[摘要] 纖維素的微觀結(jié)構(gòu)可以從分子水平揭示秸稈的基本組成，解釋植物細(xì)胞壁的破解效果，為提高秸稈利用率提供有效證據(jù)。 本文綜述了纖維素的四級結(jié)構(gòu)及其裂解方法，為秸稈飼料化利用提供理論依據(jù)和指導(dǎo)方法。

　　[關(guān)鍵詞] 秸稈;木質(zhì)纖維素;微觀結(jié)構(gòu);四級結(jié)構(gòu);生物處理

　　1 農(nóng)作物秸稈的主成分及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　1.1 秸稈的主成分 農(nóng)作物秸稈主要由細(xì)胞壁和細(xì)胞內(nèi)容物組成，其中細(xì)胞壁所占比例達(dá) 80%以上(張立霞等，2014)。 秸稈中的細(xì)胞內(nèi)容物幾乎能夠被完全消化，而細(xì)胞壁因含有較多的粗纖維，導(dǎo)致在動物體內(nèi)消化緩慢且不完全。秸稈細(xì)胞壁主要由纖維素、半纖維素及木質(zhì)素組成，具有很高的營養(yǎng)價(jià)值。 三種主要農(nóng)作物秸稈的主要成分見表 1。

　　1.2 農(nóng)作物秸稈細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 農(nóng)作物秸稈細(xì)胞壁是以纖維素微纖的形式作為 “骨架”，其周圍是由半纖維素和具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的木質(zhì)素大分子共同構(gòu)建形成的非水溶性三維立體木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)(Kuijk 等，2015)。 這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致纖維素很難被消化酶或瘤胃液中微生物有效降解(Mette，2005)。

　　1.2.1 木質(zhì)素 木質(zhì)素主要是由苯基丙烷結(jié)構(gòu)單元通過酯鍵、 醚鍵及碳—碳鍵連接而成的高分子化合物，在水解纖維素過程中扮演屏障作用(Himmel 等，2007)。 木質(zhì)素的存在是瘤胃微生物不能有效降解纖維素及半纖維素的主要屏障， 在秸稈細(xì)胞壁中， 纖維素以高度凝聚的結(jié)晶形態(tài)有序的存在，構(gòu)成細(xì)胞壁的骨架結(jié)構(gòu)，纖維素的外圍包被著半纖維素，半纖維素的外層又鏈接著木質(zhì)素，這種結(jié)構(gòu)阻礙了消化酶和纖維素的接觸 (Kuijk 等， 2015;劉盧生等，2012)。細(xì)胞壁如此復(fù)雜的自然結(jié)構(gòu)，形成了秸稈的“抗降解屏障”，以抵抗瘤胃消化液以及酶的降解， 這給木質(zhì)纖維素的飼料化利用造成困難。

　　1.2.2 半纖維素 半纖維素主要是由木糖、 少量阿拉伯糖、 半乳糖或甘露糖等多種類型的單糖構(gòu)成的異質(zhì)多聚體，各單糖之間通過共價(jià)鍵、氫鍵、酯鍵或醚鍵相聯(lián)結(jié)， 因而呈現(xiàn)出復(fù)雜穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)， 水解利用半纖維素往往需要多種酶共同協(xié)作，如木聚糖酶、甘露聚糖酶等(郭翰林，2012)。

　　2 木質(zhì)纖維素空間結(jié)構(gòu)的破解與利用

　　木質(zhì)纖維素原料是由不同結(jié)構(gòu)的碳水化合物構(gòu)成的有機(jī)大分子物質(zhì)，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，作為動物飼料資源，必須破解碳鏈結(jié)構(gòu)，將大分子物質(zhì)降解為可以被動物瘤胃微生物及消化酶降解的單糖、雙糖和氨基酸等小分子物質(zhì)， 從而提高秸稈的營養(yǎng)價(jià)值和適口性(張文杰等，2012)。國內(nèi)外對于木質(zhì)素的微觀結(jié)構(gòu)及其裂解技術(shù)進(jìn)行了大量研究， 旨在從微觀結(jié)構(gòu)的角度找到提高木質(zhì)纖維素利用的方法， 以提高秸稈等高纖維資源的利用率。目前，較為可行的破壁技術(shù)包括物理法、化學(xué)法及生物法。

