提高玉米秸秆利用率的研究技术进展

许晓凯，石 宁，郭玉琴，蒋林树，李艳玲

（北京农学院动物科学技术学院/奶牛营养学北京市重点实验室，北京102206）

0 引言

玉米秸秆作为一种产量巨大的可再生资源，具有相当大的开发潜力。早在2007年，国内玉米秸秆的年产量就达到了10亿t，约占世界秸秆产量的35%。玉米秸秆具有诸多优点，如数量庞大、成本低、来源广泛和开发利用率高等。谢涛等[1]研究表明，对玉米秸秆的充分利用，不仅可以减轻中国人畜争粮问题，还可以降低饲料成本，提高养殖效益。中国作为农业大国，每年可产1.5亿t玉米秸秆，但被利用的玉米秸秆却不足0.5亿t，长期处于高消耗、高污染和低产出的态势。特别是农村地区，由于农民知识水平有限，随地废弃秸秆与大量焚烧现象络绎不绝，既对环境造成了严重污染，又浪费了可利用的再生资源[2]。因此，本研究围绕提高玉米秸秆利用率的不同方法，综述了前人对玉米秸秆的不同处理方法及其研究结果，并进行比较，以期为提高玉米秸秆利用率提供依据。

1 玉米秸秆利用现有途径

目前，玉米秸秆在中国的主要利用方式有以下4种。

1.1 作为动物饲料原料

新鲜的玉米秸秆可作为原料直接青贮发酵成为动物饲料，也是目前处理量最大的一种方式，分为窖式青贮和塑料袋青贮。通过厌氧条件下微生物发酵并添加青贮专用添加剂制成，可以保持玉米秸秆的青绿状态，不仅保存其原有营养成分，还具有气味清香、鲜嫩多汁、适口性好、消化率高等特点。青贮新鲜的玉米秸秆可提高采食量、消化率，增加奶牛产奶量，还可把收获的新鲜玉米秸秆晒干，制成风干样，除去直接粉碎作为粗饲料源制作成饲料外，微贮、盐化、碱化和氨化是目前最为普遍的处理方式。秸秆的微贮是将活性微生物菌种混入玉米秸秆并密封贮藏，经过长时间厌氧发酵，利用微生物降解秸秆中木质纤维素，以此来提高适口性以及秸秆源饲料在瘤胃中的消化率。碱化、盐化和氨化是分别在粉碎的干燥玉米秸秆中加入适量氢氧化钠、生石灰、水、氯化钠或碳铵、尿素，压实密封后，成为大幅度提高牲畜适口性的饲料。玉米秸秆的可消化蛋白含量高于稻秸与小麦秸，而且粗纤维成分低。因此在饲用的营养价值上，玉米秸秆要好于其他秸秆[3]。

1.2 利用玉米秸秆生产能源

农作物秸秆中蕴含着丰富的能量，包括光合作用转换的太阳能和自身生长吸取的土壤里的矿物质所具有的化学能。而这些能量是可以被加以利用转换的，因此秸秆可以制成燃料，是一种很重要的能源物质。近些年沼气被广泛应用，秸秆也因可以通过厌氧发酵产生沼气而被有效利用，发酵工艺也从一开始简单的沼气池发展成复杂的高端设备。宋籽霖等[4]研究发现，水稻秸秆经H2O2和Ca(OH)2处理后分别与牛粪、鸡粪混合发酵比未处理的秸秆发酵产气量增加了29%～43%，产气效率增加了24%～31%。除了化学处理外，生物处理也可以显著增加秸秆的产气量。张麟凤[5]从秸秆腐熟物中筛选出的1组产纤维素酶复合菌群，可以显著提高气体产量。

1.3 秸秆堆肥

堆肥机制是利用微生物的生物化学过程，加入微生物菌剂可加快腐熟过程，提高堆肥质量。在玉米秸秆堆肥的过程中，加入混合菌剂可增加有效氮磷钾含量与堆肥腐化速度，堆肥的质量与肥效也会明显提高[6]。

