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摘要 据分析，玉米秸秆总能量与牧草相似，但是其营养价值只相当于草或谷物的1/4，这是由于秸秆中的粗纤维含量高，木质化程度高，并且质地坚硬，营养成分较少，适应性差。研究把玉米秸秆有效转化成液态的分解物，使其变成营养物质的途径，既能解决玉米秸秆的重复利用，而且也能使其能量达到极限，合理利用。该文设想玉米秸秆在牛胃中被很好地吸收和分解的原因，以及研究牛胃液提取物中的有效成分（例如：pH值、酶以及其他活性等）的方法，以利用科学方法使玉米秸秆经粉碎—高温—添加剂—发酵—离心—酸酐（酸性氧化物）—残渣（有机化合物）—腐生菌再分解。
关键词 牛胃提取液；玉米秸秆；液态分解
中图分类号 S216.2 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2013）16-0187-02
玉米秸秆主要成分是纤维素，其中氮、磷、钾含量分别为0.61%、0.21%、2.28%，另外还有少量的其他元素。我国是玉米种植大国，常年种植玉米3 334万hm2，秸秆产量按6～7 t/hm2计算，每年可生产秸秆2.0亿～2.5亿t。据研究分析，玉米秸秆所含消化能量为2 234.256 kJ/kg，是很好的优质饲料。但是我国目前玉米秸秆利用率不高，浪费现象严重[1]。联合国粮农组织在我国考察后认为，中国是秸秆生产第一大国，也是浪费最严重的国家，如果能科学、合理地利用玉米秸秆，对增加农民经济收入和提高社会效益有十分重要的意义。
作为世界玉米秸秆第一生产大国，如何有效利用玉米秸秆成为能源与环境领域争论的热点。在我国，玉米秸秆主要用途有秸秆还田、秸秆饲料化、工业能源化。据最新调查，玉米秸秆合理利用不足总量的1/3，资源浪费十分严重[2-4]。走在田间地头，不难发现秸秆焚化现象比较严重。随着经济发展，环保产业正成为全球的焦点，农业也不例外，作为第四大能源的秸秆将成为主导新型产业。
在秸秆还田过程中，由于秸秆的纤维素含量，木质化程度较高，不易腐烂，造成土地空隙过多、土地不平，影响墒情，以致种子发芽缓慢、出苗率低、抓地不牢、抗倒能力差，最终造成减产，而且玉米秸秆中大量有害物质得不到分解，有利物质也得不到很好的利用[5-6]。在工业生产乙醇过程中，通过对高糖秸秆粉碎进行发酵，产生大量CO2、H、CH4、液态H2O、蛋白质、糖及其他微生物，在此过程中可利用率约70%，剩余的残渣很难分解，不能全部利用，造成二次污染，所以彻底分解玉米秸秆使其有效液态化成为摆在面前的重要课题。彻底分解液化秸秆，来提取其中丧失的营养成分，使秸秆的利用率达到极限，可达到既方便又环保的目的。
1 玉米秸秆的构造与组成
玉米秸秆主要由纤维素、半纤维素、木质素组成，另外还有一些少量微生物[7-8]。玉米秸秆的化学成分主要有水分、灰分、聚戊糖、果胶、蛋白、木素、纤维素。半纤维素主要由木聚糖、甘露聚糖、甘露聚糖、半乳化聚糖，以及这些糖的甲基化、乙酯化单位和醛酸衍生物组成。不同来源的纤维素各种结构单元比例也不同，但分布比较稳定的组成是木糖间以β-1，4糖苷键链接，分支度高。该纤维素在催化剂作用下跟水分解成单糖，木质纤维素中纤维素占（干物质）30%～50%，半纤维素占20%～40%（干物质），木质素占（干物质）20%～30%。