秸秆资源预处理研究进展

随着经济和社会的发展，人类社会对能源的需求越来越多，能源及能量饲料的短缺已经成为世界各国面临的一个重大问题。合理利用秸秆资源能够实现可再生资源的利用，缓解能源危机，保护环境，实现农业和经济的可持续发展，是国家发展的一项重要任务。然而，植物细胞壁的复杂结构限制了其在畜牧业生产中的应用。物理处理是秸秆资源利用的基本方法，酸碱等化学处理是畜牧业生产中常用的预处理方法，蒸汽爆破预处理可以提高动物对谷物秸秆的消化率。生物处理是一种安全、环境友好的有效预处理方法。因此，采用适当的预处理方法在秸秆资源的利用过程中发挥着重要作用。本文分析了秸秆资源的现状及营养特性，并探讨了国内外秸秆资源的预处理方法，为秸秆资源的开发利用及节粮型畜牧业的发展提供参考。

1.秸秆资源现状

木质纤维素类生物资源是世界上最多的可再生资源，全世界每年的产量估计为1010吨，其中秸秆占可利用生物质产量的70%左右。在中国，农作物秸秆的年产量为8.42×108吨，而且以1.3%的速度递增，在农作物秸秆中玉米秸秆所占的比例最大，为24%，目前国内秸秆中，直接用作生活燃料的约占20%，用作肥料还田的约占15%，用作饲料的约占15%，用作工业原料的约占2%，其余被废弃或直接燃烧的约占48%，这造成了极大的资源浪费和环境污染。国内外的专家学者对秸秆资源经济有效的利用方法进行了大量研究，但到目前为止，国内对秸秆资源在饲料中的应用研究相对较少。

2.秸秆的生物质特性及营养组成

2.1 秸秆的生物质特性 木质纤维素由纤维素、半纤维素和木质素三大类主要的聚合物组成。一般条件下，纤维素不易溶于水、有机溶剂、碱以及稀无机酸溶液，仅在不加热的条件下用浓无机酸处理，或者在高温高压条件下，用稀无机酸处理，纤维素才被分解为单糖。半纤维素是一类复杂的碳水化合物的组成结构，草类和秸秆中的主要半纤维素是木聚糖，木材中的主要半纤维素是葡甘露聚糖。在细胞壁中半纤维素位于许多纤维素和木质素之间，组成纤维素、半纤维素和木质素的紧密结构。半纤维素在酸性和碱性环境中最容易被提取，而葡甘露聚糖在酸性环境下几乎不能被提取出来，必须在强碱的作用下才能分离。在木质纤维素的所有结构中，半纤维素是对热化学因素最敏感的成分。木质素在植物细胞壁中的含量仅次于纤维素和半纤维素，是一类由苯丙烷结构单元组成的无定型复杂复合物，木质素在植物细胞壁中起着结构支撑，保持细胞壁的不通透性，抵抗微生物攻击和抗氧化等作用，所有这些特性，使木质素成为植物细胞壁中最难降解的成分。木质素和半纤维素形成牢固结合层，紧紧地包围着纤维素，阻碍酶和其他物质与纤维素的接触。因此，在木质纤维素的预处理过程中，木质素的去除是非常重要的。

2.2 秸秆的营养组成 秸秆是脱粒后成熟植株的残余物。当植物成熟时，在茎和叶中只剩下少量的蛋白质、脂肪、类脂肪和易消化的碳水化合物，家畜营养所必须的各种矿物质的含量显著减少。维生素，特别是胡萝卜素几乎全部被破坏。未经处理的秸秆适口性较差，体积较大，且动物的消化利用率较低。秸秆的化学成分主要是纤维性物质，以干物质计，中性洗涤纤维（ND）约为70%～80%，酸性洗涤纤维（ADF）约为50%～60%，粗蛋白含量约为3%～6%。

3.秸秆资源的预处理研究进展

秸秆预处理的目的是提高秸秆的消化率，使其在水解过程中能够释放出较多的糖类。目前，许多秸秆预处理方法已经被研究和应用，秸秆预处理过程要求能够有效提高秸秆的消化率并且产生较少的抑制因子。秸秆的处理方法有物理处理、化学处理、物理化学综合处理和生物处理法，在实际生产中通常采用不同方法的组合来获得最大的糖释放量、最低的毒素产量和能量消耗。

