玉米芯回收利用现状研究

2023-09-08范成成

再生资源与循环经济 2023年8期

范成成

（天津港保税区城市环境管理局，天津 300450）

我国土地面积大，耕地面积广，属于农业大国。在我国农业生产中玉米耕种面积占据总耕地面积比例较大，在农民经济收入中占据着重大比例。每年我国玉米播种面积超0.4 亿hm2，产量超2.7 亿t[1]。玉米是我国主要农作物。同时作为世界上的人口大国，我国对玉米的需求量非常大。对寒冷、干旱、贫瘠等种植环境，玉米均具有良好的耐受适应能力，并且玉米含有丰富的人体和牲畜所需营养物质，是优良的粮食作物。基于玉米的营养价值以及高产特性，玉米不仅成为了畜牧、水产等养殖业的饲料来源，而且还为轻化工、医疗食品等行业提供不可或缺的原料[2]。在玉米种植加工的同时，会产生大量的副产物——玉米芯。按1 kg 玉米产生1/3 kg 玉米芯计算,会产生约8 176 万t 玉米芯，数量及其可观。但目前玉米芯却被随处丢弃，不仅使资源造成浪费，还会使生态环境可持续性发展体系遭到破坏。在我国农村地区，农民对玉米芯的回收利用仍停留在研磨后饲喂家畜、作为燃料焚烧等方面。在实际工业生产中只利用了其中的木质素，不能将玉米芯做到高值化回收利用，运用于其他高价值领域的玉米芯不超过十分之一[3]。

随着对玉米芯研究的学者不断增多，人们对玉米芯营养成分组成和结构认识不断深入，玉米芯的经济价值，越来越受到人们的重视，探索开发高值利用玉米芯技术成为一个热门研究方向。

1 玉米芯的成分

玉米芯是玉米籽粒的生长附着物，是籽粒经加工脱落后的废弃物，其组织硬度适宜，韧性强，具有优良的抗磨性能，经破碎获得所需的玉米芯颗粒[4]。玉米芯中主要营养物质有：粗蛋白2.4%、粗脂肪0.36%、粗纤维35.4%、中性洗涤纤维79.13%、酸性洗涤纤维42.5%、酸性洗涤木质素5.8%，钙0.12%、磷0.04%，纤维素、半纤维素、木质素含量丰富。

2 玉米芯主要应用

2.1 玉米芯制备活性炭吸附剂

活性炭是一种具有多孔隙呈蜂窝状结构的碳材料，可与外界物质接触的表面积非常大，拥有多种功能基团，其特殊的结构决定了活性炭良好的物理和化学吸附性能。活性炭易获得，物理和化学性质极其稳定，易于再生和重复利用，在各个行业得到了广泛使用[5]。目前活性炭吸附性研究热点主要聚焦在有毒有害的有机物吸附和重金属离子吸附等方面，在某些工业中使用活性炭吸附有毒物质的报道鲜少见到。在磷酸二氢铵水溶肥的生成过程中发现，磷酸二氢铵的介稳区宽度和结晶诱导时间与Fe3+含量成正相关，晶体生长速度与Fe3+含量成反比例关系，晶体结构由针状代替棱柱状，从而对水溶肥产品的性能及品质产生了严重的负面影响。因此，在工业生产中降低Fe3+含量的问题亟待解决，然而活性炭在磷酸盐体系吸附Fe3+杂质的研究还未开启。

目前活性炭生产原料依赖不可再生的煤炭，随着全球化石能源储量的不断减少，活性炭生产成本不断攀升，开发活性炭生产新技术愈发重要。而以农业废弃物玉米芯制备活性炭技术既能降低生产成本、减少环境污染，又能达到资源循环的目的[6]。陈良霞等以化学活化法为理论基础，以玉米芯为主要原料，制备活性炭吸附剂，同时分别研究了其在废水处理中铅的处理效果和废气中甲烷的吸附能力[7-8]；Chitaranjan Dalai 等以稻壳和甘蔗渣为原料制备活性炭，并将其应用于地下水净化[9]。

