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

　　[關鍵詞] 秸稈;木質纖維素;微觀結構;四級結構;生物處理

　　1 農作物秸稈的主成分及結構特點

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

　　1.2 農作物秸稈細胞壁的結構特點 農作物秸稈細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狀結構的木質素大分子共同構建形成的非水溶性三維立體木質纖維素結構(Kuijk 等，2015)。 這種復雜的結構導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 木質素 木質素主要是由苯基丙烷結構單元通過酯鍵、 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， 在秸稈細胞壁中， 纖維素以高度凝聚的結晶形態有序的存在，構成細胞壁的骨架結構，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素，這種結構阻礙了消化酶和纖維素的接觸 (Kuijk 等， 2015;劉盧生等，2012)。細胞壁如此復雜的自然結構，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成的異質多聚體，各單糖之間通過共價鍵、氫鍵、酯鍵或醚鍵相聯結， 因而呈現出復雜穩定的化學結構， 水解利用半纖維素往往需要多種酶共同協作，如木聚糖酶、甘露聚糖酶等(郭翰林，2012)。

　　2 木質纖維素空間結構的破解與利用

　　木質纖維素原料是由不同結構的碳水化合物構成的有機大分子物質，且結構復雜，作為動物飼料資源，必須破解碳鏈結構，將大分子物質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， 從而提高秸稈的營養價值和適口性(張文杰等，2012)。國內外對于木質素的微觀結構及其裂解技術進行了大量研究， 旨在從微觀結構的角度找到提高木質纖維素利用的方法， 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包括物理法、化學法及生物法。

　　2.1 物理處理 物理方法處理木質纖維素可以提高其降解率。 Sarkar 等(2012)研究報道，利用物理處理包括粉碎、軟化、爆破、顆粒化技術等，可有效降低纖維素的結晶度，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)發現對玉米秸稈進行微波處理后，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)發現單一物理處理方法并不能減少木質素及半纖維素含量。機械粉碎是秸稈作為飼料使用所需要的前處理過程。在農業的實際生產過程中，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，因為涉及到與消化液的混合(Mosier 等，2005)。

　　2.2 化學 處 理 化 學 處 理 主 要 包 括 酸 化 處 理、堿化處理，其能破壞秸稈的結構，進而破壞纖 維素中不同的化學鍵， 以 降低纖維素 的聚合度 和結晶度。 Ghasemi 等(2013)利用 5%濃度的 酸處理水稻秸稈， 分析發 現其結晶 度相比未處 理的水稻秸稈呈現明顯降低趨勢， 而 用 11%濃度的酸處理水稻 秸稈， 結晶度 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)分析發現， 處理后 的秸稈細胞 壁中纖維素 的形態結構發生了很大變化，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 結構被破壞的程度越大，纖維素的結晶度增大。 唐洪濤等(2012)研究表明，經 γ 射線輻照與 NaOH 溶液協同處理后 的玉米秸稈， 脆性更大， 更 易于粉碎，纖 維素一級、二 級 結 構 都 有 所 降 解，其 FTIR 光譜 圖 1162 cm-1 波數 的 C—O—C 伸縮 振 動 吸收峰振動強度，其斷裂意味 著聚合度的 降低，且結晶度顯著提高，比表面積 增加，木質素 含量降低。 這種方法使木質纖維素結構變化，纖維素去結晶化，木質素和糖鏈之 間的鍵斷裂，半纖維素和木質素被部分去除(Kuijk 等，2015)，不僅有利于纖維素比 面積增加， 而 且能避免發 酵抑制物的 產 生(Hendriks 和 Zeeman，2009)。 通 常，用 化學方法處理秸稈 等粗飼料， 可 以有效提高 其營養物質的利用率，然而實際用 于飼用秸稈 處理，不僅存在化學污染， 還易對動 物瘤胃微生 物產生不利影響(Chaturvedi 和 Verma，2013)。

　　3 小結

　　隨著人們對秸稈纖維素結構認識的逐漸深入，研究方法不斷改進， 為碳鏈裂解提供了一定依據。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，但研究結果差異很大，而且高效的粗飼料加工工藝也鮮有報道。 在秸稈處理過程中，秸稈纖維素的結構表征會隨之變化， 這種變化可有效表明秸稈細胞壁的破環程度。然而，這些研究在家畜營養方面少有報道，如果能詳細闡明在生物處理過程中，農作物秸稈木質纖維素微觀結構的降解變化，將有助于對秸稈飼料的破壁技術和碳鏈生物解碼技術的理解和改進，從而開發出高效的新工藝以促進作物秸稈的飼料化，為草食家畜的飼養提供充足的粗飼料資源。

　　參考文獻

　　[1] 崔美，黃仁亮，蘇榮欣，等.木質纖維素新型預處理與頑抗特性[J].化工學報，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構的變化[J].分析測試學報，2010，29(4)：336 ～ 340.

　　《秸稈木質纖維素微觀結構及其裂解方法》來源：《中國飼料》，作者：王玉榮 ， 陶 蓮 ，許貴善，石長青，刁其玉 。