玉米苞衣高值化利用途徑研究

胡瑞華， 沈 平， 楊國華， 王延超， 李慧敏

(1.鄭州工業應用技術學院，河南新鄭 451150； 2.鄭州大學西亞斯國際學院，河南新鄭 451150；3.洛陽亞邦車輛附件有限公司，河南洛陽 471003)

玉米是我國三大主糧之一，種植范圍廣，自西南、華北到東北都普遍種植。種植面積大，根據國家統計局發布的中國統計年鑒(2017)數據，2016年全國玉米種植面積為 0.355 hm2，玉米產量達到2.2億t。作為農業副產物的玉米秸稈，其產量也達到3.85億t(按照草谷比為1.75計算[1])。目前，常見的秸稈利用方法有家庭用薪柴、牲畜飼料、秸稈還田、秸稈制沼、秸稈炭等。但隨著農戶家庭小型化和勞動力轉移，以及液化石油氣的普及使用，家庭薪柴用量越來越少。秸稈還田也不受農民歡迎，主要是秸稈破碎會引起秸稈不能短時間降解，且產生酸性物質，會引發病蟲害和影響作物根系發育。以農戶為單位的農村養殖業嚴重萎縮，用于牲畜飼養的秸稈所占比例越來越低。因此大部分的秸稈未得到有效利用，或被丟棄在田間地頭、村前屋后，堵塞交通，淤積河道；或被就地焚燒，嚴重污染環境。為此政府制定了嚴厲的禁燒措施，但效果不佳。由政府倡導的秸稈制沼氣和生物炭的優勢是簡單易行且可以生產綠色替代能源；缺點是成本較高，從溫室氣體排放角度來看，也不能有效減少氣體排放。

實現農業廢棄物“五化”利用(肥料化、飼料化、燃料化、基料化和原料化)，提高秸稈的資源化綜合利用程度，變廢為寶，提升農業廢棄物的價值，開啟農業廢棄物新的生命循環，不僅可以解決農村環境污染問題，也是發展綠色循環農業，建設生態低碳社會的重要措施。本研究就玉米苞衣的各種高值化利用成果，尤其是材料化利用的最新研究成果，結合作者的研究，進行詳盡的分析。

1 玉米苞衣的產量估算和收集途徑

1.1 玉米苞衣的區域資源量估算

玉米種植面積和產量數據均來自2017年國家和河南省統計年鑒(2016年數據)。

玉米苞衣即包裹在玉米穗外面的苞葉。一般農作物秸稈產量，通常按照谷粒和秸稈質量比(草谷比系數)進行估算[1]。本研究中，采集正常生長的帶苞葉玉米穗5枚，曬干后剝下苞衣，對玉米穗進行脫粒后進一步烘干，用電子天平稱質量，稱得干苞衣平均每個質量為22.1 g，平均每個玉米穗獲得196.5 g玉米粒。可以測算出籽粒與苞衣質量比約為 8.9 ∶1。按照全國、河南省玉米總產量，可以推算出玉米苞衣的總資源量(表1)。

表1 全國和河南省玉米苞衣的資源總量估算

以河南省城市化程度較低(低于河南省平均水平)的農業主產區周口市(平原為主)為例，它的玉米種植面積為 42萬hm2。一般經濟上可行的秸稈收集半徑為25 km(面積 625 km2)[1]，按照周口市總面積和玉米播種面積，可以計算出25 km半徑區域內玉米苞衣的總資源量為15 376 t。

1.2 玉米苞衣的收獲方式及對后期集中處理的影響

當前，我國和河南省農業生產仍以農戶為基本單位。河南省玉米機種機收面積所占比例僅20%左右[河南省統計年鑒(2017)]。玉米收獲主要有3種形式，第1種是完全的傳統手工收獲方式，把玉米穗連同苞衣一起收獲，集中晾曬去掉苞衣后脫粒，而玉米苞衣被丟棄，集中棄置于路旁或地頭。第2種是采用機收，帶有苞衣的玉米穗單獨收獲后，經過晾曬，然后采用機械方法脫除苞衣，這樣收獲的苞衣相對集中。第3種方法是用機收，把秸稈和苞衣全部粉碎，僅收獲脫除苞衣的玉米穗。事實上，目前秸稈粉碎后多數并沒有真正實現還田，而是經過撿拾后再堆積棄置于田間地頭。采用前2種收獲方法均可以得到完整的苞衣，且比較集中，可以進行后期集中處理，循環利用。第3種方法收獲的破碎秸稈，實際上沒有真正還田，也沒有得到任何利用，不僅污染環境，也是一種浪費。在農村發展循環經濟，應該提倡秸稈的集中采收處理，前2種方法為后期集中處理提供了可能性。

