簡(jiǎn)介農(nóng)業(yè)廢棄物玉米芯的資源化和應(yīng)用

汪曉鵬

（甘肅省皮革塑料研究所有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730046）

生物質(zhì)資源是地球上再生資源的核心組成部分，是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)資源，是維系人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展最根本的保障。當(dāng)前，我國(guó)的綠色環(huán)保、安全、循環(huán)、可持續(xù)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主導(dǎo)方向。確定了新材料、裝備制造、生物技術(shù)等六大戰(zhàn)略新型產(chǎn)業(yè)。大力發(fā)展“生物煉制，綠色循環(huán)”產(chǎn)業(yè)鏈模式，為充分利用玉米芯資源化提供強(qiáng)大的政策支撐和戰(zhàn)略方向。企業(yè)、廠商和技術(shù)部門(mén)以玉米芯為基礎(chǔ)原料，廢物利用，變廢為寶，循環(huán)利用，綠色發(fā)展。其利用制備法：一是采用玉米芯生產(chǎn)功能糖產(chǎn)品；二是生產(chǎn)功能糖的廢渣，被用來(lái)生產(chǎn)新能源乙醇和提取木質(zhì)素；三是生產(chǎn)的廢水用于沼氣發(fā)電，剩余固廢物用于農(nóng)民養(yǎng)蘑菇或生物發(fā)電。使得廢水、廢氣、固廢物之“三廢”得到了循環(huán)閉合鏈的綜合利用。玉米芯的有效利用能保護(hù)環(huán)境、消除污染。若被高值化利用，還可增加農(nóng)民收入。

中國(guó)是生物質(zhì)資源最豐富的國(guó)家之一，農(nóng)業(yè)廢棄物玉米芯的高效利用和循環(huán)利用模式符合國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)家產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向、法律和政策等。諸如《中華人共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》、《中華人民共和國(guó)大氣污染防治法》、《中華人民共和國(guó)循環(huán)經(jīng)濟(jì)促進(jìn)法》、《中華人民共和國(guó)清潔生產(chǎn)促進(jìn)法》《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》《關(guān)于推進(jìn)農(nóng)林廢棄物資源化利用的試點(diǎn)方案》等等，更符合國(guó)民經(jīng)濟(jì)“十三五”的創(chuàng)新發(fā)展、協(xié)調(diào)發(fā)展、綠色發(fā)展、開(kāi)放發(fā)展、共享發(fā)展“五大發(fā)展理念”。充分利用玉米芯資源化具有非常大的應(yīng)用和推廣價(jià)值。中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，有得天獨(dú)厚的條件，是世界玉米種植大國(guó)，玉米芯來(lái)源極其廣泛和豐富。屬可再生資源，能循環(huán)往復(fù)以至無(wú)窮，是廢物利用的“富礦”。

1 玉米芯資源豐富[1]

玉米是全球種植最廣、產(chǎn)量最大的谷物，居三大糧食（玉米、小麥、大米）之首。除南極洲之外，世界各大洲70 多個(gè)國(guó)家種植玉米。玉米營(yíng)養(yǎng)豐富，有“五谷之王”的美譽(yù)。籽粒含有73%的淀粉、8.5%的蛋白質(zhì)、4.3%的脂肪，富含維生素，是食品、飼料和工業(yè)原料廉價(jià)的作物。玉米是重要的工業(yè)原料，是加工品種最多、鏈條最長(zhǎng)和增值最高的谷類作物，深加工產(chǎn)品高達(dá)2000 多種。我國(guó)在東西南北中五方、春夏秋冬四季種植玉米，是世界獨(dú)一無(wú)二“四季玉米”之鄉(xiāng)。

圖1 玉米芯綜合利用途徑[3]