玉米芯中含有氨基、羧基、苯环等活性官能团结构，这些官能团能够与重金属离子发生螯合将金属离子吸附。玉米芯表面具有蜂窝状组织，具有储气功能，可以吸附有毒气体[10]。玉米芯虽然具有一定的吸附能力，但直接使用玉米芯进行污染物处理，吸附能力有限。通过共聚和交联作用等化学方法对玉米芯进行性能改良，可达到增强重金属吸附能力的目的，可应用于污水处理工艺中重金属消除。但吸附的重金属须经高温才能实现脱附，并且在吸附、脱附前后，重金属的物质成分并未发生改变。与此同时，玉米芯具有多孔结构，其颗粒越小，吸附能力越强。通过这种作用吸附污染物，吸附剂的再生和回收比较容易进行。在重金属废水处理应用中，大多同时存在上述几种作用。

随着生活水平的提高和经济的发展，人们使用物品多样化，随之甲醛也成为谈虎色变的有毒物质，人们生活中所使用的家具、胶水、油漆，甚至女性常用的美甲类产品都含有甲醛，在实际生活中吸附法去除甲醛是最常用的，比如装修后购买的甲醛吸附包、具有吸附作用的绿植等。有学者通过一系列的研究，设定研究参数，对玉米芯碳化生产吸附剂工艺进行优化，并对影响其吸附能力的因素进行探究[11]。

2.2 用于加工糠醛

糠醛是以各种农副产品为原料生产的具有杏仁味的无色油状工业用生物质化学制品，玉米芯在硫酸或盐酸等催化剂的作用下水解成小分子多缩戊糖，多缩戊糖转化为戊糖，戊糖再经高温脱水环化生成糠醛，糠醛被水蒸气汽提后进行精制提纯[12]，每年糠醛产量超过30 万t。研究表明，以玉米芯为原料糠醛收率可达到27%～34%。

2.3 加工生产木糖醇

木糖醇是一种易溶于水的白色粉晶状甜味剂，具有特殊的生物化学特性，在人体新陈代谢过程中，其不依赖胰岛素等介质，即可跨过细胞膜被人体所吸收。同时还不会导致血糖值升高，并使血脂、抗酮体含量降低[13]。木糖醇是糖果、饮料等食品以及纸业、牙膏等日用品的重要原料[14]。玉米芯深加工可得到木糖醇，通过纯化、浓缩、结晶、分离获得可供人们食用的木糖醇，应用于饮食业和医药等行业，用以替代可致体内血糖升高的蔗糖，成为健康的糖类产品（图1）。

图1 玉米芯生产木糖醇工艺流程图

以玉米芯为原料生产木糖醇需要经水解、净化、蒸发、结晶、离心、干燥等多道复杂的工艺流程。木糖醇能防龋齿，不增加血糖值，并具有一定的肠道菌群调节作用，人们经常咀嚼的口香糖里面含有这种成分。玉米芯提取木糖醇产生的玉米芯渣，可以提取乙醇，作为化工原料和清洁燃料。经过两次的提取，还可以继续提取其中的木质素，用来发电或者种蘑菇。农民种植蘑菇时选用玉米芯废渣做菌棒可以节省50%成本，而且种植出来的蘑菇的品质也很不错。玉米芯的循环经济链条，为当地农业、工业带来可观的收入。

2.4 加工生产乙醇

乙醇具有易燃、易挥发等特性，被广泛应用于食品医疗、化工农业、国防科技等行业，而且可以部分或全部替代不可再生的汽油，具有安全、清洁、可再生等优点[15]。传统乙醇生产工艺主要以玉米、甘蔗、红薯等农作物为原料发酵制得，生产成本高，无法进行大规模生产使用。生物乙醇生产原料来源广泛、易获取、绿色环保、可再生、生产成本低廉，因此引起各界学者广泛关注。中国拥有庞大的人口数量，对粮食的需求量巨大，若以玉米、甘蔗等为原料大规模生产第一代燃料乙醇[16]，便会导致在有限的耕地面积、有限的粮食产能上，形成“与人争粮”的不利局面，无法规模化、可持续发展。

因此，以木质纤维素为原料的第二代生物燃料乙醇生产工艺便引起众多学者的关注，木质纤维素原料主要包括如玉米芯、秸秆等农作物加工废弃物、林作物产品加工副产物以及能源作物等，其中以农业废弃物作为木质纤维原料来生产燃料乙醇，其高含量的木质纤维素足以达到燃料乙醇的生产条件要求，并且具有种类多、来源广、成本低、可再生等粮食资源无法比拟的先天优势。利用玉米芯生产乙醇具有巨大的潜力，同时可以减轻农业废弃物对环境造成的压力，从而实现经济和社会的可持续发展。