　　2.1 物理處理 物理方法處理木質(zhì)纖維素可以提高其降解率。 Sarkar 等(2012)研究報(bào)道，利用物理處理包括粉碎、軟化、爆破、顆粒化技術(shù)等，可有效降低纖維素的結(jié)晶度，增加比表面積，降低顆粒大小， 使得原料與消化過程中的消化酶接觸面更廣，有利于纖維素降解率的提高。鄧華等(2010)發(fā)現(xiàn)對玉米秸稈進(jìn)行微波處理后，其纖維表面粗糙，具有很多孔洞，比表面積顯著增加，有利于與消化液充分接觸。但是 Sarnklong 等(2010)發(fā)現(xiàn)單一物理處理方法并不能減少木質(zhì)素及半纖維素含量。機(jī)械粉碎是秸稈作為飼料使用所需要的前處理過程。在農(nóng)業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)過程中，物理處理的方式有很多，其利用效果與處理后顆粒的大小有關(guān)，因?yàn)樯婕暗脚c消化液的混合(Mosier 等，2005)。

　　2.2 化學(xué) 處 理 化 學(xué) 處 理 主 要 包 括 酸 化 處 理、堿化處理，其能破壞秸稈的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而破壞纖 維素中不同的化學(xué)鍵， 以 降低纖維素 的聚合度 和結(jié)晶度。 Ghasemi 等(2013)利用 5%濃度的 酸處理水稻秸稈， 分析發(fā) 現(xiàn)其結(jié)晶 度相比未處 理的水稻秸稈呈現(xiàn)明顯降低趨勢， 而 用 11%濃度的酸處理水稻 秸稈， 結(jié)晶度 反而增加。 鄭 明霞等(2012)利用 堿 液 處 理 玉 米 秸 稈，通 過 傅 立 葉 變換紅外光譜(FTIR)和 X 射線衍射光譜(XRD)分析發(fā)現(xiàn)， 處理后 的秸稈細(xì)胞 壁中纖維素 的形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化，部分 分子間氫鍵 斷裂，部分酯鍵消失，隨著堿用量的 增加，纖維素 結(jié)構(gòu)被破壞的程度越大，纖維素的結(jié)晶度增大。 唐洪濤等(2012)研究表明，經(jīng) γ 射線輻照與 NaOH 溶液協(xié)同處理后 的玉米秸稈， 脆性更大， 更 易于粉碎，纖 維素一級、二 級 結(jié) 構(gòu) 都 有 所 降 解，其 FTIR 光譜 圖 1162 cm-1 波數(shù) 的 C—O—C 伸縮 振 動 吸收峰振動強(qiáng)度，其斷裂意味 著聚合度的 降低，且結(jié)晶度顯著提高，比表面積 增加，木質(zhì)素 含量降低。 這種方法使木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)變化，纖維素去結(jié)晶化，木質(zhì)素和糖鏈之 間的鍵斷裂，半纖維素和木質(zhì)素被部分去除(Kuijk 等，2015)，不僅有利于纖維素比 面積增加， 而 且能避免發(fā) 酵抑制物的 產(chǎn) 生(Hendriks 和 Zeeman，2009)。 通 常，用 化學(xué)方法處理秸稈 等粗飼料， 可 以有效提高 其營養(yǎng)物質(zhì)的利用率，然而實(shí)際用 于飼用秸稈 處理，不僅存在化學(xué)污染， 還易對動 物瘤胃微生 物產(chǎn)生不利影響(Chaturvedi 和 Verma，2013)。

　　3 小結(jié)

　　隨著人們對秸稈纖維素結(jié)構(gòu)認(rèn)識的逐漸深入，研究方法不斷改進(jìn)， 為碳鏈裂解提供了一定依據(jù)。目前，大量的研究主要集中在通過添加真菌處理秸稈以提高秸稈飼料的消化利用率，但研究結(jié)果差異很大，而且高效的粗飼料加工工藝也鮮有報(bào)道。 在秸稈處理過程中，秸稈纖維素的結(jié)構(gòu)表征會隨之變化， 這種變化可有效表明秸稈細(xì)胞壁的破環(huán)程度。然而，這些研究在家畜營養(yǎng)方面少有報(bào)道，如果能詳細(xì)闡明在生物處理過程中，農(nóng)作物秸稈木質(zhì)纖維素微觀結(jié)構(gòu)的降解變化，將有助于對秸稈飼料的破壁技術(shù)和碳鏈生物解碼技術(shù)的理解和改進(jìn)，從而開發(fā)出高效的新工藝以促進(jìn)作物秸稈的飼料化，為草食家畜的飼養(yǎng)提供充足的粗飼料資源。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 崔美，黃仁亮，蘇榮欣，等.木質(zhì)纖維素新型預(yù)處理與頑抗特性[J].化工學(xué)報(bào)，2012，63(3)：677 ～ 687.

　　[2] 鄧華，李淳，曾秋苑，等.微波輻射下秸稈纖維微觀結(jié)構(gòu)的變化[J].分析測試學(xué)報(bào)，2010，29(4)：336 ～ 340.

　　《秸稈木質(zhì)纖維素微觀結(jié)構(gòu)及其裂解方法》來源：《中國飼料》，作者：王玉榮 ， 陶 蓮 ，許貴善，石長青，刁其玉 。