2 玉米苞衣及其纖維的形態特征、成分和機械性能

玉米苞衣為包裹在玉米棒外面的多層苞葉，外層較厚，內層較薄，厚度最大不超過1 mm，密度為1 250 kg/m3。苞衣上有沿長度方向縱貫苞衣的纖維，纖維之間由膠質(間質)黏結。國內文獻[2]和國外文獻[3]分別報道了玉米苞衣的各種化學組成，如表2所示。2個數據的來源不同，但檢測出的纖維素含量則高度一致。

表2 玉米苞衣的化學組成(質量分數，%)

文獻[4]給出了玉米苞衣各種成分的大致范圍，與文獻[2]和文獻[3]中的結果比較接近。圖1是玉米苞衣經過堿煮30 min后橫向截面的掃描電子顯微鏡圖片。可以看到，經過堿煮處理后，可溶性物質被去除，大量的纖維裸露出來。

文獻[4]研究了從玉米苞衣中提取纖維素纖維的方法，并測定了纖維的機械性能。玉米苞衣經過氫氧化鈉蒸煮脫膠后可以獲得纖維素纖維，即苞衣上肉眼可見的縱向纖維。筆者對纖維的拉伸強度進行了測定，測得玉米苞衣纖維素纖維的拉伸強度為217.4 MPa，超過棕櫚纖維(131 MPa)和椰殼纖維(90 MPa)的拉伸強度，而低于菠蘿纖維(543 MPa)和劍麻纖維(484 MPa)的拉伸強度，與黃麻纖維的拉伸強度(249 MPa)接近。研究表明，拉伸應力和應變之間呈線性關系，但從拉伸曲線上也可以看到存在屈服階段，表明纖維具有一定的塑性。纖維的強度數據具有較大的離散性，這與纖維的成熟度、結晶度以及纖維截面的形狀和不規則性有關。纖維的實用價值取決于纖維的機械性能，目前黃麻纖維已經大量應用于紡織、建材、汽車用復合材料的生產上，而玉米苞衣纖維的性能與之接近，因此應該可以在上述領域得到應用。白瑜等對玉米苞衣的力學性能進行了測定[5]。根據發表的研究結果(共11個試樣)，玉米苞衣的縱向抗拉強度平均值為7.77 MPa，平均彈性模量為0.164 GPa，橫向抗拉強度為 2.1 MPa[5]。

3 玉米苞衣材料化利用技術

3.1 玉米苞衣用于提取纖維素纖維

玉米苞衣中含有質量較高的纖維素纖維，全國每年產生的玉米苞衣為2 466.87萬t，按照纖維含量為40%計算，理論上可以提取的纖維總量為986.7萬t，超過我國2016年的棉花產量(529萬t)。開發利用苞衣纖維這種豐富的資源，引起了不少學者的關注和研究。

趙酒泉采用物理化學和生物方法相結合，進行了玉米苞衣纖維素纖維的提取研究；該方法首先將玉米苞衣在水中浸泡，后在稀硫酸中浸酸，經水洗后在氫氧化鈉溶液中經過2次煮練，再進行酶處理，得到纖維素纖維；該方法原料配方較為復雜，工序較多，廢液中含有較多的污染物[6]。

蘇興根等采用了一種改進的玉米苞衣纖維素提取方法；該方法首先對玉米苞衣采用預尿氧(尿素和雙氧水溶液)處理，除去木質素，然后再進行超聲波輔助堿煮(氫氧化鈉溶液)脫膠，水洗烘干后得到纖維素纖維；該方法的特點是廢液中不含污染物，且預尿氧處理廢液中含有尿素，可以直接作為肥料使用；但該方法提取的纖維中仍含有較多的半纖維素，纖維較硬，不宜紡紗，可以作為復合材料的增強材料[7]。

