簡介農業(yè)廢棄物玉米芯的資源化和應用

汪曉鵬

（甘肅省皮革塑料研究所有限責任公司，甘肅 蘭州 730046）

生物質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)展的基礎資源，是維系人類經濟社會可持續(xù)發(fā)展最根本的保障。當前，我國的綠色環(huán)保、安全、循環(huán)、可持續(xù)成為國民經濟發(fā)展的主導方向。確定了新材料、裝備制造、生物技術等六大戰(zhàn)略新型產業(yè)。大力發(fā)展“生物煉制，綠色循環(huán)”產業(yè)鏈模式，為充分利用玉米芯資源化提供強大的政策支撐和戰(zhàn)略方向。企業(yè)、廠商和技術部門以玉米芯為基礎原料，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功能糖產品；二是生產功能糖的廢渣，被用來生產新能源乙醇和提取木質素；三是生產的廢水用于沼氣發(fā)電，剩余固廢物用于農民養(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環(huán)境、消除污染。若被高值化利用，還可增加農民收入。

中國是生物質資源最豐富的國家之一，農業(yè)廢棄物玉米芯的高效利用和循環(huán)利用模式符合國民經濟、國家產業(yè)發(fā)展方向、法律和政策等。諸如《中華人共和國環(huán)境保護法》、《中華人民共和國大氣污染防治法》、《中華人民共和國循環(huán)經濟促進法》、《中華人民共和國清潔生產促進法》《中華人民共和國節(jié)約能源法》《關于推進農林廢棄物資源化利用的試點方案》等等，更符合國民經濟“十三五”的創(chuàng)新發(fā)展、協(xié)調發(fā)展、綠色發(fā)展、開放發(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用和推廣價值。中國作為農業(yè)大國，有得天獨厚的條件，是世界玉米種植大國，玉米芯來源極其廣泛和豐富。屬可再生資源，能循環(huán)往復以至無窮，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 多個國家種植玉米。玉米營養(yǎng)豐富，有“五谷之王”的美譽。籽粒含有73%的淀粉、8.5%的蛋白質、4.3%的脂肪，富含維生素，是食品、飼料和工業(yè)原料廉價的作物。玉米是重要的工業(yè)原料，是加工品種最多、鏈條最長和增值最高的谷類作物，深加工產品高達2000 多種。我國在東西南北中五方、春夏秋冬四季種植玉米，是世界獨一無二“四季玉米”之鄉(xiāng)。

圖1 玉米芯綜合利用途徑[3]

目前我國玉米播種面積、總產量、消費量僅次于美國，位居世界第三。玉米年產量約為1.1 億噸～1.6 億噸，可產下腳料玉米芯2000 萬噸，因此具有大量的玉米芯資源亟待開發(fā)利用。隨著科學技術的飛速發(fā)展，為開發(fā)利用提供了技術支撐。玉米芯的深加工不斷拓展，相繼開發(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品。俗語云：“沒有廢物，只有放錯位置的資源”，物盡其用。毋庸置疑，對玉米芯的資源化綜合利用，具有重大的社會效益、生態(tài)環(huán)保效應和經濟效益。

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%）、木質素（25%）以及少量的灰分。對玉米芯深加工領域的擴大，加強研究的廣度與深度，已經取得糠醇系列的工業(yè)化生產，實現(xiàn)對資源的充分利用。玉米芯的綜合利用途徑詳見圖1。

3 應用

3.1 普通應用

（1）玉米芯可以用來種食用菌和栽培料。玉米芯的營養(yǎng)非常豐富，特別是糖分的含量特別高，是發(fā)展食用菌生產的較為理想的優(yōu)質原料，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，使得玉米芯大量資源化利用。（2）玉米芯可以用來加工成有機肥料，用粉碎機粉碎后，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肥料。（3）玉米芯可以作為動物的飼料、獸藥的載體、還可作為燃料。（4）玉米芯加工產品有木糖醇，從玉米芯里面煉制出來的功能糖不僅有木糖醇，還有低聚木糖、食品級木糖等。（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、農藥、涂料、化學試劑和各種助劑等，糠醛生產中的渣滓還可以做肥料，對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 噸的生物質石墨烯材料竟然能帶來3～5 億元的財富。（7）在工業(yè)中可以使用玉米芯從廢水中來提取重金屬，防止熱的薄鋼片粘連在一起能防止金屬物質對水體的污染等。（8）玉米芯對于紙板、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，還可以延長輪胎的使用壽命。（10）利用玉米芯生產葡萄糖和食品包裝盒，用玉米芯中所含的“玉米朊”蛋白膠質，制備降解綠色食品包裝材料，該材料降解速度快，對土壤和水質無害而有利。（11）除此之外，利用玉米芯生產油、酒、黏結劑，生產高比表面積活性炭、除臭填料、實驗動物墊料等。

3.2 推廣應用

李昌華等[2]介紹玉米芯是玉米生產和加工的副產物,資源豐富。玉米芯通常被當作飼料和燃料使用或作為廢棄物,未能充分利用。對玉米芯進行開發(fā)和綜合利用，可提高農副產品的經濟效益和社會效益。以玉米芯為原料生產還原糖、木糖、木聚糖、多酚、多糖、糠醛、黃原膠、生物質活性炭、木質素、丁醇、2,3-丁二醇、改性玉米芯的生產工藝和研究進展，為玉米芯的綜合利用提供參考。

