简介农业废弃物玉米芯的资源化和应用

汪晓鹏

（甘肃省皮革塑料研究所有限责任公司，甘肃 兰州 730046）

生物质资源是地球上再生资源的核心组成部分，是人类赖以生存和发展的基础资源，是维系人类经济社会可持续发展最根本的保障。当前，我国的绿色环保、安全、循环、可持续成为国民经济发展的主导方向。确定了新材料、装备制造、生物技术等六大战略新型产业。大力发展“生物炼制，绿色循环”产业链模式，为充分利用玉米芯资源化提供强大的政策支撑和战略方向。企业、厂商和技术部门以玉米芯为基础原料，废物利用，变废为宝，循环利用，绿色发展。其利用制备法：一是采用玉米芯生产功能糖产品；二是生产功能糖的废渣，被用来生产新能源乙醇和提取木质素；三是生产的废水用于沼气发电，剩余固废物用于农民养蘑菇或生物发电。使得废水、废气、固废物之“三废”得到了循环闭合链的综合利用。玉米芯的有效利用能保护环境、消除污染。若被高值化利用，还可增加农民收入。

中国是生物质资源最丰富的国家之一，农业废弃物玉米芯的高效利用和循环利用模式符合国民经济、国家产业发展方向、法律和政策等。诸如《中华人共和国环境保护法》、《中华人民共和国大气污染防治法》、《中华人民共和国循环经济促进法》、《中华人民共和国清洁生产促进法》《中华人民共和国节约能源法》《关于推进农林废弃物资源化利用的试点方案》等等，更符合国民经济“十三五”的创新发展、协调发展、绿色发展、开放发展、共享发展“五大发展理念”。充分利用玉米芯资源化具有非常大的应用和推广价值。中国作为农业大国，有得天独厚的条件，是世界玉米种植大国，玉米芯来源极其广泛和丰富。属可再生资源，能循环往复以至无穷，是废物利用的“富矿”。

1 玉米芯资源丰富[1]

玉米是全球种植最广、产量最大的谷物，居三大粮食（玉米、小麦、大米）之首。除南极洲之外，世界各大洲70 多个国家种植玉米。玉米营养丰富，有“五谷之王”的美誉。籽粒含有73%的淀粉、8.5%的蛋白质、4.3%的脂肪，富含维生素，是食品、饲料和工业原料廉价的作物。玉米是重要的工业原料，是加工品种最多、链条最长和增值最高的谷类作物，深加工产品高达2000 多种。我国在东西南北中五方、春夏秋冬四季种植玉米，是世界独一无二“四季玉米”之乡。

图1 玉米芯综合利用途径[3]

目前我国玉米播种面积、总产量、消费量仅次于美国，位居世界第三。玉米年产量约为1.1 亿吨～1.6 亿吨，可产下脚料玉米芯2000 万吨，因此具有大量的玉米芯资源亟待开发利用。随着科学技术的飞速发展，为开发利用提供了技术支撑。玉米芯的深加工不断拓展，相继开发糠醛、木糖、木糖醇、低聚木糖、饴糖、葡萄糖、乳酸黏合剂、纳米粒子等一系列高附加值的产品。俗语云：“没有废物，只有放错位置的资源”，物尽其用。毋庸置疑，对玉米芯的资源化综合利用，具有重大的社会效益、生态环保效应和经济效益。

2 玉米芯资源化之途径

玉米芯中主要成分为纤维素（32%～36%）、半纤维素（35%～40%）、木质素（25%）以及少量的灰分。对玉米芯深加工领域的扩大，加强研究的广度与深度，已经取得糠醇系列的工业化生产，实现对资源的充分利用。玉米芯的综合利用途径详见图1。