1.4 秸秆还田

秸秆还田这种现象主要存在于农村地区的农业生产中，此方法不仅可以有效改善土壤条件还可以促进农业可持续发展。但从中国总体还田比例上看，水平还是很低的。与发达国家相比，中国玉米秸秆直接还田仍具有很多问题。技术体系的不完善限制还田技术的推广，虽然有些技术得到了推广及应用，但仍有一些关键技术遇到瓶颈。不仅是技术推广的制约，中国基层农技推广体系统也存在严重缺陷，前期培训、中期参与、后期宣传等阶段的效果欠佳，仍需提高改善。成本问题也使农民望而却步，当然农民的知识水平有限与认知不足也是原因之一[7]。

虽然，玉米秸秆的利用方式多样，但利用效率却很低。韩鲁佳等报道指出，中国每年产生的秸秆相当于800万t氮肥、1000万t钾肥、500万t磷肥，这相当于全国每年化肥生产总量的25%。同时又指出，每年焚烧丢弃的农作物秸秆高达8000万t，这样不仅造成资源的严重浪费，也污染了环境，而且还会破坏土壤结构[8]。

2 玉米秸秆难以降解的主要原因

影响玉米秸秆利用率的主要原因是其结构的难以降解，玉米秸秆结构复杂，主要分为纤维素、半纤维素和木质素3个部分，其含有的结构性多糖是反刍动物所能利用的重要营养物质。纤维素是植物细胞壁的主要成分，由结晶状微纤维多聚糖组成，是D-葡萄糖以β-1,4-糖苷键组成的大分子多糖，通过氢键的缔结作用形成束，按分子密度大小分为结晶区和无定形区[9]。自然界中的纤维素就是以这种微纤维组成的结晶存在，微纤维之间含有氢键互相链接，同时还与半纤维素相连。由于葡萄糖基环上的3个羟基，纤维素分子可以发生醚化、氧化、酯化等反应。正常条件下纤维素化学性质稳定，但在高温高压和强酸条件下，可以水解为葡萄糖[10-11]。半纤维素是构成植物细胞壁结构的第二大碳水化合物高聚物，含量仅次于纤维素，不同植物半纤维素结构、含量均不尽相同，它是一种由不同类型单糖组成的杂多糖。这些单糖主要有五碳糖如木糖、阿拉伯糖、鼠李糖、岩藻糖等和六碳糖如半乳糖、甘露糖和葡萄糖等，有的还含有酸性多糖如半乳糖醛酸和葡糖醛酸等。在构成半纤维素时，不是以1种单糖以1种连接方式构成均一的单糖，而是由2种以上单糖以多种连接方式构成带支链的杂多糖。半纤维素可以通过化学改性改变其水溶性、热塑性、生物活性等，从而扩大了半纤维素的应用[12]。植物中木质素的组成与结构因物种、科属、部位和生长时期等不同而存在差异，甚至所处的自然环境也会影响木质素的组成与结构。玉米秸秆中木质素含量可达到19%～23%，由于木质素的高稳定性，可为植物细胞提供强度与硬度，自然降解率缓慢，直接影响了玉米秸秆的利用效率[13]。纤维素、半纤维素与木质素在反刍动物体内降解率或自身的可降解性本就有限，再加上秸秆中的木质素会与纤维素、半纤维素聚合形成木质纤维素，这种结构紧密难以被分解的木质纤维素，造成了玉米秸秆资源难以利用的障碍壁垒。