楊明霞等開發了一種優化的玉米苞衣纖維素提取方法；該方法同樣是先對苞衣進行預尿氧處理，然后進行煮練；采用添加助劑的二次煮練可以獲得脫膠效果較好，纖維白度較高和長度較大的纖維，有一定的柔韌性，較好的可紡性，適合作為紡織材料使用；采用添加助劑的堿氧浴(氫氧化鈉和雙氧水)可以得到脫膠充分的細碎纖維，適合于作為復合材料增強材料[8]。

國外文獻也有關于玉米苞衣纖維提取方法的研究報道[2，9-11]，但主要方法與上述國內文獻報道的方法類似，大多采用化學處理或者化學與生物處理相結合。Huda等開發了一種機械提取苞衣纖維的方法，即通過金屬梳對玉米苞衣沿縱向進行梳理，可以把苞衣纖維分離出來，獲得較大長度的苞衣纖維[12]。

3.2 玉米苞衣用于制備納米纖維素纖維及其復合材料

纖維素纖維具有鏈狀結構，包含非結晶區和結晶區。當采用化學方法、生物方法、機械輔助化學方法等對纖維素纖維進行處理時，纖維素分子鏈會從非結晶區斷裂，從而分離出更細小的單個納米纖維素結構(nanocellulose，常稱為NC)。根據結晶狀態，可以分為納米纖維素纖維(非晶態，線狀)和納米纖維素晶體(晶態，棒狀)[13]，具體形態如圖2所示。與傳統纖維素纖維相比較，納米纖維素具有高比表面積、高長徑比、低密度、低熱膨脹性、優良的機械性能和高化學活性等優點[14]。因此納米纖維素可以用于多個領域，如納米復合材料，功能薄膜(如阻隔材料)，吸附劑，乳液穩定劑，造紙、食品、化妝品添加劑，醫藥(緩釋劑)及人體生物材料(植入材料的骨架)[13-15]。

Yang等和Valdebenito等分別獨立研究了玉米苞衣納米纖維的制備方法，均采用兩步法進行制備，即首先從玉米苞衣中分離出纖維素纖維，然后對分離出的纖維進行化學或物理處理制備納米纖維[14-15]。Yang等采用了3種方法制備納米纖維：酸解法、高強度超聲法、TEMPO(2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基)選擇性氧化法，均成功獲得納米纖維[14]。Valdebenito等采用TEMPO選擇性氧化法輔以高壓均化法，成功制得直徑為 20 nm，長度為幾十微米的高長徑比納米纖維[15]。

Xiao等采用玉米苞衣制得的高長徑比納米纖維，其直徑小于20 nm，長度在20～100 μm之間，長徑比在310～480之間(圖3)[16]。把該纖維與PVA(聚乙烯醇)復合可制得薄膜復合材料。與純PVA薄膜相比較，僅加入1%的纖維素納米纖維，其強度由37.86 MPa增加到55.56 MPa，斷裂伸長率由186.6%增加到335.8%。

3.3 玉米苞衣及其纖維用于制造木塑復合材料

木塑復合材料(wood plastic composite，簡稱WPC)，是近十幾年來得到快速發展和應用的新材料，可以用于建材、裝飾、包裝、交通運輸設備等。具有高強度、高耐磨性、輕質、低成本、無污染、原材料來源豐富、可降解和可回收等特點。北美地區平均增長率達18%，歐洲平均增長率達14%[17]。我國發展更快，達30%。該材料以木質纖維素纖維為增強材料，以熱塑性樹脂為基體，經過熱壓成型，不含揮發性溶劑，無污染，可制造各種型材和板材。

但由于木材資源的短缺，各種農業廢棄物正在成為替代原料，如麥子秸稈、稻殼、椰子纖維、甘蔗渣、玉米芯、花生殼等。尤其是對于林木資源缺乏的國家和地區，因為農業廢棄物中的秸稈具有來源豐富，分布廣泛，易于收集的特點更具有明顯優勢。

Youssef等利用再生低密度聚乙烯(R-LDPE)和粉碎后的玉米苞衣粉末共混，然后在175 ℃熱壓成型，制備出復合材料板[3]。復合材料中纖維含量分別為5%和10%時，所得復合材料板的拉伸強度為24.7、24.3 MPa，彈性模量為327、456 MPa，均比R-LDPE的拉伸強度13.5 MPa和彈性模量166 MPa大幅度增加。