王紅彥等[3]通過實地調查，結合文獻綜述，從原料化、飼料化、基料化、能源化的角度，系統(tǒng)闡述我國玉米芯資源綜合利用途徑。結果表明:玉米芯產量與玉米產量之比為0.21；2013 年全國玉米芯資源總產量為4590萬t，相當于全國秸稈總產量的4.90%或玉米秸稈總產量的19.10%。主要分布于東北地區(qū)與黃淮海地區(qū)，產量分別為1586.61 萬t 與1185.41萬t，兩地區(qū)合計占全國玉米芯產量的60.42%。玉米芯是我國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到800 萬t 左右。食用菌基料化、新型能源化利用是提高我國玉米芯綜合利用水平的基本途徑。多產品聯(lián)產可有效地促進我國玉米芯工業(yè)原料化利用水平的不斷提升。積極開展玉米芯發(fā)酵飼料技術推廣與應用可為我國玉米芯資源高值化利用開辟新途徑。

玉米芯主要由纖維素[4]、半纖維素和木質素構成，便于收集、易加工處理，已被廣泛應用于生產食品、飼料和化工產品中，但目前仍存在原料利用率低、能耗大、成本高等問題。對農業(yè)廢棄物玉米芯工業(yè)化綜合利用相關的工藝進行探討，通過論述玉米芯中半纖維素、纖維素和木質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，以有機溶劑甲苯做萃取劑，同步萃取糠醛。在低壓條件（反應釜）下制得了糠醛，此方法用水量極少。最佳反應條件是溫度140 ℃，甲苯用量25 mL，玉米芯1 g，硫酸質量分數(shù)6%，反應時間3.5 h。在此最佳條件下糠醛的產率為44%.其中反應溫度和酸濃度是反應的主要影響因素。之后在常壓下用無水法以玉米芯為原料生產糠醛，最佳實驗條件玉米芯2 g，DMSO(二甲基亞砜）5 mL，15%的硫酸5 mL，反應時間5 h，甲苯萃取劑用量為50 mL，最佳糠醛產率為45%。在常壓下引入DMSO 做溶劑，提高了糠醛的產率，使常壓的產率接近低壓產率。此外在常壓下反應溫度低，硫酸濃度也比較大。實驗證明此方法雖然加入了有機溶劑同步萃取，但糠醛的產率相對于目前工業(yè)的收率提高不大。并針對目前糠醛工業(yè)糠醛收率低和污染嚴重的問題展開研究，通過以木糖為原料制備糠醛，提高了糠醛的產率；以玉米芯為原料生產糠醛，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現(xiàn)了糠醛渣的綜合利用；以生物質原料為吸附劑處理糠醛廢水，為糠醛的生產及廢水廢渣處理提供可貴的參考意見。

玉米芯變廢為寶——生物發(fā)酵提取木糖技術。日本群馬大學一個研究小組最新公布的成果顯示,他們開發(fā)出利用農業(yè)廢棄物玉米芯高效制作工業(yè)生產常用的PET 樹脂技術,這一技術無需使用糧食作物,也有望為緩解全球氣候變暖做出貢獻。PET 即"聚對苯二甲酸乙二醇酯",可用于制作薄膜片材、包裝飲用瓶、電子電器、汽車配件等。通常的PET 樹脂以對苯二甲酸和乙二醇為主要單體聚合而成,而對苯二甲酸乙二醇酯則是從石腦油中提煉出來。

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。能夠實現(xiàn)治理白色污染（White Pollution），保護環(huán)境的目的。

4 結語

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

如果說“十三五”是我國踐行綠色發(fā)展理念，開啟建設美麗中國的重要時期，那么“十四五”時期就是加速推進綠色循環(huán)、低碳發(fā)展的關鍵期。黨的十九屆四中全會提出，全面建立資源高效利用制度；黨的十九屆五中全會提出了新一輪科技革命、產業(yè)變革的號召，把科技自立自強作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略支撐。在此利好消息的鼓舞和推動下，隨著我國科技實力的不斷增強，玉米芯的深加工和應用領域必將不斷擴大。目前，已使糠醛、木糖、木糖醇、低聚木糖等一系列高附加值產品實現(xiàn)了工業(yè)化生產并應用于各個領域，達到了對玉米芯的資源化利用。

“十四五”計劃和二O 三五年遠景發(fā)展目標。提出大力發(fā)展科學技術，自立自強的戰(zhàn)略思想。今后應向更高更深更廣的研究領域邁進，對玉米芯三大組分（纖維素、半纖維素和木質素）的充分有效利用，既能解決經濟問題，又解決環(huán)境問題；但是從三大組分綜合利用的終端產品上來看，其多樣化程度仍有待加強。盡管綜合利用模式已經初步成熟，但關于纖維素制備乙醇方面還需要進一步提高預處理的效率和纖維素酶的生產效率，以便更好地控制纖維乙醇的成本，實現(xiàn)木質纖維素原料利用與纖維素乙醇生產協(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和進一步優(yōu)化，以提高出產率。