秸稈資源預處理研究進展

隨著經濟和社會的發展，人類社會對能源的需求越來越多，能源及能量飼料的短缺已經成為世界各國面臨的一個重大問題。合理利用秸稈資源能夠實現可再生資源的利用，緩解能源危機，保護環境，實現農業和經濟的可持續發展，是國家發展的一項重要任務。然而，植物細胞壁的復雜結構限制了其在畜牧業生產中的應用。物理處理是秸稈資源利用的基本方法，酸堿等化學處理是畜牧業生產中常用的預處理方法，蒸汽爆破預處理可以提高動物對谷物秸稈的消化率。生物處理是一種安全、環境友好的有效預處理方法。因此，采用適當的預處理方法在秸稈資源的利用過程中發揮著重要作用。本文分析了秸稈資源的現狀及營養特性，并探討了國內外秸稈資源的預處理方法，為秸稈資源的開發利用及節糧型畜牧業的發展提供參考。

1.秸稈資源現狀

木質纖維素類生物資源是世界上最多的可再生資源，全世界每年的產量估計為1010噸，其中秸稈占可利用生物質產量的70%左右。在中國，農作物秸稈的年產量為8.42×108噸，而且以1.3%的速度遞增，在農作物秸稈中玉米秸稈所占的比例最大，為24%，目前國內秸稈中，直接用作生活燃料的約占20%，用作肥料還田的約占15%，用作飼料的約占15%，用作工業原料的約占2%，其余被廢棄或直接燃燒的約占48%，這造成了極大的資源浪費和環境污染。國內外的專家學者對秸稈資源經濟有效的利用方法進行了大量研究，但到目前為止，國內對秸稈資源在飼料中的應用研究相對較少。

2.秸稈的生物質特性及營養組成

2.1 秸稈的生物質特性 木質纖維素由纖維素、半纖維素和木質素三大類主要的聚合物組成。一般條件下，纖維素不易溶于水、有機溶劑、堿以及稀無機酸溶液，僅在不加熱的條件下用濃無機酸處理，或者在高溫高壓條件下，用稀無機酸處理，纖維素才被分解為單糖。半纖維素是一類復雜的碳水化合物的組成結構，草類和秸稈中的主要半纖維素是木聚糖，木材中的主要半纖維素是葡甘露聚糖。在細胞壁中半纖維素位于許多纖維素和木質素之間，組成纖維素、半纖維素和木質素的緊密結構。半纖維素在酸性和堿性環境中最容易被提取，而葡甘露聚糖在酸性環境下幾乎不能被提取出來，必須在強堿的作用下才能分離。在木質纖維素的所有結構中，半纖維素是對熱化學因素最敏感的成分。木質素在植物細胞壁中的含量僅次于纖維素和半纖維素，是一類由苯丙烷結構單元組成的無定型復雜復合物，木質素在植物細胞壁中起著結構支撐，保持細胞壁的不通透性，抵抗微生物攻擊和抗氧化等作用，所有這些特性，使木質素成為植物細胞壁中最難降解的成分。木質素和半纖維素形成牢固結合層，緊緊地包圍著纖維素，阻礙酶和其他物質與纖維素的接觸。因此，在木質纖維素的預處理過程中，木質素的去除是非常重要的。

2.2 秸稈的營養組成 秸稈是脫粒后成熟植株的殘余物。當植物成熟時，在莖和葉中只剩下少量的蛋白質、脂肪、類脂肪和易消化的碳水化合物，家畜營養所必須的各種礦物質的含量顯著減少。維生素，特別是胡蘿卜素幾乎全部被破壞。未經處理的秸稈適口性較差，體積較大，且動物的消化利用率較低。秸稈的化學成分主要是纖維性物質，以干物質計，中性洗滌纖維（ND）約為70%～80%，酸性洗滌纖維（ADF）約為50%～60%，粗蛋白含量約為3%～6%。

3.秸稈資源的預處理研究進展

秸稈預處理的目的是提高秸稈的消化率，使其在水解過程中能夠釋放出較多的糖類。目前，許多秸稈預處理方法已經被研究和應用，秸稈預處理過程要求能夠有效提高秸稈的消化率并且產生較少的抑制因子。秸稈的處理方法有物理處理、化學處理、物理化學綜合處理和生物處理法，在實際生產中通常采用不同方法的組合來獲得最大的糖釋放量、最低的毒素產量和能量消耗。