2.5 生产膳食纤维

膳食纤维虽不可被人体消化吸收，但却拥有维持机体健康的重要作用。膳食纤维主要有两大类：第一类是存在于植物细胞壁的纤维素、半纤维素、木质素等非水溶性纤维，第二类是水溶性纤维，如果胶、树胶等非纤维性物质。膳食纤维常被应用于防治便秘、肥胖症、高血脂、糖尿病等疾病[17]。

玉米芯的主要组成成分是纤维素、半纤维素和木质素，是生产加工膳食纤维优质原料。我国玉米种植面积广会产生大量的玉米芯，用于开发生产膳食纤维成本低廉、工艺简便、风味独特，既能使玉米芯给农民带来更大的经济价值，延长产业链，又可以实现资源的循环利用，改善环境污染问题，具有巨大的市场潜力和优势。

2.5 食用菌种植行业

食用菌是一种菌物性食品，营养丰富，味道鲜美，含有人体所需的多种蛋白质、微量元素和维生素，多种食用菌具有很好的保健功能，被世界公认为绿色健康食品[18]。为了满足人们对食用菌越来越多的需求，食用菌产业亟需保证产业稳产、增产、可持续，而将玉米芯等农副产品循环利用于食用菌种植行业，既适应了生态农业的可持续发展要求，又保证了食用菌产业稳定发展，一举双赢。

玉米芯可为多种食用菌生长提供营养物质，调查研究发现平菇、金针菇、草菇、香菇、木耳等常见菌类，具有保健功能的灵芝、猴头菇等多种菌类均可以使用玉米芯做原料进行栽培生产，在平菇、金针菇等品种种植上效益较为显著。研究表明，使用100 kg 玉米芯做栽培基质，平菇产量可超250 kg，金针菇产量超180 kg[19]，生产的产量与常用的棉籽壳基质栽培产量相差无几，但口感、色泽、风味均比棉籽壳基质栽培的食用菌要好。通过检测食用菌中营养成分，粗纤维含量大大降低，棉酚味消失，且经过计算原料成本只有棉籽壳的三成。

利用玉米芯栽培食用菌操作简单，将玉米芯粉碎后添加合适的氮源等营养物质拌匀后进行装袋灭菌，冷却后进行接种栽培，且发酵料或熟料均可。在食用菌种植行业用玉米芯做基质栽培香菇等食用菌已得到广泛应用推广。

潘春磊、郭慧东、马玉洁等科研人员以玉米芯为栽培基质原料，分别进行双孢菇、鸡腿菇和猪肚菇种植栽培，研究发现生产的菌菇具有良好的抗逆性和抗病虫性。利用玉米芯栽培食用菌可以提高可再生资源的利用率，提升本身经济价值，减少由焚烧带来的环境污染，实现农业资源的可持续发展，使玉米产业附加值得到大幅提升。同时，产生的菌渣可作为菌肥还田，提高土壤肥力，形成循环可持续生产。这些技术不仅可以提高食用菌的产量，提升菌菇的品质，也提高了玉米芯的综合利用水平。

2.6 可作为饲料

玉米芯中含有丰富的家畜生长所必需的营养物质，可用作家畜饲料[20]。将玉米芯直接作为饲料饲喂家畜适口性差，经微生物发酵后其中的纤维素、半纤维素、木质素被降解为小分子易吸收的物质，适口性得到很好地改善，大分子蛋白质降解为多肽、氨基酸等小分子物质，更易于家畜吸收利用。玉米芯发酵过程中加入大量的活性益生菌，可消化蛋白提高30%，粗纤维降低30%左右，可利用营养成分进一步提高。用于家畜养殖可改善肠道菌群，提高家畜的抗病能力，使家畜消化能力提高10%～20%，大幅度地提高玉米芯饲料的利用效率。发酵后的玉米芯可部分替代精饲料，降低养殖成本。

2.7 其他用途

在轮胎制造工艺中加入制备好的玉米芯颗粒，作为橡胶助剂使用，可以增大轮胎与地面间的摩擦力，提升汽车牵引力，从而延长轮胎更换周期；干洗行业在进行皮衣和皮草清洗时可以使用加工的玉米芯，处理后的皮毛会更加干净、美观；还可用来制备火药及外包装材料；纸板、水泥板、水泥砖制作过程中要用到胶水或浆糊，玉米芯加工后可部分替代胶水或浆糊[21]。