3 提高玉米秸秆利用率的方式

如何提高玉米秸秆的利用率与如何打破其难以降解的结构息息相关，根据目前玉米秸秆不同处理方式，可分为物理、化学及生物处理方法。

3.1 物理处理

物理方法是在不改变秸秆基本性能条件下，改变秸秆的物理性状，例如大小、形状等，以达到提高利用率的目的。物理方法比较直接，主要方式有机械法与热加工法。

利用机械设备把玉米秸秆进行切割、粉碎，从而提高利用效率。切短与粉碎都是使玉米秸秆长度变短，体积变小，表面积的增加使秸秆更易与瘤胃微生物接触，发酵降解效果更佳，便于牲畜消化吸收。高士忠[14]研究发现，粉碎粒度为2～3 cm的玉米秸秆产气量明显高于10～20 cm粉碎粒度的玉米秸秆。但粉碎粒度需要把控，并不是越低越好，要考虑瘤胃健康问题。揉搓与压块主要是颗粒料的制作工艺，也应用于秸秆。揉搓可加大反应过程中微生物接触面积，有利于纤维的分解与利用。压块一般可用在运输过程中减少体积，减少运输成本。热喷技术属于热加工的一种，利用热喷产生的高温融化饲料木质素，使之复杂的粘连结构降解，缩小饲料颗粒，增加消化面积以提高消化率[15]。膨化技术原理与热喷相似，都是在高温高压环境下完成。不同的是，膨化技术会增加体积，使饲料比重变小，减少含水量并增加保存时间。但这2种技术由于复杂的制作程序与高昂的加工成本，难以应用于生产[16]。微波处理，同属热加工，优势在于均匀加热秸秆，使其表面更加粗糙，纤维极性降低，可让瘤胃微生物更好地降解秸秆，利于消化吸收[17]。

目前，随着科技的进步与技术的发展，蒸汽爆破技术成为了处理秸秆的主流方法之一。蒸汽爆破技术是在高温高压下，利用水蒸气蒸煮，并利用突然减压，使气相介质从秸秆内部喷出，破坏秸秆中紧密联结的木质纤维素结构，达到提高秸秆利用率的目的。蒸汽爆破技术不会造成污染，并且效果明显，是一种非常具有研究意义的秸秆处理方式[18]。朱均均等[19]采用高效液相色谱和气质联用色谱技术对玉米秸秆蒸汽爆破降解产物进行分析，玉米秸秆经蒸汽爆破预处理后，其纤维素、半纤维素和木质素降解损失分别为9.60%、47.98%和17.55%。许丙磊[20]在直接蒸汽爆破玉米芯工艺研究中发现，半纤维素降解44.8%，木质素降解率18.7%。

3.2 化学处理

化学处理方法主要分为碱化、酸化、氨化及氧化处理。

碱化处理秸秆可以在较低的温度与压力下完成，在碱性处理剂的作用下，秸秆的结构被破坏，表面积增大，提高了纤维素的降解利用。纤维素、半纤维素与木质素间的酯链可被碱性物质破坏，因此碱性物质对木质素和纤维含量有降低作用，但碱处理污染环境严重、大量耗水耗碱。目前，氢氧化钠是所有碱处理剂中研究最多的，郑明霞等[21]分别用2.5%、5%和7.5%的NaOH和Ca(OH)2将玉米秸在常温下堆沤处理，发现碱处理可以明显提高玉米秸秆纤维素的可及性和反应性。周俊虎等[22]在利用稻草发酵产氢的研究中，采用了NaOH预处理，结果表明NaOH预处理可以去除稻草中的大部分木质素，提高纤维素和半纤维素含量，经过酶解后糖化率可达80.19%。Detroy等[23]的研究结果表明，用0.5 mol/L的NaOH溶液处理稻草秸秆4 h，纤维素的转化率可达到76%。

酸处理主要使用硫酸、盐酸处理秸秆，原理类似于碱处理。由于酸的成本更高，尽管它简单有效，但并不适用于生产。SONG等[24]研究指出，酸处理秸秆可有效减少其中的半纤维素，也可除去一部分纤维素与木质素。虽然效果不错，但高成本与对环境的污染是其严重的限制性因素。

氨化处理是氨化和碱化的综合处理，主要是利用尿素或氨液密闭环境处理玉米秸秆，破坏其内部结构，提高利用率。碱化作用可以打断酯键的连结，溶解半纤维素与木质素，使秸秆易降解。氨液的添加可以增加饲料中粗蛋白含量、中和秸秆中的有机酸，有利于瘤胃弱碱环境。氨化处理主要方法有氨水氨化、尿素氨化、常温氨化以及高温快速氨化等。依甫拉音·玉素甫[25]研究发现，氨化处理后的玉米秸秆与未处理的玉米秸秆相比较，原料粗蛋白提高2.4倍，干物质、粗蛋白、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维的瘤胃72 h消失率均有所提高。

氧化处理主要利用氧化剂处理农作物秸秆，但氧化要求条件苛刻，处理成本较高。氧化处理用到的试剂主要有碱性过氧化氢和二氧化硫2种，氧化作用可以扩大纤维素间的空隙，使细胞壁结构性多糖表面积加大，有助于降解酶的作用，提高消化率。利用水在高温高压下对秸秆进行处理称为湿法氧化，碱化和湿法氧化共同处理可以更有效地去除木质素。臭氧氧化处理可以除去纤维素和半纤维素，但耗氧量大成本高，得不偿失[26]。李辉勇[27]研究表明，弱碱性过氧化最优预处理条件为温度 40℃、时间 24 h、2.0%H2O2、2.0%NaOH，此条件下稻草秸秆的酶解糖化率达到了83.23%。