Saenghirunwattana等制備了大豆蛋白/聚乳酸全降解生物塑料與玉米苞衣纖維復合材料；該研究采用脫脂大豆粉混合大豆蛋白分離物，調節其蛋白質含量為70%，與40%聚乳酸共混后擠出造粒，首先制備出生物塑料；玉米苞衣纖維由玉米苞衣經過堿煮處理提取，并經過硅烷表面處理，與上述生物塑料共混后再擠出造粒，粒料放入壓模，經過熱壓成型，制備出不同纖維含量的復合材料(纖維經過70 ℃溫度下1%氫氧化鈉堿處理2 h，后經1.5%硅烷處理1.5 h)[18]。其機械性能如表3所示。從試驗結果可以看出，纖維增強效果極其明顯。

表3 不同纖維含量下的復合材料機械性能

Huda等制備了玉米苞衣纖維與聚丙烯復合材料；在該研究中，首先對玉米苞衣進行堿處理，使其纖維素含量達到64.52%，再進一步進行酶處理，其纖維素含量可以進一步提高到83.5%；然后苞衣纖維與聚丙烯纖維按照一定比例經過開松、梳理混合，再進行水刺制氈，再對干燥后的纖維氈在模具中進行熱壓，可以制得復合材料；當苞衣纖維含量為40%(質量分數)時，其拉伸強度可以達到12 MPa，彎曲強度達到10 MPa，均超過含量為40%黃麻纖維/聚丙烯復合材料的拉伸強度和彎曲強度[9]。

為降低成本，Huda等采用機械方法代替化學方法分離玉米苞衣纖維，具體方法是：采用金屬梳沿縱向對玉米苞衣進行梳理，可以得到長度較大的完整的苞衣纖維[12]。這種方法得到的纖維經過粉碎切斷和篩分，與聚丙烯網一起在模具中層疊熱壓，制造復合材料板，其強度與同樣方法制造的黃麻纖維聚丙烯復合材料相當。

Chitra等采用磨碎后的玉米苞衣，經過篩分得到75 μm的粉末，與聚丙烯共混后采用單螺桿擠出造粒，再用注塑成型制造復合材料，所得到的復合材料(30%苞衣含量)強度可達28.1 MPa[19]。

國內研究人員白瑜研究了玉米苞衣經過粉碎后制造膠合板的工藝方法；該工藝將粉碎后的玉米苞衣與膠黏劑(多亞甲基多苯基異氰酸酯)混合經過熱壓固化，制造出了靜曲強度27.2 MPa，彈性模量1 787 MPa的膠合板[20]。

曾慶偉等采用粉碎后的玉米苞葉，與異氰酸酯、發泡劑、催化劑等混合，成功制備出玉米苞衣(含量為30%)發泡緩沖材料，抗壓強度可以達到14 MPa[21]。

趙心一等采用玉米苞衣纖維和全降解塑料聚乳酸制備了一種全降解復合材料[22]。復合材料采用熱壓成型，纖維含量為50%，其力學性能如下：拉伸強度69.35 Mpa，彎曲強度 90.28 Mpa，沖擊強度18.4 kJ/m2，該材料力學性能優良。在材料表面粘貼麻氈，具有很好的吸聲性能，是一種功能材料，在汽車、裝飾等領域有很好的應用價值，不僅可以降低噪音，且廢棄后可以全部降解，特別適合作為汽車內飾件制造用材。

3.4 玉米苞衣用于制造室內陳設品和家居用品

在人工合成材料出現和大量使用以前，人們經常采用天然材料制造物品。采用玉米苞衣編織加工家居用品，早已有之。常見的有坐墊，蒲團、鍋蓋、盛器等。但隨著人工合成材料的大量生產，人們追求高檔豪華，大量使用金屬、玻璃、塑料、化纖等，天然材料使用越來越少。人工合成材料的使用，使得各種資源被大量開采，造成環境污染，同時在這些制品報廢后，產生大量的難處理的廢棄物。在當今倡導建設資源節約型、環境友好型社會的大背景下，人們的環境保護意識逐漸增強，提倡返璞歸真，注重低碳生活，玉米苞衣制品又重新受到人們的青睞。