目前我國(guó)玉米播種面積、總產(chǎn)量、消費(fèi)量?jī)H次于美國(guó)，位居世界第三。玉米年產(chǎn)量約為1.1 億噸～1.6 億噸，可產(chǎn)下腳料玉米芯2000 萬(wàn)噸，因此具有大量的玉米芯資源亟待開(kāi)發(fā)利用。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，為開(kāi)發(fā)利用提供了技術(shù)支撐。玉米芯的深加工不斷拓展，相繼開(kāi)發(fā)糠醛、木糖、木糖醇、低聚木糖、飴糖、葡萄糖、乳酸黏合劑、納米粒子等一系列高附加值的產(chǎn)品。俗語(yǔ)云：“沒(méi)有廢物，只有放錯(cuò)位置的資源”，物盡其用。毋庸置疑，對(duì)玉米芯的資源化綜合利用，具有重大的社會(huì)效益、生態(tài)環(huán)保效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益。

2 玉米芯資源化之途徑

玉米芯中主要成分為纖維素（32%～36%）、半纖維素（35%～40%）、木質(zhì)素（25%）以及少量的灰分。對(duì)玉米芯深加工領(lǐng)域的擴(kuò)大，加強(qiáng)研究的廣度與深度，已經(jīng)取得糠醇系列的工業(yè)化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的充分利用。玉米芯的綜合利用途徑詳見(jiàn)圖1。

3 應(yīng)用

3.1 普通應(yīng)用

（1）玉米芯可以用來(lái)種食用菌和栽培料。玉米芯的營(yíng)養(yǎng)非常豐富，特別是糖分的含量特別高，是發(fā)展食用菌生產(chǎn)的較為理想的優(yōu)質(zhì)原料，可以培養(yǎng)多種食用菌。積極推廣玉米芯栽培白靈菇、大球蓋菇、平菇、金針菇、滑菇、黑木耳等食用菌栽培技術(shù)，使得玉米芯大量資源化利用。（2）玉米芯可以用來(lái)加工成有機(jī)肥料，用粉碎機(jī)粉碎后，可以與畜禽的糞便混合后發(fā)酵，制成含有豐富氮、磷、鉀以及各種微量元素的有機(jī)肥料。（3）玉米芯可以作為動(dòng)物的飼料、獸藥的載體、還可作為燃料。（4）玉米芯加工產(chǎn)品有木糖醇，從玉米芯里面煉制出來(lái)的功能糖不僅有木糖醇，還有低聚木糖、食品級(jí)木糖等。（5）玉米芯加工改制成化工合成的中間體—糠醛，糠醛不僅可制造橡膠、塑料、合成纖維、農(nóng)藥、涂料、化學(xué)試劑和各種助劑等，糠醛生產(chǎn)中的渣滓還可以做肥料，對(duì)改良鹽堿地和提高土壤肥力具有良好作用。（6）玉米芯還能提取“石墨烯”。據(jù)估算，100 噸的生物質(zhì)石墨烯材料竟然能帶來(lái)3～5 億元的財(cái)富。（7）在工業(yè)中可以使用玉米芯從廢水中來(lái)提取重金屬，防止熱的薄鋼片粘連在一起能防止金屬物質(zhì)對(duì)水體的污染等。（8）玉米芯對(duì)于紙板、水泥板和水泥磚等的制作也具有很重要的作用，尤其是在制作時(shí)可以作為膠水和漿糊一起填充劑使用。（9）在輪胎制造業(yè)中也可以使用到玉米芯，作為一種橡膠助劑，不僅可以增加輪胎和地面之間的摩擦力，增大輪胎的牽引力，還可以延長(zhǎng)輪胎的使用壽命。（10）利用玉米芯生產(chǎn)葡萄糖和食品包裝盒，用玉米芯中所含的“玉米朊”蛋白膠質(zhì)，制備降解綠色食品包裝材料，該材料降解速度快，對(duì)土壤和水質(zhì)無(wú)害而有利。（11）除此之外，利用玉米芯生產(chǎn)油、酒、黏結(jié)劑，生產(chǎn)高比表面積活性炭、除臭填料、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物墊料等。

