玉米秸稈高值化利用研究進展

摘 要 玉米秸稈是產量最大的農作物秸稈，利用不好既浪費資源又影響農業環境，而研究采用先進技術開展玉米秸稈高值化利用才是解決玉米秸稈問題的有效措施，目前玉米秸稈的高值化利用主要包括提取天然產物，生產生物燃料，制備生物炭、水凝膠、納米纖維素薄膜等，其研究和利用已取得一定進展，但也存在科技含量不夠、缺少專業技術人才、產業規模不穩定等問題，不過隨著各級政策的大力支持、科技水平的不斷提高，玉米秸稈高值化利用研究還會取得更新的發展。

關鍵詞 玉米秸稈；高值化利用；天然產物；生物燃料；生物炭；納米纖維素薄膜

中圖分類號：S513 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.21.032

玉米是世界上重要的糧食作物，其營養價值與保健作用非常高。2021年我國玉米產量約2.9億t，由此產生的秸稈約3.5億t，玉米秸稈作為玉米種植的副產物，產量巨大且含有豐富的營養和多種可利用的化學成分[1]。過去玉米秸稈在田間地頭隨處可見，利用率很低，少部分用于農村燒火做飯，大部分被焚燒掉，不僅造成了資源的浪費，還嚴重污染了大氣環境。隨著科學技術的進步和人們環保意識的提高，玉米秸稈的利用方式逐漸多樣化，包括秸稈還田、飼料加工、沼氣生產、食用菌栽培等，但上述玉米秸稈利用方式科技含量低，大多存在一定的缺陷，產生的經濟效益也比較低[2]。因此，研究玉米秸稈的高值化利用技術迫在眉睫，對于農業的可持續發展及環境保護均具有非常重要的意義。

2022年中央一號文件明確提出支持秸稈綜合利用。近年來，隨著各級政策的支持和科技水平的不斷提高，逐漸出現了一些新型的玉米秸稈高值化利用方式，主要包括玉米秸稈提取天然產物，生產生物燃料，制備生物炭、水凝膠、納米纖維素薄膜等。

1" 研究現狀

1.1" 玉米秸稈提取天然產物

研究表明，玉米秸稈中含有多種可利用的化學成分，部分具有良好的藥物活性，例如抗炎、抗腫瘤、降血糖等。目前，玉米秸稈綜合利用并沒有充分利用其中寶貴的活性化學成分，造成了資源的極大浪費，因此，研究玉米秸稈活性化學成分的提取純化工藝具有非常重要的意義。玉米秸稈天然產物包括生物大分子與天然有機小分子，相關研究提取的生物大分子包括纖維素、半纖維素、多糖等，提取的天然有機小分子包括酚酸類、香豆素類等，采用玉米秸稈提取生物大分子研究的比較多，提取天然有機小分子研究的比較少。

Song等首次報道了一種從玉米秸稈中低溫提取纖維素的新工藝，命名為低溫漆酶系統（LTLS）， 該工藝的主要特征是在提取過程中使用了漆酶，所需提取溫度較低，提取溶劑可反復循環使用，不僅經濟環保，而且所得纖維素的純度與產率均較高[3]。肖本勝等以玉米秸稈為原料，以60 g·L-1的堿液為溶劑，在固液比為1∶12、提取溫度為80 ℃、提取時間為2 h條件下，提取得到了半纖維素，其最高提取率可達21.52%，紅外波譜分析表明，此種方法所得半纖維素的主要成分為聚木糖，該方法可為功能性低聚糖的生產提供原料[4]。夏文靜等開發出一種以玉米秸稈為原料制備阿魏酸的新方法，以0.75 mol·L-1的氫氧化鈉溶液為溶劑，在固液比為1∶60、提取溫度為50 ℃、提取時間為12 h條件下，阿魏酸的最高提取量可達到26.06" mg·g-1[5]。

1.2" 玉米秸稈生產生物燃料

生物燃料指利用生物質資源所生產的燃料，其與傳統化石燃料相比具有明顯的優越性：1）生物燃料屬于可再生能源，可實現在自然界的循環使用，其燃燒產生的二氧化碳又可被植物體吸收轉化為生物質資源，進而可繼續用于生物質燃料的生產；2）生物燃料的污染較小，可降低汽車尾氣所導致的城市污染，但生物燃料大多使用糧食作為原料，造成了糧食資源的極大浪費，加重了全球糧食危機，其弊端亦比較明顯。研究表明，可用農作物秸稈作為原料來制備生物燃料，不僅解決了生物燃料的原料問題，還有利于消除農業廢棄物，促進農業的健康發展。玉米秸稈作為產量最大的作物秸稈可以用來生產生物燃料，例如生產乙醇、丁醇、生物油、芳香化合物等，以實現其高值化利用。