目前，分解木质素大多数采用酸沉淀法或碱指法，但分解之后很不彻底，残留物很多。通过对牛羊胃液的提取物分析，研究其胃液所含pH值、活性酶以及其他微量元素的含量。在天然植物中纤维素、半纤维素、木质素等成分都是交联在一起的，单一进行液态化很难分解，研究人员主要解决的问题是纤维素的酸化作用。研究人员了解到牛胃液pH值在1～3，这就为以后酸度设定提供了一个很好的参考，有助于了解秸秆在牛羊的胃液中被综合分解的原因。
2 牛胃及胃液基本情况
牛的胃由4个胃室组成，即瘤胃、蜂巢胃、重瓣胃和皱胃，食物（秸秆）按顺序经过这4个胃室。其中一部分进入重瓣胃前返回到口腔内咀嚼，其过程称之为“反刍”。这4个胃室形成一条直线，而且相互交错存在，其中皱胃称为真胃，真胃内含有酸与酶，能消化部分蛋白质，基本上不能消化脂肪、纤维素或淀粉，但此时基本呈水状，也就是说分解了将近80%，进入小肠以后继续消化，未消化的物质经大肠排出。
3 研究方向
該文主要研究利用牛胃液的主要成分如何分解秸秆，并使其转化成营养型和可再生利用的液态物质，通过其分解，在剩余的二次残留中（牛粪），如何利用化学方法再次进行分解，来达到剩余物质的二次分解，使其达到最大的利用率，比如说液态营养物质和液态工业原料，并且充分降低其带来的负面影响（二次污染），利用有效的方法达到最大利用率且利于环保的资源再循环[9]。
4 技术路线
在此设想牛胃就像一个成套分解设备一样，经过粉碎—高温—添加剂—发酵—离心—酸酐（酸性氧化物）—残渣（有机化合物）—腐生菌再分解（食用菌生物），这就使得研究人员不得不研究一套设备来效仿牛胃的消化过程，在这个过程中也就是一个化学处理方法。在高温的作用下，使其变为液态水营养物质除去部分木质素及全部半纤维素，实质上是酸催化的自水反应，但pH值控制在1～3。稀酸处理植物纤维素已有大量报道，且符合阿累尼乌斯方程，经过酸值调试、高温处理，半木质素几乎全部水解为单糖（主要为木糖，但也有部分因过度降解转化为乙醛等小分子副产物，但此时纤维素及木质素作为固体残留物不发生变化）。这就像牛的胃消化系统一样，虽然经过消耗吸收，但仍有少部分残留物经大肠排出体外。通过对牛粪的检测，牛粪的主要成分是蛋白和碳水化合物。牛粪含有机质14.5%、氮0.30%～0.45%、磷0.15%～0.25%、钾0.10%～0.15%。牛粪质地细密，水分较多，分解慢，发热量低，牛粪作为种植业有效农家肥具有一定价值[10]。在此研究牛粪的目的是通过其残留物进一步扩展思路，如何继续分解蛋白和碳水化合物以及微量元素。通过研究发现，牛粪主要由腐生真菌组成，腐生真菌主要有白腐菌、褐腐菌及软腐菌，其中软腐菌分解木质素能力较低，褐腐菌只能改变木质结构但不能分解木质素，白腐菌分解木质素能力较强。在这些真菌中，营养物质主要吸收含碳物质最为重要，其次是含氮物质和无机盐，腐生真菌所需要的含碳物质，基本上是有机化合物，牛粪中的纤维素可被有效吸收，剩余残渣中的半纤维素在变成葡萄糖、果糖、半乳糖、木糖等之后，被腐生菌所利用，纤维素全转化成蔗糖、麦芽糖和乳糖，但仍能产生一定的纤维素[11-12]。腐生菌同时需要有效的氮物质（铵态氮、有机态氮、尿素）。蛋白质不能为腐生菌利用，但能利用其分解为氨基酸及肽类。尿素除对培养料发酵有良好的作用外，对形成子实体也是必需的营养物质，钾、钙、磷、镁、硫等矿物质也是腐生菌不可缺少的，很少的钾就能满足其需要。在钙存在时，钾能被有效地吸收。磷是真菌菌丝体发育的重要元素，也证实是牛粪残留物通过酸性腐生菌分解液态氧必需的物质条件。这类似于常见的玉米秸秆的分物分解法，这样一来，研究人员就设想可制造类似于牛胃的设备，充分利用分解再分解的模式进行。