3.1 物理处理 物理处理能够降低秸秆的尺寸，提高秸秆的可接触面积，降低秸秆纤维素的晶度和聚合度，提高后处理过程的效率。物理预处理方法包括机械粉碎处理、热处理、微波处理等。机械粉碎是降低秸秆尺寸的最基本的预处理步骤，能够有效提高后续处理的效率，粉碎处理通常是切断、粉碎和磨碎等综合处理，处理后的最终尺寸不尽相同。秸秆的水分含量、成分以及最终粉碎的尺寸均影响能量的需要和后续处理效率，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；热处理是秸秆预处理的常用方法。热处理的温度超过150℃～180℃，秸秆中的物质开始溶解，半纤维素首先释放出来，接着部分木质素也开始溶解；微波作为一种方便、高效和清洁的能源，不同于传统的热处理方法，对于某些化学反应可以大幅提高反应速度，已广泛地用于有机合成、化学催化及高分子聚合等反应过程。运用微波对植物纤维原料进行预处理可降解木质素和半纤维素，改变植物纤维原料超分子结构，使纤维素结晶区尺寸发生变化，提高植物纤维素酶的水解效率。

3.2 化学处理 秸秆的化学预处理包括酸处理、碱处理以及H2O2和SO2等氧化剂的处理。在所有这些方法中稀H2SO4预处理是被广泛应用的方法。酸处理的主要目的是转化半纤维素，使纤维素更易被酶解。酸处理有稀酸处理和浓酸处理2种。浓酸处理可以在室温下进行，得到较高的糖产量，但是浓缩处理过程产生抑制因子，影响后续反应，加上样品中较高浓度的酸和设备腐蚀等，极大地限制了该处理方法在实际生产中的应用。稀酸处理使一些木糖类等主要的半纤维素溶解，并且转化为可溶性糖类。然而，在稀酸水解过程中，半纤维素在较低的温度下可以发生解聚，抑制后续发酵过程中微生物的生长；用于碱处理的碱包括氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾和氨水等，氢氧化钠是所有碱处理试剂中研究最多的，是玉米秸秆预处理的最佳方法。但氢氧化钠在实际生产中的使用成本相对较高，而且对动物生产存在一定的安全隐患。氢氧化钙也是广泛应用的一种碱处理试剂，能够去除秸秆中的木质素，提高秸秆的结晶度，通过去除秸秆中的木质素提高纤维素的可接近度和酶的作用效果。但实际生产研究结果表明，随着时间的增加，经氢氧化钙预处理的秸秆容易受到霉菌的污染；氧化剂处理。木质纤维素在H2O2和过乙酸等氧化剂的作用下能够发生氧化降解作用，去除其中的木质素和半纤维素，使纤维素容易被酶和微生物作用。但氧化剂的作用通常没有选择性，在木质素被氧化的同时，纤维素和半纤维素通常也有一定的损失，并且木质素被氧化的同时也产生一些酚类化合物，抑制后续的生物转化。

3.3 物理化学综合处理 木质纤维素成分的降解与温度、pH值和压力等因素有关，是物理化学因素综合作用的结果。许多的热处理都属于物理化学综合处理，在热处理中，如果室温升到150℃～180℃以上，在木质纤维素的成分中，半纤维素（主要包括木聚糖和葡甘露聚糖）是对热最敏感的成分，首先开始降解，然后是木质素开始溶解，一部分半纤维素被水解并形成酸性物质，这些酸进一步催化半纤维素的水解。热处理在降解半纤维素的同时，会降解一部分的木质素，产生的降解复合物通常包括酚类物质，这些物质在许多情况下是细菌、酵母等其他微生物生长的抑制因子。蒸汽爆破、液体热水处理和酸碱的热处理是常用的物理化学综合处理方法。

3.4 生物处理 生物处理与其他预处理方法相比，消耗较少的化学物质和能量，是一种生物安全、环境友好的秸秆处理方式，目前很多的研究都在寻求一种可控制的、快速有效的生物处理方法。微生物发酵处理。用微生物来提高秸秆的质量是很有前景的秸秆处理方法。在自然界中有许多细菌和真菌可以利用天然的木质纤维素类；酶水解处理。酶水解纤维素通常具有高度的针对性，纤维素被水解后，通常会产生葡萄糖等一些糖类物质，酶类发酵秸秆通常可以在比较温和的条件下进行，和酸碱处理秸秆相比，成本较低且不会腐蚀机器设备。

4.小结

综上所述，所有这些处理的最终目的是降低秸秆中的木质素和半纤维素的含量，降低纤维素的结晶度，使酶和微生物更容易接近纤维，从而提高酶的水解效率。这些不同的处理方法各有优缺点，选择经济有效、环境友好的综合处理方法对秸秆饲料资源的规模化开发具有重要的意义。