[摘要] 纤维素的微观结构可以从分子水平揭示秸秆的基本组成，解释植物细胞壁的破解效果，为提高秸秆利用率提供有效证据。 本文综述了纤维素的四级结构及其裂解方法，为秸秆饲料化利用提供理论依据和指导方法。
[关键词] 秸秆;木质纤维素;微观结构;四级结构;生物处理
1 农作物秸秆的主成分及结构特点
1.1 秸秆的主成分 农作物秸秆主要由细胞壁和细胞内容物组成，其中细胞壁所占比例达 80%以上(张立霞等，2014)。 秸秆中的细胞内容物几乎能够被完全消化，而细胞壁因含有较多的粗纤维，导致在动物体内消化缓慢且不完全。秸秆细胞壁主要由纤维素、半纤维素及木质素组成，具有很高的营养价值。 三种主要农作物秸秆的主要成分见表 1。
1.2 农作物秸秆细胞壁的结构特点 农作物秸秆细胞壁是以纤维素微纤的形式作为 “骨架”，其周围是由半纤维素和具有三维网状结构的木质素大分子共同构建形成的非水溶性三维立体木质纤维素结构(Kuijk 等，2015)。 这种复杂的结构导致纤维素很难被消化酶或瘤胃液中微生物有效降解(Mette，2005)。
1.2.1 木质素 木质素主要是由苯基丙烷结构单元通过酯键、 醚键及碳—碳键连接而成的高分子化合物，在水解纤维素过程中扮演屏障作用(Himmel 等，2007)。 木质素的存在是瘤胃微生物不能有效降解纤维素及半纤维素的主要屏障， 在秸秆细胞壁中， 纤维素以高度凝聚的结晶形态有序的存在，构成细胞壁的骨架结构，纤维素的外围包被着半纤维素，半纤维素的外层又链接着木质素，这种结构阻碍了消化酶和纤维素的接触 (Kuijk 等， 2015;刘卢生等，2012)。细胞壁如此复杂的自然结构，形成了秸秆的“抗降解屏障”，以抵抗瘤胃消化液以及酶的降解， 这给木质纤维素的饲料化利用造成困难。
1.2.2 半纤维素 半纤维素主要是由木糖、 少量阿拉伯糖、 半乳糖或甘露糖等多种类型的单糖构成的异质多聚体，各单糖之间通过共价键、氢键、酯键或醚键相联结， 因而呈现出复杂稳定的化学结构， 水解利用半纤维素往往需要多种酶共同协作，如木聚糖酶、甘露聚糖酶等(郭翰林，2012)。
2 木质纤维素空间结构的破解与利用
木质纤维素原料是由不同结构的碳水化合物构成的有机大分子物质，且结构复杂，作为动物饲料资源，必须破解碳链结构，将大分子物质降解为可以被动物瘤胃微生物及消化酶降解的单糖、双糖和氨基酸等小分子物质， 从而提高秸秆的营养价值和适口性(张文杰等，2012)。国内外对于木质素的微观结构及其裂解技术进行了大量研究， 旨在从微观结构的角度找到提高木质纤维素利用的方法， 以提高秸秆等高纤维资源的利用率。目前，较为可行的破壁技术包括物理法、化学法及生物法。
2.1 物理处理 物理方法处理木质纤维素可以提高其降解率。 Sarkar 等(2012)研究报道，利用物理处理包括粉碎、软化、爆破、颗粒化技术等，可有效降低纤维素的结晶度，增加比表面积，降低颗粒大小， 使得原料与消化过程中的消化酶接触面更广，有利于纤维素降解率的提高。邓华等(2010)发现对玉米秸秆进行微波处理后，其纤维表面粗糙，具有很多孔洞，比表面积显著增加，有利于与消化液充分接触。但是 Sarnklong 等(2010)发现单一物理处理方法并不能减少木质素及半纤维素含量。机械粉碎是秸秆作为饲料使用所需要的前处理过程。在农业的实际生产过程中，物理处理的方式有很多，其利用效果与处理后颗粒的大小有关，因为涉及到与消化液的混合(Mosier 等，2005)。
2.2 化学 处 理 化 学 处 理 主 要 包 括 酸 化 处 理、碱化处理，其能破坏秸秆的结构，进而破坏纤 维素中不同的化学键， 以 降低纤维素 的聚合度 和结晶度。 Ghasemi 等(2013)利用 5%浓度的 酸处理水稻秸秆， 分析发 现其结晶 度相比未处 理的水稻秸秆呈现明显降低趋势， 而 用 11%浓度的酸处理水稻 秸秆， 结晶度 反而增加。 郑 明霞等(2012)利用 碱 液 处 理 玉 米 秸 秆，通 过 傅 立 叶 变换红外光谱(FTIR)和 X 射线衍射光谱(XRD)分析发现， 处理后 的秸秆细胞 壁中纤维素 的形态结构发生了很大变化，部分 分子间氢键 断裂，部分酯键消失，随着碱用量的 增加，纤维素 结构被破坏的程度越大，纤维素的结晶度增大。 唐洪涛等(2012)研究表明，经 γ 射线辐照与 NaOH 溶液协同处理后 的玉米秸秆， 脆性更大， 更 易于粉碎，纤 维素一级、二 级 结 构 都 有 所 降 解，其 FTIR 光谱 图 1162 cm-1 波数 的 C—O—C 伸缩 振 动 吸收峰振动强度，其断裂意味 着聚合度的 降低，且结晶度显著提高，比表面积 增加，木质素 含量降低。 这种方法使木质纤维素结构变化，纤维素去结晶化，木质素和糖链之 间的键断裂，半纤维素和木质素被部分去除(Kuijk 等，2015)，不仅有利于纤维素比 面积增加， 而 且能避免发 酵抑制物的 产 生(Hendriks 和 Zeeman，2009)。 通 常，用 化学方法处理秸秆 等粗饲料， 可 以有效提高 其营养物质的利用率，然而实际用 于饲用秸秆 处理，不仅存在化学污染， 还易对动 物瘤胃微生 物产生不利影响(Chaturvedi 和 Verma，2013)。
3 小结
随着人们对秸秆纤维素结构认识的逐渐深入，研究方法不断改进， 为碳链裂解提供了一定依据。目前，大量的研究主要集中在通过添加真菌处理秸秆以提高秸秆饲料的消化利用率，但研究结果差异很大，而且高效的粗饲料加工工艺也鲜有报道。 在秸秆处理过程中，秸秆纤维素的结构表征会随之变化， 这种变化可有效表明秸秆细胞壁的破环程度。然而，这些研究在家畜营养方面少有报道，如果能详细阐明在生物处理过程中，农作物秸秆木质纤维素微观结构的降解变化，将有助于对秸秆饲料的破壁技术和碳链生物解码技术的理解和改进，从而开发出高效的新工艺以促进作物秸秆的饲料化，为草食家畜的饲养提供充足的粗饲料资源。
参考文献
[1] 崔美，黄仁亮，苏荣欣，等.木质纤维素新型预处理与顽抗特性[J].化工学报，2012，63(3)：677 ～ 687.
[2] 邓华，李淳，曾秋苑，等.微波辐射下秸秆纤维微观结构的变化[J].分析测试学报，2010，29(4)：336 ～ 340.
《秸秆木质纤维素微观结构及其裂解方法》来源：《中国饲料》，作者：王玉荣 ， 陶 莲 ，许贵善，石长青，刁其玉 。