3 应用

3.1 普通应用

（1）玉米芯可以用来种食用菌和栽培料。玉米芯的营养非常丰富，特别是糖分的含量特别高，是发展食用菌生产的较为理想的优质原料，可以培养多种食用菌。积极推广玉米芯栽培白灵菇、大球盖菇、平菇、金针菇、滑菇、黑木耳等食用菌栽培技术，使得玉米芯大量资源化利用。（2）玉米芯可以用来加工成有机肥料，用粉碎机粉碎后，可以与畜禽的粪便混合后发酵，制成含有丰富氮、磷、钾以及各种微量元素的有机肥料。（3）玉米芯可以作为动物的饲料、兽药的载体、还可作为燃料。（4）玉米芯加工产品有木糖醇，从玉米芯里面炼制出来的功能糖不仅有木糖醇，还有低聚木糖、食品级木糖等。（5）玉米芯加工改制成化工合成的中间体—糠醛，糠醛不仅可制造橡胶、塑料、合成纤维、农药、涂料、化学试剂和各种助剂等，糠醛生产中的渣滓还可以做肥料，对改良盐碱地和提高土壤肥力具有良好作用。（6）玉米芯还能提取“石墨烯”。据估算，100 吨的生物质石墨烯材料竟然能带来3～5 亿元的财富。（7）在工业中可以使用玉米芯从废水中来提取重金属，防止热的薄钢片粘连在一起能防止金属物质对水体的污染等。（8）玉米芯对于纸板、水泥板和水泥砖等的制作也具有很重要的作用，尤其是在制作时可以作为胶水和浆糊一起填充剂使用。（9）在轮胎制造业中也可以使用到玉米芯，作为一种橡胶助剂，不仅可以增加轮胎和地面之间的摩擦力，增大轮胎的牵引力，还可以延长轮胎的使用寿命。（10）利用玉米芯生产葡萄糖和食品包装盒，用玉米芯中所含的“玉米朊”蛋白胶质，制备降解绿色食品包装材料，该材料降解速度快，对土壤和水质无害而有利。（11）除此之外，利用玉米芯生产油、酒、黏结剂，生产高比表面积活性炭、除臭填料、实验动物垫料等。

3.2 推广应用

李昌华等[2]介绍玉米芯是玉米生产和加工的副产物,资源丰富。玉米芯通常被当作饲料和燃料使用或作为废弃物,未能充分利用。对玉米芯进行开发和综合利用，可提高农副产品的经济效益和社会效益。以玉米芯为原料生产还原糖、木糖、木聚糖、多酚、多糖、糠醛、黄原胶、生物质活性炭、木质素、丁醇、2,3-丁二醇、改性玉米芯的生产工艺和研究进展，为玉米芯的综合利用提供参考。

王红彦等[3]通过实地调查，结合文献综述，从原料化、饲料化、基料化、能源化的角度，系统阐述我国玉米芯资源综合利用途径。结果表明:玉米芯产量与玉米产量之比为0.21；2013 年全国玉米芯资源总产量为4590万t，相当于全国秸秆总产量的4.90%或玉米秸秆总产量的19.10%。主要分布于东北地区与黄淮海地区，产量分别为1586.61 万t 与1185.41万t，两地区合计占全国玉米芯产量的60.42%。玉米芯是我国各类秸秆资源中高值化利用率较高的种类，其原料化、基料化、饲料化及能源化利用总量达到800 万t 左右。食用菌基料化、新型能源化利用是提高我国玉米芯综合利用水平的基本途径。多产品联产可有效地促进我国玉米芯工业原料化利用水平的不断提升。积极开展玉米芯发酵饲料技术推广与应用可为我国玉米芯资源高值化利用开辟新途径。

玉米芯主要由纤维素[4]、半纤维素和木质素构成，便于收集、易加工处理，已被广泛应用于生产食品、饲料和化工产品中，但目前仍存在原料利用率低、能耗大、成本高等问题。对农业废弃物玉米芯工业化综合利用相关的工艺进行探讨，通过论述玉米芯中半纤维素、纤维素和木质素三大组分的高值化利用方式，阐述了玉米芯综合利用的产业化途径。

