，结晶区强度提高，可利用的纤维素含量增加。Wang等（2013）试验也发现经黄孢原毛平革菌处理的玉米秸秆二级结构破坏严重，结晶区强度明显增强。柳珊等（2013）研究还证明，通过经白腐真菌处理的玉米秸秆的FTIR光谱图观察到1600 cm-1（半纤维素C=O1512 cm-1（木质素中苯环骨架的伸缩振动）、1122 cm-1（木质素C=O伸缩、1738 cm-1（半纤维素C=O振动、1375 cm-1纤维素，半纤维素C-H振动）、898 cm-1处的吸收峰强度有所减弱，这与真菌生物预处理青贮玉米秸秆中相对较低的木质纤维素降解率一致。王宏勋等（2007）利用白腐菌处理玉米秸秆也出现类似结果。Ma等（2011）提出两种白腐菌联合培养可以提高木质纤维素酶的活力及全纤维素的降解比率。张立霞等（2014）利用黄孢原毛平革菌、黑曲霉菌、青霉菌、木霉菌四种优势菌株，以1∶1∶1∶1比例共同培养，接种于秸秆，发酵10 d后发现，木质素降解能力明显优于单株菌株，并通过电镜扫描观察到经此组合处理后的秸秆结构变化较明显，菌丝附着较多，细胞壁之间的断裂清晰，但对其空间结构并未进行进一步研究。卢松（2010）将黄孢原毛平革菌及青霉菌混合接种于玉米秸秆，发现降解木质素能力明显高于单菌种，电镜分析结果表明其表面结构破坏严重，出现较多裂隙及空洞。梁朝宁等（2010）报道，多菌（酶）体系以群体协同作用的方式，可实现纤维素的高效降解。

3　小结

随着人们对秸秆纤维素结构认识的逐渐深入，研究方法不断改进，为碳链裂解提供了一定依据。目前，大量的研究主要集中在通过添加真菌处理秸秆以提高秸秆饲料的消化利用率，但研究结果差异很大，而且高效的粗饲料加工工艺也鲜有报道。在秸秆处理过程中，秸秆纤维素的结构表征会随之变化，这种变化可有效表明秸秆细胞壁的破环程度。然而，这些研究在家畜营养方面少有报道，如果能详细阐明在生物处理过程中，农作物秸秆木质纤维素微观结构的降解变化，将有助于对秸秆饲料的破壁技术和碳链生物解码技术的理解和改进，从而开发出高效的新工艺以促进作物秸秆的饲料化，为草食家畜的饲养提供充足的粗饲料资源。

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The basic composition of straw could be revealed from the molecular level by the microstructure of cellulose.It could also explain the effect of crack of plant cell wall and provide effective evidence for improving straw utilization.This paper summarized the quarternary structure of cellulose and related methods to break down this structure，which provided theoretical basis and guidance for the application of straw feed.

straw；lignocellulose；microstructure；quaternary structure；biological treatment

S816.7

A

1004-3314（2016）12-0038-04

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

秸秆饲料生物转化技术研究与示范（20120304202）；国家肉羊产业技术体系建设专项资金（CARS-39）