玉米秸秆各部位分离利用的研究进展

欧 巍，王彦靖，王秀飞，刘 鹏，刘海燕

（吉林省农业科学院，吉林 长春 130033）

我国玉米秸秆资源丰富，年产量可达2.5 亿t[1]。随着科技不断发展，自80年代起，我国愈发重视玉米秸秆的综合利用。企业、科研院所、高校学者不断探索玉米秸秆综合利用的新方法、新技术，以期提高玉米秸秆的利用率。但秸秆产品附加值低，利用率低于总量的30%，多数被丢弃或焚烧，造成严重环境污染与资源浪费[2]。目前，针对玉米秸秆的各种处理方法大多为整株处理，但秸秆不同部位的细胞数目、排列方式，细胞壁的形成过程以及不同部位的组分、化学结构均不同[3-4]，且各部位相互干扰，影响利用效果，因此，对玉米秸秆进行分部位利用非常必要[5]。本文从玉米秸秆不同部位组成和特点、分离技术、利用技术的进展等方面展开综述，为今后玉米秸秆分部位利用提供研究思路和技术参考。

1 玉米秸秆不同部位组成和特点

国内外学者根据不同研究内容、利用方式与特性，将玉米秸秆分为3～8部分，详细划分情况见表1[4,6-23]。

由表1 可知，玉米秸秆划分的部位越多，各部位的组成、结构越精确，但加工成本越高，不适合应用于生产。因此，综合玉米秸秆各部位的物理、化学、组织结构、所占比例等情况以及生产中的应用方式考虑，分为茎皮、穰、叶3 个部位比较合理，因为玉米秸秆的叶、穰、茎皮的重量比分别约占总重量的51.2%、32.9%、15.9%[24]。

表1 玉米秸秆不同部位的划分情况Tab.1 Classification of different parts of corn stalks

玉米秸秆茎皮、穰、叶的组织、形态、化学组成不同，玉米秸秆茎皮具有木质性，拉伸强度和剪切强度较高，纤维形态特征与杨木相当[7,25-27]。玉米秸秆的茎皮较坚硬，具有支撑和保护的功能[28-29]。玉米秸秆的茎皮纤维较致密，有机物、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维和酸性洗涤木质素含量较高[30]，薄且不规则的蜡质层位于秸秆外皮的表皮层，厚度约为0.04 mm[31]。通过表征玉米秸秆苞叶和茎皮部位的结构，发现不同部位的木质纤维素的结构存在差异，茎皮木质素主要由紫丁香基构成，而苞叶木质素主要由愈创木基构成，茎皮中木质素与半纤维素的连接较强，不利于 二者分离[32]。

玉米秸秆穰体积大、蓬松[33]，内部结构呈网孔状，透气性较好。玉米秸秆富含粗脂肪、粗蛋白和糖类物质[34]，其含量显著高于水稻和小麦秸秆。玉米秸秆叶的粗脂肪、粗蛋白含量高，粗纤维的含量较低[30]。电镜扫描分析和X射线衍射分析结果表明，叶和穰较外皮部结构疏松，结晶度低[35]；显微镜观察可知，皮、穰、叶细胞的组织结构差异较大[31]。

2 玉米秸秆各部位分离的研究进展

根据国内外学者针对玉米秸秆不同部位组织结构、组成特点的研究结果可知，玉米秸秆分部位利用可更有效地利用玉米秸秆。叶、茎皮、穰是玉米秸秆的3种主要组分，因此，将玉米秸秆分为茎皮、穰、叶的利用方式较为理想，目前已有大量关于玉米秸秆的茎皮、穰、叶高效分离加工技术的研究，并取得了较好的分离效果。

自20 世纪90 年代起，我国开始进行玉米秸秆皮穰叶分离机械设备的研究。国外主要根据气流分离原理研制玉米秸秆皮穰分离设备，可分为机械分离式和气流分选式。孙竹莹[36]以剖分和旋切的机械分离原理为依据，研制玉米秸秆皮穰分离机，实现了玉米秸秆叶、皮、穰的分离。高梦祥[37]研究发现，采用钢丝刷辊高速冲击、梳刷作用分离玉米秸秆，效果较好。刘丽玲[38]设计了3 个（除叶、茎秆剖切、剖穰）独立试验台，通过研究加工过程建立了皮穰叶分离利用的主要工艺流程。于克强等[39]分析皮穰分离机理的试验结果，提出应采用碾压、接触剥穰、抛穰阶段分离玉米秸秆的皮、穰、叶的结论。王德福等[40]在现存研究基础上，对除叶与剥穰机构开展了运行试验，确定了除叶与剥穰机构的运行参数，结果表明，对不同季节玉米秸秆的皮穰分离加工的效果较好，除叶率高于97.6%，剥穰率高于95.7%。华新生等[41]研制的秸秆皮穰分离设备可直接粉碎秸秆，并分别以细丝状的外皮、块状的穰排出。任德志等[42]研究发现，皮穰分离机的使用效果取决于分离机中的皮穰分离机构，以根据玉米秸秆物料特性研发的碾压揭皮装置分离皮穰，可提高玉米秸秆的皮穰分离效率。新设计的皮穰叶分离机，在较优生产参数下，除叶率可达到97.5%，穰基本被去除，茎皮完整，穰粒均匀，达到皮穰叶分离的要求[43]。