3.3 生物处理

生物处理是利用微生物降解处理的一种方法。生物处理可以增加饲料中的乳酸与菌体蛋白含量，提升饲料适口性与营养价值，提高玉米秸秆利用率。

纤维分解菌处理是目前较为流行的生物处理方法。纤维分解菌产生的纤维素酶可以破坏玉米秸秆中β-1,4-糖苷键，将其降解为聚合度低的多糖或者葡萄糖，使其可以被利用。纤维分解菌主要包括3类，真菌类、细菌类与放线菌类。真菌的细胞纤维素酶活较强，尤其以青霉属、木霉属、曲霉属、根霉属和毛壳酶属为主，其中木霉属、黑曲霉属研究较多，大多与工业中生产相关，用于降解高纤维素类物质，提高资源转化率。迄今为止，被发现的纤维分解细菌种类较多，但就纤维素酶分泌能力比较，真菌分泌能力远高于细菌。其中，属于革兰氏阳性菌属(G+)的有噬纤维菌、热杆菌属、芽孢杆菌属、生孢嗜纤维菌等；属于革兰氏阴性菌属(G-)的有假单孢菌属、欧文氏菌属、纤维单孢菌属、镰状纤维菌属等。目前研究较多的为真菌和细菌，对放线菌研究得较少[28]。

纤维分解细菌可分为好氧性与厌氧性细菌2种，主要包括纤维单胞菌属、热杆菌属、纤维弧菌属、梭状芽孢杆菌属、厌氧纤维菌属、真细菌属、嗜盐菌属和假单胞菌属。在瘤胃中存在的细菌主要有溶纤维丁酸弧菌、黄色瘤胃球菌、白色瘤胃球菌等。Zhang等[29]从复合菌系XDC-2中分离出芽孢杆菌属菌株与梭菌属菌株对半纤维素的降解呈现协同作用。康伟[30]报道指出，枯草芽孢杆菌、乳酸菌处理玉米秸秆具有降解粗纤维和提高蛋白质的作用。

真菌分为高温真菌与嗜温真菌2种，高温真菌所占比例很小，绝大多数还是嗜温真菌，主要有曲霉属、漆斑属、毛壳霉属、枝顶孢酶属、木霉属、根霉属、青霉属、镰孢菌属、嗜热毛壳菌属和嗜热子囊菌等。Hatakka[31]利用白腐真菌处理小麦秸秆，降解率显著提升。Pinto等[32]研究发现，黑曲霉和曲霉菌可增加小麦秸秆产糖量91%。Latham用裂褶菌和一种多孔菌处理麦秸，消化率提高5%～11%。Hartley等[33]报道，麦秸用一种层孔菌处理后再用NaOH处理，表观有机物消化率从46%提高到70%。姜洁等[34]指出，白腐真菌单独处理玉米秸秆可显著提高其降解率。黄慧等[35]在利用黄孢原毛平革菌降解玉米秸秆的研究中，降解率最高达到了45.2%。张立霞[36]研究发现，黄孢原毛平革菌+木霉+黑曲霉+青霉、黄孢原毛平革菌+木霉对玉米秸秆瘤胃降解率有较好效果，玉米秸秆DMD和OMD有效降解率分别为45.33%、38.37%。

放线菌降解玉米秸秆不同于其他纤维分解菌分解纤维素，它通过破坏木质素结构进行分解。放线菌虽然降解能力不如真菌，但其优势在于可以在恶劣的环境下生存，可以耐高温、酸碱等环境，因此放线菌在特殊情况下起着至关重要的作用。常见的放线类纤维素分解菌有小单胞菌属、高温放线菌属、链霉菌属、节杆菌和诺卡氏菌属[37]。