朱均均等在100 ℃下，以3%的硫酸處理玉米秸稈3 h，然后對預處理渣進行酶水解、濃縮與發酵處理，再對預水解液進行三烷基胺脫毒、濃縮與發酵處理，兩步操作的乙醇得率分別為89.90% 、82.34%，大致每6.8 t絕干玉米秸稈可以生產1 t乙醇[6]。Chen等以氧化銅為催化劑研究了玉米秸稈的水熱液化，結果表明，其主要產物是重質生物油，其中芳香族化合物在重質生物油中的比例最高，在反應溫度為230 ℃、反應時間為1 h、氧化銅含量為3 g、氫氧化鈉濃度為1 mol·L-1條件下，芳香族化合物的最大比例可達89.84%，該項工作為玉米秸稈生產生物燃料研究提供了新的思路[7]。Zhang等利用蒸汽爆破玉米秸稈，獲得酶解上清液，而后以此為原料利用新選育的乙酰丁醇梭菌發酵來生產生物燃料丁醇。研究表明，當玉米秸稈酶解液中糖的濃度為57.5 g·L-1、初始pH值為6.3、碳酸鈣添加量為5 g·L-1、酶解溶液的細菌接種濃度為6%、發酵溫度為37 ℃ 時，丁醇產率可達9.88 g·L-1 [8] 。

1.3" 玉米秸稈制備生物炭

生物炭是生物質熱裂解之后的產物，主要成分是碳分子，將生物質轉化為生物炭，不僅可以起到固碳降低大氣中二氧化碳的作用，還可以增加土壤肥力，促進植物生長。此外，生物炭還是良好的土壤改良劑，可用于修復重金屬污染的土壤[9]。玉米秸稈是良好的生物質原料，可以用來生產生物炭。李力等以玉米秸稈為原料，在350 ℃和700 ℃熱解溫度下分別制備了兩種生物炭BC350和BC700，Cd （Ⅱ） 吸附評價實驗表明，BC700對Cd （Ⅱ） 的吸附能力明顯優于BC350，其對Cd （Ⅱ） 的吸附容量可達52.9 mg·g-1[10]。Fan等以鐵浸漬的玉米秸稈為原料，在600 ℃的熱解溫度下制備了負載鐵的生物炭，其最大砷吸附容量可達14.77 mg·g-1，可用于砷污染的水源或土壤的修復[11]。Guo等以農業廢棄玉米秸稈為原料在500 ℃下制備了生物炭，其活化過硫酸鹽后能很好地氧化去除被污染水溶液和土壤中的苯并芘，具有潛在的良好應用前景[12]。趙建兵等以玉米秸稈為研究對象，通過高溫焙燒制備了玉米秸稈生物炭，并探討了其對水中鉛、鎘離子的吸附性能，結果表明，800 ℃下焙燒所制玉米秸稈生物炭可以有效去除水中的鉛、鎘離子，這主要是物理吸附與化學沉淀共同作用的結果[13]。

1.4" 玉米秸稈制備水凝膠

水凝膠作為一種新型的材料，廣泛應用于工業、農業、醫療行業中。研究表明，玉米秸稈可以用來制備水凝膠，制備的水凝膠可用于污水處理、凍干支架制備、用作土壤保水劑等。侯兆超等人以濃磷酸為介質、過硫酸銨為引發劑、Ｎ，Ｎ'-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯劑，選擇丙烯酸與玉米秸稈纖維素為原料制備了性能優異的水凝膠[14]。張飛雄等以粉碎的玉米秸稈和羧甲基纖維素為原料制備了玉米秸稈/羧甲基纖維素水凝膠，其含水質量分數可達97.47%[15]，后續研究表明該水凝膠可以明顯提升土壤持水率及玉米種子的萌發率，展現了其在干旱土壤保水方面的良好應用前景。Cheng等首先以脫木質素玉米秸稈與2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）為原料制備了磺化纖維素，再以過硫酸鉀為引發劑、Ｎ，Ｎ'-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯劑進行了磺化纖維素與丙烯酸（AA）的接枝共聚，制備了玉米秸稈-AMPS-AA水凝膠，研究表明，當聚合溫度為50 ℃、交聯劑為1.2%、磺化纖維素與丙烯酸的比例為1∶7、引發劑為2% 時所制備的水凝膠具有最佳的吸水率[16]。