3.2 推廣應(yīng)用

李昌華等[2]介紹玉米芯是玉米生產(chǎn)和加工的副產(chǎn)物,資源豐富。玉米芯通常被當(dāng)作飼料和燃料使用或作為廢棄物,未能充分利用。對(duì)玉米芯進(jìn)行開(kāi)發(fā)和綜合利用，可提高農(nóng)副產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。以玉米芯為原料生產(chǎn)還原糖、木糖、木聚糖、多酚、多糖、糠醛、黃原膠、生物質(zhì)活性炭、木質(zhì)素、丁醇、2,3-丁二醇、改性玉米芯的生產(chǎn)工藝和研究進(jìn)展，為玉米芯的綜合利用提供參考。

王紅彥等[3]通過(guò)實(shí)地調(diào)查，結(jié)合文獻(xiàn)綜述，從原料化、飼料化、基料化、能源化的角度，系統(tǒng)闡述我國(guó)玉米芯資源綜合利用途徑。結(jié)果表明:玉米芯產(chǎn)量與玉米產(chǎn)量之比為0.21；2013 年全國(guó)玉米芯資源總產(chǎn)量為4590萬(wàn)t，相當(dāng)于全國(guó)秸稈總產(chǎn)量的4.90%或玉米秸稈總產(chǎn)量的19.10%。主要分布于東北地區(qū)與黃淮海地區(qū)，產(chǎn)量分別為1586.61 萬(wàn)t 與1185.41萬(wàn)t，兩地區(qū)合計(jì)占全國(guó)玉米芯產(chǎn)量的60.42%。玉米芯是我國(guó)各類秸稈資源中高值化利用率較高的種類，其原料化、基料化、飼料化及能源化利用總量達(dá)到800 萬(wàn)t 左右。食用菌基料化、新型能源化利用是提高我國(guó)玉米芯綜合利用水平的基本途徑。多產(chǎn)品聯(lián)產(chǎn)可有效地促進(jìn)我國(guó)玉米芯工業(yè)原料化利用水平的不斷提升。積極開(kāi)展玉米芯發(fā)酵飼料技術(shù)推廣與應(yīng)用可為我國(guó)玉米芯資源高值化利用開(kāi)辟新途徑。

玉米芯主要由纖維素[4]、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成，便于收集、易加工處理，已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)食品、飼料和化工產(chǎn)品中，但目前仍存在原料利用率低、能耗大、成本高等問(wèn)題。對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物玉米芯工業(yè)化綜合利用相關(guān)的工藝進(jìn)行探討，通過(guò)論述玉米芯中半纖維素、纖維素和木質(zhì)素三大組分的高值化利用方式，闡述了玉米芯綜合利用的產(chǎn)業(yè)化途徑。

榮春光[5]采用玉米芯為原料，在用水量很少的情況下，以有機(jī)溶劑甲苯做萃取劑，同步萃取糠醛。在低壓條件（反應(yīng)釜）下制得了糠醛，此方法用水量極少。最佳反應(yīng)條件是溫度140 ℃，甲苯用量25 mL，玉米芯1 g，硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%，反應(yīng)時(shí)間3.5 h。在此最佳條件下糠醛的產(chǎn)率為44%.其中反應(yīng)溫度和酸濃度是反應(yīng)的主要影響因素。之后在常壓下用無(wú)水法以玉米芯為原料生產(chǎn)糠醛，最佳實(shí)驗(yàn)條件玉米芯2 g，DMSO(二甲基亞砜）5 mL，15%的硫酸5 mL，反應(yīng)時(shí)間5 h，甲苯萃取劑用量為50 mL，最佳糠醛產(chǎn)率為45%。在常壓下引入DMSO 做溶劑，提高了糠醛的產(chǎn)率，使常壓的產(chǎn)率接近低壓產(chǎn)率。此外在常壓下反應(yīng)溫度低，硫酸濃度也比較大。實(shí)驗(yàn)證明此方法雖然加入了有機(jī)溶劑同步萃取，但糠醛的產(chǎn)率相對(duì)于目前工業(yè)的收率提高不大。并針對(duì)目前糠醛工業(yè)糠醛收率低和污染嚴(yán)重的問(wèn)題展開(kāi)研究，通過(guò)以木糖為原料制備糠醛，提高了糠醛的產(chǎn)率；以玉米芯為原料生產(chǎn)糠醛，減少水的用量避免向環(huán)境排放廢水；用糠醛渣制備活性炭和水熱碳實(shí)現(xiàn)了糠醛渣的綜合利用；以生物質(zhì)原料為吸附劑處理糠醛廢水，為糠醛的生產(chǎn)及廢水廢渣處理提供可貴的參考意見(jiàn)。