关键词 牛胃提取液；玉米秸秆；液态分解
中图分类号 S216.2 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2013）16-0187-02
玉米秸秆主要成分是纤维素，其中氮、磷、钾含量分别为0.61%、0.21%、2.28%，另外还有少量的其他元素。我国是玉米种植大国，常年种植玉米3 334万hm2，秸秆产量按6～7 t/hm2计算，每年可生产秸秆2.0亿～2.5亿t。据研究分析，玉米秸秆所含消化能量为2 234.256 kJ/kg，是很好的优质饲料。但是我国目前玉米秸秆利用率不高，浪费现象严重[1]。联合国粮农组织在我国考察后认为，中国是秸秆生产第一大国，也是浪费最严重的国家，如果能科学、合理地利用玉米秸秆，对增加农民经济收入和提高社会效益有十分重要的意义。
作为世界玉米秸秆第一生产大国，如何有效利用玉米秸秆成为能源与环境领域争论的热点。在我国，玉米秸秆主要用途有秸秆还田、秸秆饲料化、工业能源化。据最新调查，玉米秸秆合理利用不足总量的1/3，资源浪费十分严重[2-4]。走在田间地头，不难发现秸秆焚化现象比较严重。随着经济发展，环保产业正成为全球的焦点，农业也不例外，作为第四大能源的秸秆将成为主导新型产业。
在秸秆还田过程中，由于秸秆的纤维素含量，木质化程度较高，不易腐烂，造成土地空隙过多、土地不平，影响墒情，以致种子发芽缓慢、出苗率低、抓地不牢、抗倒能力差，最终造成减产，而且玉米秸秆中大量有害物质得不到分解，有利物质也得不到很好的利用[5-6]。在工业生产乙醇过程中，通过对高糖秸秆粉碎进行发酵，产生大量CO2、H、CH4、液态H2O、蛋白质、糖及其他微生物，在此过程中可利用率约70%，剩余的残渣很难分解，不能全部利用，造成二次污染，所以彻底分解玉米秸秆使其有效液态化成为摆在面前的重要课题。彻底分解液化秸秆，来提取其中丧失的营养成分，使秸秆的利用率达到极限，可达到既方便又环保的目的。
1 玉米秸秆的构造与组成
玉米秸秆主要由纤维素、半纤维素、木质素组成，另外还有一些少量微生物[7-8]。玉米秸秆的化学成分主要有水分、灰分、聚戊糖、果胶、蛋白、木素、纤维素。半纤维素主要由木聚糖、甘露聚糖、甘露聚糖、半乳化聚糖，以及这些糖的甲基化、乙酯化单位和醛酸衍生物组成。不同来源的纤维素各种结构单元比例也不同，但分布比较稳定的组成是木糖间以β-1，4糖苷键链接，分支度高。该纤维素在催化剂作用下跟水分解成单糖，木质纤维素中纤维素占（干物质）30%～50%，半纤维素占20%～40%（干物质），木质素占（干物质）20%～30%。目前，分解木质素大多数采用酸沉淀法或碱指法，但分解之后很不彻底，残留物很多。通过对牛羊胃液的提取物分析，研究其胃液所含pH值、活性酶以及其他微量元素的含量。在天然植物中纤维素、半纤维素、木质素等成分都是交联在一起的，单一进行液态化很难分解，研究人员主要解决的问题是纤维素的酸化作用。研究人员了解到牛胃液pH值在1～3，这就为以后酸度设定提供了一个很好的参考，有助于了解秸秆在牛羊的胃液中被综合分解的原因。