1.5" 玉米秸稈制備納米纖維素薄膜

隨著科學技術的進步，有機薄膜因成本低廉、耐沖擊性強、易于取材等優點普遍應用于科研與工業生產領域，納米纖維素薄膜即是一種應用廣泛的有機薄膜，研究者利用玉米秸稈制備納米纖維素薄膜，以滿足當今科研與工業發展的需要。Bian等以玉米秸稈和小麥秸稈為原料制備了纖維素溶液和納米纖維素，以此為原料進一步制備了全纖維素納米復合膜，并通過X射線衍射和傅里葉變換紅外光譜分析了全纖維素納米復合膜的晶體結構[17]。周晉等以玉米秸稈糠醛剩余物為原料，通過硫酸水解、超聲和 2，2，6，6-四甲基哌啶氧化物氧化3種方法分別制備了3種納米纖維素，并進一步制備了相應的納米纖維素薄膜CFR-CNC、CFR-CNF和CFR-TNC （CFR：玉米秸稈糠醛剩余物，CNC：纖維素納米晶體，CNF：纖維素納米纖維，TNC：納米纖維素），3種薄膜的透光性均較好，其中CFR-CNF薄膜的拉伸強度較高，CFR-CNC 薄膜的抗形變性能較好[18]。張愛武等首先制備了玉米秸稈納米纖維素與玉米秸稈淀粉，然后以此為原料利用共混流延法制備了玉米秸稈納米纖維素-淀粉膜，單因素和正交試驗研究表明，當成膜液中淀粉含量為10.0%（W/V）、納米纖維素含量為5.0%（W/V）、羧甲基纖維素鈉含量為 1.6%（W/V）、甘油含量為 2.3%（V/V）時可制得性能最優異的玉米秸稈納米纖維素-淀粉膜[19]。

2" 存在的問題

全世界范圍內每年都會有大量的農作物秸稈產生，農作物秸稈是重要的生物質資源，屬于可再生資源，是大自然贈予人類的寶貴財富。秸稈的高值化利用不僅有利于改善農業環境，還將極大地節約化石燃料，減輕環境污染，實現人與自然和諧共生的良性循環。在所有農作物秸稈中，產量最大的是玉米秸稈，玉米秸稈高值化利用的前景非常廣闊，對我國工農業的可持續發展和環境保護都具有非常重要的意義，但目前玉米秸稈的高值化利用還存在以下幾個方面的問題。

2.1" 科技含量較低

目前，玉米秸稈高值化利用研究投入的科技力量有限，其研究成果亦較少，還需要持續不斷地加大科技的投入，提高玉米秸稈高值化利用的科技含量。近年來，隨著我國對秸稈高值化利用的重視及各級政策的大力支持，科技賦能秸稈高值化利用的空間已打開，秸稈高值化利用科技含量較低的狀況將會逐步得到改善。

2.2" 缺少相關專業技術人才

人才是產業發展的基礎與驅動力，只有培養相當規模的玉米秸稈高值化利用方面的人才，才能促進該產業的快速發展。由于目前玉米秸稈高值化利用還處于起步階段，還沒有形成專業的技術人才隊伍，一定程度上限制了該產業的發展。同時，玉米秸稈高值化利用因未形成規模，企業利潤較低，收入較少，相關技術人員不愿從事該領域的工作。

2.3" 沒有形成穩定的產業規模

目前，從事玉米秸稈高值化利用大多都是技術有限，規模較小的企業，由于缺少科技的投入，較雄厚的資金未能投入到玉米秸稈高值化利用的產業中，從而沒有形成穩定的產業規模，這就進一步限制了玉米秸稈高值化利用產業的發展。隨著科研投入的加大與成熟技術的引進及規模資金的參與，會逐漸形成玉米秸稈高值化利用的產業規模，并向著多元化、專業化、系統化方向發展。

總之，雖然在玉米秸稈高值化利用方面還存在著許多困難，但是隨著國家的重視及相關政策的出臺，科技投入的加大及人們可持續發展意識的提高，更多的專業人才和規模化的資金會被吸引到這一產業中來，秸稈的高值化利用定會迎來突飛猛進的發展，從而實現人與自然和諧共生的良性循環。

3" 總結與展望

綜上所述，玉米秸稈高值化利用已被廣泛應用，由于秸稈還田、飼料加工、沼氣生產、食用菌栽培等產生的經濟效益比較低，且大多數利用方式不符合農業可持續發展的要求，于是研究者們在玉米秸稈的高值化利用過程中融入先進的科學技術，逐漸出現了一些新型的玉米秸稈高值化利用方式，如用玉米秸稈提取天然產物，生產生物燃料，制備生物炭、水凝膠與納米纖維素薄膜等。由于技術水平的限制，目前大多處于基礎研究階段，還沒有被廣泛推廣應用，也沒有形成一定的產業規模，但是隨著國家相關政策的出臺，人們可持續發展意識的提高，會聚集更多的科技專業人才從事玉米秸稈高值化利用的研究，其研究成果和推廣應用也會進一步得到顯現。

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（責任編輯：易" 婧）