玉米芯變廢為寶——生物發(fā)酵提取木糖技術(shù)。日本群馬大學(xué)一個(gè)研究小組最新公布的成果顯示,他們開(kāi)發(fā)出利用農(nóng)業(yè)廢棄物玉米芯高效制作工業(yè)生產(chǎn)常用的PET 樹(shù)脂技術(shù),這一技術(shù)無(wú)需使用糧食作物,也有望為緩解全球氣候變暖做出貢獻(xiàn)。PET 即"聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯",可用于制作薄膜片材、包裝飲用瓶、電子電器、汽車(chē)配件等。通常的PET 樹(shù)脂以對(duì)苯二甲酸和乙二醇為主要單體聚合而成,而對(duì)苯二甲酸乙二醇酯則是從石腦油中提煉出來(lái)。

采用玉米芯制造糠醛，由糠醛制備己二酸己二酯，再聚合而成聚己內(nèi)酯（PCL）降解高分子材料，可替代石油基降解塑料，成為生物降解塑料。能夠?qū)崿F(xiàn)治理白色污染（White Pollution），保護(hù)環(huán)境的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

玉米脫粒后,剩下的玉米芯通常被視為農(nóng)業(yè)廢棄物。由是觀之，何廢之有？其實(shí)玉米芯“全身是寶”。

如果說(shuō)“十三五”是我國(guó)踐行綠色發(fā)展理念，開(kāi)啟建設(shè)美麗中國(guó)的重要時(shí)期，那么“十四五”時(shí)期就是加速推進(jìn)綠色循環(huán)、低碳發(fā)展的關(guān)鍵期。黨的十九屆四中全會(huì)提出，全面建立資源高效利用制度；黨的十九屆五中全會(huì)提出了新一輪科技革命、產(chǎn)業(yè)變革的號(hào)召，把科技自立自強(qiáng)作為國(guó)家發(fā)展的戰(zhàn)略支撐。在此利好消息的鼓舞和推動(dòng)下，隨著我國(guó)科技實(shí)力的不斷增強(qiáng)，玉米芯的深加工和應(yīng)用領(lǐng)域必將不斷擴(kuò)大。目前，已使糠醛、木糖、木糖醇、低聚木糖等一系列高附加值產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)并應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，達(dá)到了對(duì)玉米芯的資源化利用。

“十四五”計(jì)劃和二O 三五年遠(yuǎn)景發(fā)展目標(biāo)。提出大力發(fā)展科學(xué)技術(shù)，自立自強(qiáng)的戰(zhàn)略思想。今后應(yīng)向更高更深更廣的研究領(lǐng)域邁進(jìn)，對(duì)玉米芯三大組分（纖維素、半纖維素和木質(zhì)素）的充分有效利用，既能解決經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，又解決環(huán)境問(wèn)題；但是從三大組分綜合利用的終端產(chǎn)品上來(lái)看，其多樣化程度仍有待加強(qiáng)。盡管綜合利用模式已經(jīng)初步成熟，但關(guān)于纖維素制備乙醇方面還需要進(jìn)一步提高預(yù)處理的效率和纖維素酶的生產(chǎn)效率，以便更好地控制纖維乙醇的成本，實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素原料利用與纖維素乙醇生產(chǎn)協(xié)同發(fā)展。另外，不論是一步法還是兩步法工藝還有待改進(jìn)和進(jìn)一步優(yōu)化，以提高出產(chǎn)率。