2 牛胃及胃液基本情况
牛的胃由4个胃室组成，即瘤胃、蜂巢胃、重瓣胃和皱胃，食物（秸秆）按顺序经过这4个胃室。其中一部分进入重瓣胃前返回到口腔内咀嚼，其过程称之为“反刍”。这4个胃室形成一条直线，而且相互交错存在，其中皱胃称为真胃，真胃内含有酸与酶，能消化部分蛋白质，基本上不能消化脂肪、纤维素或淀粉，但此时基本呈水状，也就是说分解了将近80%，进入小肠以后继续消化，未消化的物质经大肠排出。
3 研究方向
該文主要研究利用牛胃液的主要成分如何分解秸秆，并使其转化成营养型和可再生利用的液态物质，通过其分解，在剩余的二次残留中（牛粪），如何利用化学方法再次进行分解，来达到剩余物质的二次分解，使其达到最大的利用率，比如说液态营养物质和液态工业原料，并且充分降低其带来的负面影响（二次污染），利用有效的方法达到最大利用率且利于环保的资源再循环[9]。
4 技术路线
在此设想牛胃就像一个成套分解设备一样，经过粉碎—高温—添加剂—发酵—离心—酸酐（酸性氧化物）—残渣（有机化合物）—腐生菌再分解（食用菌生物），这就使得研究人员不得不研究一套设备来效仿牛胃的消化过程，在这个过程中也就是一个化学处理方法。在高温的作用下，使其变为液态水营养物质除去部分木质素及全部半纤维素，实质上是酸催化的自水反应，但pH值控制在1～3。稀酸处理植物纤维素已有大量报道，且符合阿累尼乌斯方程，经过酸值调试、高温处理，半木质素几乎全部水解为单糖（主要为木糖，但也有部分因过度降解转化为乙醛等小分子副产物，但此时纤维素及木质素作为固体残留物不发生变化）。这就像牛的胃消化系统一样，虽然经过消耗吸收，但仍有少部分残留物经大肠排出体外。通过对牛粪的检测，牛粪的主要成分是蛋白和碳水化合物。牛粪含有机质14.5%、氮0.30%～0.45%、磷0.15%～0.25%、钾0.10%～0.15%。牛粪质地细密，水分较多，分解慢，发热量低，牛粪作为种植业有效农家肥具有一定价值[10]。在此研究牛粪的目的是通过其残留物进一步扩展思路，如何继续分解蛋白和碳水化合物以及微量元素。通过研究发现，牛粪主要由腐生真菌组成，腐生真菌主要有白腐菌、褐腐菌及软腐菌，其中软腐菌分解木质素能力较低，褐腐菌只能改变木质结构但不能分解木质素，白腐菌分解木质素能力较强。在这些真菌中，营养物质主要吸收含碳物质最为重要，其次是含氮物质和无机盐，腐生真菌所需要的含碳物质，基本上是有机化合物，牛粪中的纤维素可被有效吸收，剩余残渣中的半纤维素在变成葡萄糖、果糖、半乳糖、木糖等之后，被腐生菌所利用，纤维素全转化成蔗糖、麦芽糖和乳糖，但仍能产生一定的纤维素[11-12]。腐生菌同时需要有效的氮物质（铵态氮、有机态氮、尿素）。蛋白质不能为腐生菌利用，但能利用其分解为氨基酸及肽类。尿素除对培养料发酵有良好的作用外，对形成子实体也是必需的营养物质，钾、钙、磷、镁、硫等矿物质也是腐生菌不可缺少的，很少的钾就能满足其需要。在钙存在时，钾能被有效地吸收。磷是真菌菌丝体发育的重要元素，也证实是牛粪残留物通过酸性腐生菌分解液态氧必需的物质条件。这类似于常见的玉米秸秆的分物分解法，这样一来，研究人员就设想可制造类似于牛胃的设备，充分利用分解再分解的模式进行。