王景锋等[44]研究表明，不同形态物料的气流式分离机的性能指标随各参数发生变化。杨中平[45]研究表明，垂直气流分离可大幅度提高皮穰的分净率与分离率，从而达到穰与茎皮分别排出的效果。张红杰[24]初分离玉米秸秆，并分级风选各组分，获得了较好的分离效果。也有研究发现，利用筛分和旋转风分离装置可分离皮和穰[46]。单瑞霞[47]对玉米秸秆皮穰分离机的喂料机构进行了全面系统研究，实现了自动定量输出、提高工作效率、降低生产成本的目的。

通过对以上试验结果的分析可知，对玉米秸秆茎皮、穰、叶三者进行有效分离是一个系统工程，需要全面研究分离设备、原理、方法及工艺，取得较好的分离效果。

3 玉米秸秆各部位利用的研究进展

3.1 玉米秸秆茎皮应用于燃料颗粒的研究进展

研究表明，玉米秸外皮机械强度好、特性均一、易于加工，不适合饲料化利用，应用于燃料制作是不错的选择。

刘圣勇等[48]研究中，通过燃烧结渣特性测定、燃烧灰渣分析以及相关判别方法，对玉米秸秆成型燃料的结渣特性开展试验分析，发现玉米秸秆结渣倾向为中等。李慧媛等[49]研究表明，有髓玉米秸秆的结渣倾为中等，无髓玉米秸秆的结渣倾向为轻微。何勋等[50]研究表明，玉米秸秆皮颗粒燃料抗破碎性、颗粒成型密度分别为94.9%、1.0 g/cm3以上，能够满足实际生产中对颗粒燃料的要求，为秸秆皮燃料商品化发展提供了技术支撑。

3.2 玉米秸秆穰叶利用的研究进展

玉米秸秆的穰由薄壁细胞与嵌入的维管组织构成[27]，易被瘤胃细菌消化。玉米秸秆穰叶的营养成分含量相对较高，宜饲料化利用。目前，国内外已有大量关于玉米秸秆穰叶饲料化利用的研究，主要围绕穰叶的营养成分分析和营养价值评定[51-52]；也有学者测定各部位中性洗涤纤维的有效降解率，结果表明，不同部位的降解率排列顺序为：苞叶＞穰＞叶片＞叶鞘＞外皮[53]，结果表明，与整株玉米秸秆相比，玉米秸秆穰叶的粗蛋白、粗脂肪的含量显著提高，中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维的含量降低，木质素含量显著降低，营养价值显著提高。李婷婷等[54]研究玉米秸秆穰发酵残渣的分级利用，测定发酵残渣的蛋白质含量与体外消化率，结果表明，玉米秸秆穰发酵残渣作为牲畜高蛋白饲料具有一定可行性。

高翔[46]研究发现，加入漆酶和半乳糖酶处理秸秆穰压块饲料，并加入一定量精料，不仅饲料块成型效果好，还能够提高饲料块的营养成分。孔凡婷等[55]研究表明，在横向、竖向的压缩状态下，秸秆叶的最大压缩力受含水率和取样部位两因素的影响均极显著。何勋等[56]优化了玉米秸秆叶颗粒饲料的生产工艺参数，产品的密度达到1.185 g/cm3，为秸秆穰叶作为商品生产提供了技术支撑。

秸秆穰中半纤维素含量较高，结构松软呈网孔状，具有较好的吸附性能和缓冲性能[57-58]。有学者认为，玉米秸秆穰适宜作为缓冲包装材料或模压包装材料[59-60]。王芳等[61]以玉米秸秆穰为原料，制备的玉米秸秆穰板是一种高效保温材料，具有吸声保温特性。穰也可制成电容性较高的碳材料及优良化学性能的硬碳材料[62-63]。

4 结论

玉米秸秆分部位利用，是一种极具市场发展潜力和产业化前景的技术。国内外学者在玉米秸秆皮、穰、叶组分分离技术获得的研究成果，是玉米秸秆皮高值化利用、穰叶高营养化利用的坚实基础。因此，将玉米秸秆分部位利用，整体提高玉米秸秆的附加值，是今后玉米秸秆综合利用研究的发展趋势。