目前，对利用纤维分解菌提高秸秆利用率的研究在逐渐加深。在粉碎的玉米秸秆中添加复合菌剂比不添加复合菌剂的处理组产气量提高10%以上[38]。Wang[39]研究表明，微生物发酵与酶水解可进一步增加秸秆降解。大量研究均表明微生物对玉米秸秆降解有促进作用，但研究结果大多针对纤维素与半纤维素的降解效果，作用于木质素的纤维分解菌少之又少。木质素与纤维素、半纤维素的粘连结构是秸秆资源利用的关键所在，所以，寻找可以有效降解木质素的纤维分解菌是提高玉米秸秆利用率的突破口。

添加酶制剂可以有效地降解玉米秸秆中的纤维素，而纤维素酶是酶制剂中最关键的部分。纤维素酶有很多种类，主要根据作用方式分为内切酶（内切β-1,4-葡萄糖酶，也称Cx酶）、外切酶（外切β-1,4-葡萄糖酶，也称C1酶）与纤维二糖酶（β-1,4-葡萄糖酶）3种。纤维素酶种类众多，是可以降解纤维素的酶的总称。作用机理是把纤维素分解为纤维二糖和寡糖，再进一步水解为葡萄糖[40]。饲料加工业中，青贮饲料的处理中就有纤维素酶的应用。纤维类物质的预处理也会加入纤维素酶，从而提高利用率。农业生产中，纤维素酶主要应用于制备作物秸秆酶制剂。纤维素降解的过程首先是纤维素与葡聚糖外切酶的结合，并且使结晶结构的纤维素长分子链开裂，微纤维间的排列表现出无序化，提高了纤维素酶类的水解作用，从而使纤维素易于水解，之后在葡聚糖内切酶、葡聚糖外切酶和葡萄糖苷酶的协同作用下，纤维素的β-1,4糖苷键逐渐水解，形成葡萄糖等小分子糖类。纤维素酶系的协同作用没有简单的固定性，除葡聚糖内切酶外、葡聚糖外切酶有时也能引起纤维素一基元纤维链的分离，打乱结晶区结构，利于纤维的进一步降解[41]。宋金峰[42]混合使用接种剂与酶制剂处理玉米秸秆-酒糟混合青贮时，发现可以提高瘤胃中DM和ADF的有效降解率。蔡元等[43]研究结果表明，添加酶制剂后青贮玉米秸秆的感官品质得到改善，极显著降低了酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维的含量(P＜0.01)，且这种作用随着酶添加量的增加而增加。

物理、化学处理成本高，对环境污染严重，不能广泛应用于生产。以上处理方法相比较，生物处理优势明显，不但不会造成污染，还可以改善秸秆结构组成，成为近些年人们研究的重点。

3.4 综合处理

综合处理方法结合了物理、化学、生物方法，取长补短，综合应用，处理秸秆效果更佳。Zhang等[44]研究发现，酸碱复合处理可除去玉米芯大部分非纤维材料，经过同步发酵乙醇浓度为69.2 g/L，乙醇得率高达81.2%。余建军[45]利用高温蒸煮的方法预处理玉米秸秆，再加入酶制剂酶解，蒸煮后的玉米秸秆降解率达到72.2%。牟莉等[46]用多种酸处理加热后的玉米秸秆发现，植物的纤维素链被打断，进而提高了降解效果。综合处理方法可以集物理、化学、生物处理的各个优势于一体，提高玉米秸秆的降解，但此种方法过程复杂，成本高于其他方法，应用时应综合考虑。

4 研究展望

中国作为畜牧大国，近些年畜牧业发展迅速，但粗饲料短缺严重制约了畜牧业的发展，而中国丰富的玉米秸秆资源可以作为粗饲料来源，弥补不足。玉米秸秆在动物体内的利用率有限，需要进行前处理提高利用率。物理、化学与综合处理方法污染大，成本高，不适于生产应用。生物处理方法优势显著，玉米秸秆经酶制剂处理再发酵可大幅提高适口性、采食量，利于动物吸收营养物质，降低成本，提高经济效益，可以在生产中大力推广[47]；而纤维分解菌处理并未开发完善，同样作为生物处理，潜力巨大，是日后玉米秸秆降解中的重要研究对象。虽然目前已经选育出的一些菌种具有一定的降解能力与产酶能力，但用于实践生产并不是很理想，有待进一步提高，选育出真正高效的纤维分解菌。随着基因工程技术的发展，利用DNA序列改组来改良纤维分解菌也是一种很好的思路。

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