3.1 物理處理 物理處理能夠降低秸稈的尺寸，提高秸稈的可接觸面積，降低秸稈纖維素的晶度和聚合度，提高后處理過程的效率。物理預處理方法包括機械粉碎處理、熱處理、微波處理等。機械粉碎是降低秸稈尺寸的最基本的預處理步驟，能夠有效提高后續處理的效率，粉碎處理通常是切斷、粉碎和磨碎等綜合處理，處理后的最終尺寸不盡相同。秸稈的水分含量、成分以及最終粉碎的尺寸均影響能量的需要和后續處理效率，原料的水分含量越高，粉碎的尺寸越小，需要消耗的能值越高；熱處理是秸稈預處理的常用方法。熱處理的溫度超過150℃～180℃，秸稈中的物質開始溶解，半纖維素首先釋放出來，接著部分木質素也開始溶解；微波作為一種方便、高效和清潔的能源，不同于傳統的熱處理方法，對于某些化學反應可以大幅提高反應速度，已廣泛地用于有機合成、化學催化及高分子聚合等反應過程。運用微波對植物纖維原料進行預處理可降解木質素和半纖維素，改變植物纖維原料超分子結構，使纖維素結晶區尺寸發生變化，提高植物纖維素酶的水解效率。

3.2 化學處理 秸稈的化學預處理包括酸處理、堿處理以及H2O2和SO2等氧化劑的處理。在所有這些方法中稀H2SO4預處理是被廣泛應用的方法。酸處理的主要目的是轉化半纖維素，使纖維素更易被酶解。酸處理有稀酸處理和濃酸處理2種。濃酸處理可以在室溫下進行，得到較高的糖產量，但是濃縮處理過程產生抑制因子，影響后續反應，加上樣品中較高濃度的酸和設備腐蝕等，極大地限制了該處理方法在實際生產中的應用。稀酸處理使一些木糖類等主要的半纖維素溶解，并且轉化為可溶性糖類。然而，在稀酸水解過程中，半纖維素在較低的溫度下可以發生解聚，抑制后續發酵過程中微生物的生長；用于堿處理的堿包括氫氧化鈉、氫氧化鈣、氫氧化鉀和氨水等，氫氧化鈉是所有堿處理試劑中研究最多的，是玉米秸稈預處理的最佳方法。但氫氧化鈉在實際生產中的使用成本相對較高，而且對動物生產存在一定的安全隱患。氫氧化鈣也是廣泛應用的一種堿處理試劑，能夠去除秸稈中的木質素，提高秸稈的結晶度，通過去除秸稈中的木質素提高纖維素的可接近度和酶的作用效果。但實際生產研究結果表明，隨著時間的增加，經氫氧化鈣預處理的秸稈容易受到霉菌的污染；氧化劑處理。木質纖維素在H2O2和過乙酸等氧化劑的作用下能夠發生氧化降解作用，去除其中的木質素和半纖維素，使纖維素容易被酶和微生物作用。但氧化劑的作用通常沒有選擇性，在木質素被氧化的同時，纖維素和半纖維素通常也有一定的損失，并且木質素被氧化的同時也產生一些酚類化合物，抑制后續的生物轉化。

3.3 物理化學綜合處理 木質纖維素成分的降解與溫度、pH值和壓力等因素有關，是物理化學因素綜合作用的結果。許多的熱處理都屬于物理化學綜合處理，在熱處理中，如果室溫升到150℃～180℃以上，在木質纖維素的成分中，半纖維素（主要包括木聚糖和葡甘露聚糖）是對熱最敏感的成分，首先開始降解，然后是木質素開始溶解，一部分半纖維素被水解并形成酸性物質，這些酸進一步催化半纖維素的水解。熱處理在降解半纖維素的同時，會降解一部分的木質素，產生的降解復合物通常包括酚類物質，這些物質在許多情況下是細菌、酵母等其他微生物生長的抑制因子。蒸汽爆破、液體熱水處理和酸堿的熱處理是常用的物理化學綜合處理方法。

3.4 生物處理 生物處理與其他預處理方法相比，消耗較少的化學物質和能量，是一種生物安全、環境友好的秸稈處理方式，目前很多的研究都在尋求一種可控制的、快速有效的生物處理方法。微生物發酵處理。用微生物來提高秸稈的質量是很有前景的秸稈處理方法。在自然界中有許多細菌和真菌可以利用天然的木質纖維素類；酶水解處理。酶水解纖維素通常具有高度的針對性，纖維素被水解后，通常會產生葡萄糖等一些糖類物質，酶類發酵秸稈通常可以在比較溫和的條件下進行，和酸堿處理秸稈相比，成本較低且不會腐蝕機器設備。

4.小結

綜上所述，所有這些處理的最終目的是降低秸稈中的木質素和半纖維素的含量，降低纖維素的結晶度，使酶和微生物更容易接近纖維，從而提高酶的水解效率。這些不同的處理方法各有優缺點，選擇經濟有效、環境友好的綜合處理方法對秸稈飼料資源的規模化開發具有重要的意義。