荣春光[5]采用玉米芯为原料，在用水量很少的情况下，以有机溶剂甲苯做萃取剂，同步萃取糠醛。在低压条件（反应釜）下制得了糠醛，此方法用水量极少。最佳反应条件是温度140 ℃，甲苯用量25 mL，玉米芯1 g，硫酸质量分数6%，反应时间3.5 h。在此最佳条件下糠醛的产率为44%.其中反应温度和酸浓度是反应的主要影响因素。之后在常压下用无水法以玉米芯为原料生产糠醛，最佳实验条件玉米芯2 g，DMSO(二甲基亚砜）5 mL，15%的硫酸5 mL，反应时间5 h，甲苯萃取剂用量为50 mL，最佳糠醛产率为45%。在常压下引入DMSO 做溶剂，提高了糠醛的产率，使常压的产率接近低压产率。此外在常压下反应温度低，硫酸浓度也比较大。实验证明此方法虽然加入了有机溶剂同步萃取，但糠醛的产率相对于目前工业的收率提高不大。并针对目前糠醛工业糠醛收率低和污染严重的问题展开研究，通过以木糖为原料制备糠醛，提高了糠醛的产率；以玉米芯为原料生产糠醛，减少水的用量避免向环境排放废水；用糠醛渣制备活性炭和水热碳实现了糠醛渣的综合利用；以生物质原料为吸附剂处理糠醛废水，为糠醛的生产及废水废渣处理提供可贵的参考意见。

玉米芯变废为宝——生物发酵提取木糖技术。日本群马大学一个研究小组最新公布的成果显示,他们开发出利用农业废弃物玉米芯高效制作工业生产常用的PET 树脂技术,这一技术无需使用粮食作物,也有望为缓解全球气候变暖做出贡献。PET 即"聚对苯二甲酸乙二醇酯",可用于制作薄膜片材、包装饮用瓶、电子电器、汽车配件等。通常的PET 树脂以对苯二甲酸和乙二醇为主要单体聚合而成,而对苯二甲酸乙二醇酯则是从石脑油中提炼出来。

采用玉米芯制造糠醛，由糠醛制备己二酸己二酯，再聚合而成聚己内酯（PCL）降解高分子材料，可替代石油基降解塑料，成为生物降解塑料。能够实现治理白色污染（White Pollution），保护环境的目的。

4 结语

玉米脱粒后,剩下的玉米芯通常被视为农业废弃物。由是观之，何废之有？其实玉米芯“全身是宝”。

如果说“十三五”是我国践行绿色发展理念，开启建设美丽中国的重要时期，那么“十四五”时期就是加速推进绿色循环、低碳发展的关键期。党的十九届四中全会提出，全面建立资源高效利用制度；党的十九届五中全会提出了新一轮科技革命、产业变革的号召，把科技自立自强作为国家发展的战略支撑。在此利好消息的鼓舞和推动下，随着我国科技实力的不断增强，玉米芯的深加工和应用领域必将不断扩大。目前，已使糠醛、木糖、木糖醇、低聚木糖等一系列高附加值产品实现了工业化生产并应用于各个领域，达到了对玉米芯的资源化利用。

“十四五”计划和二O 三五年远景发展目标。提出大力发展科学技术，自立自强的战略思想。今后应向更高更深更广的研究领域迈进，对玉米芯三大组分（纤维素、半纤维素和木质素）的充分有效利用，既能解决经济问题，又解决环境问题；但是从三大组分综合利用的终端产品上来看，其多样化程度仍有待加强。尽管综合利用模式已经初步成熟，但关于纤维素制备乙醇方面还需要进一步提高预处理的效率和纤维素酶的生产效率，以便更好地控制纤维乙醇的成本，实现木质纤维素原料利用与纤维素乙醇生产协同发展。另外，不论是一步法还是两步法工艺还有待改进和进一步优化，以提高出产率。