趙曉丹等全面研究了玉米苞衣在家居用品中的應用，開發了玉米苞衣從選材、前處理到編織制作的整套工藝[23-24]。

前處理的主要步驟如下：(1)分揀：一般應該選擇完全成熟的玉米苞衣，小心剝下，選擇中間層厚薄均勻、韌性較大的苞衣層，進行晾曬。(2)漂白：將玉米苞衣成捆碼垛在熏白間內，用硫磺進行熏白。(3)染色：根據應用場合的不同，將玉米苞衣用不同的顏色和工藝染成各種需要的顏色。

玉米苞衣制品主要包括以下幾種：(1)室內織物，主要有地毯、坐墊、門簾、壁掛、床單、桌巾、織物屏風等。玉米苞衣編織成的坐墊、地毯，綠色環保還具有自然清新之感，產品富有彈性、通風透氣、散熱吸潮。此類陳設品在具有實用性的同時又不失裝飾性，自然淳樸，使現代建筑空間中充滿親切感、溫暖感，清新自然的造型和色彩既可美化環境、柔化空間，還可分隔空間、遮光吸聲。(2)器皿，如收納籃、儲物柜等。(3)工藝品和觀賞性植物造型。通過裁剪、粘貼的方法，制作裝裱成精美的玉米苞葉裝飾畫作品，也可手工制作成各種裝飾品擺件，其造型獨特，富有自然淳樸的質感。玉米苞衣制作的工藝品樸素大方，既可美化環境，又可陶冶性情，成為室內環境中精美的陳設。

馬來西亞研究人員Ahmad等研究了玉米苞衣制作吉蘭丹金衣的工藝方法，其工藝包括玉米苞衣纖維的提取、纖維軟化、染色和紡織，主要制品包括鞋子、掛毯、拎包等，得到的制品十分精美華麗[25]。

4 現階段玉米苞衣資源化規模利用的障礙與解決措施

玉米苞衣是一種很好的原料，其高值化利用的路徑已十分清晰，技術也日臻成熟，具備了高值化、資源化利用的技術基礎。現階段影響其資源化利用的主要障礙有以下幾個：(1)目前農業生產主要仍以農戶為單位，農作物秸稈零星分散，農民對秸稈的資源化綜合利用意愿不強，且缺乏秸稈循環利用的知識和技術，作物秸稈收獲后，一棄了之、一燒了之，簡單粗放。(2)農業生產裝備與農作物秸稈資源化材料化利用需求不匹配。當前農業生產裝備以滿足切碎還田為主，缺乏秸稈離田收獲配套裝備，如撿拾打包設備等。(3)缺乏秸稈收儲運配套商業化體系，致使秸稈難以集中加工處理。(4)缺乏合理的資源化循環利用工業生產企業布局。(5)缺乏相應的激勵性經濟政策。目前秸稈禁燒政策和處罰措施十分嚴厲，不惜花費重金和人力物力進行監管，而對秸稈資源化利用政策扶持力度和激勵措施不強。

總之，秸稈高值化利用的前提是建立完善的收儲運體系，實現秸稈離田化；關鍵是扶持建設秸稈資源化綜合處理利用的生產企業，形成經濟合理的產業布局，構建完整的綠色產業鏈。這樣既可以帶動就業，同時也形成了新的經濟增長點。

5 結論與建議

玉米苞衣可以進行高值化綜合利用，目前成熟的主要技術有：(1)從玉米苞衣中提取纖維素纖維，用于紡織加工和復合材料生產。(2)從玉米苞衣中提取納米纖維素纖維(包括納米晶和納米纖維)，用于功能材料的原料，如納米復合材料，功能薄膜(如阻隔材料)，吸附劑，乳液穩定劑，造紙、食品、化妝品添加劑，醫藥(緩釋劑)及人體生物材料(植入材料的骨架)。(3)玉米苞衣經過機械或者化學處理后可以直接制造木塑復合材料。(4)玉米苞衣用于家居用品和工藝品的制造。建議如下：(1)玉米苞衣的高值化利用的前提是制訂激勵和扶持政策，建設相應的生產企業，形成集中加工處理能力；(2)實現離田化作業，完善收儲運配套體系，為高值化利用提供原料。