时间：2023-05-30 09:35:53
关键词：纳米纤维素；制备；粒径；形貌分析；性能表征
目前，纳米纤维素的原料来源众多，可通过物理、化学、生物等多种方式制成得到[1-2]，文章中纳米纤维素是采用硫酸水解微晶纤维（MCC）的方法制成，微晶纤维素的长度大于1？滋m，它是由纤维素晶须聚集成的，纤维素晶须是纤维素在经过酸解和超声处理后不定形区断裂产生的一种棒状材料，在干燥时纤维素晶须之间的氢键会相互作用使之聚集就形成了微晶纤维素[3-6]。
采用一定量的微晶纤维素缓缓放入浓度为56%的硫酸溶液中，进行热水浴处理，直到微晶纤维刚好全部水解在硫酸中，用离心机进行离心洗涤，得到的溶液装入透析袋中透析2-3天，然后使用超声波破碎仪将纤维素颗粒变小，最后冷冻干燥得到纳米纤维素固体粉末状颗粒，对得出的样品进行粒径分析与形貌分析。研究纳米纤维素的微观特征。
1 实验原料与仪器
1.1 实验原料
MCC（微晶纤维素），柱层析97%（上海金穗生物科技有限公司）；硫酸，分析纯98%（南京化学试剂有限公司）；25L蒸馏水（自制）
1.2 实验仪器
数显三用恒温水箱，HH-600（金坛市国旺实验仪器厂）；离心机，TDL-40B（上海安亭科学仪器厂）；超声破碎仪，BILON-500（上海比郎仪器有限公司）；冷冻干燥机，LGJ-10C（北京四环科学仪器厂）；激光粒度分析仪，Winer2005（济南微纳仪器有限公司）；电热恒温鼓风干燥箱，DHG-9523A（上海精宏实验设备有限公司）；热场发射扫描电子显微镜，JSM-7600F（日本电子株式会社）
2 制备纳米纤维素步骤
2.1 酸处理
称取4份10gMCC，量取4份100ml的浓度为56%的浓硫酸，将MCC缓缓放入硫酸中，加入MCC的同时要不断震荡锥形瓶中的硫酸，防止MCC在里面结块，导致后面不易水解，然后进行热水浴处理，水浴温度设置为40℃，水浴时间50min-60min，直到刚好MCC全部水解。
2.2 洗涤
把酸处理后的样品用蒸馏水洗涤。把酸处理后的4瓶锥形瓶里的溶液分别均匀倒入8支离心管中，使得每瓶支离心管里溶液高度相同，然后用电子天平称取每只离心管的质量，质量相差在1g以内的两只离心管放在离心机的对角线位置，重量相差较大的可以在离心管加入适量的蒸馏水，最终使相差值都在1g以内。将离心管在离心机里的位置摆放好以后，以400r/min的转速离心3-5min，然后取出倒掉上清液，加入蒸馏水洗涤，摇晃均匀，称取重量，再离心，以此重复4-5次，直到上清液有白色悬浮，溶液不再分层为止。
2.3 透析
洗涤后的样品里还残留酸根离子，所以要把样品进行透析去除其余的酸根离子。把样品装入透析袋浸泡在蒸馏水中，每天换1-2次水，换水之前都要用PH试纸测试酸碱度，透析2-3天，直到PH试纸颜色不再发生变化。
2.4 超声
把洗涤后的样品取250ml，然后使用超声波破碎仪对其进行超声处理，以80%的功率处理3h，超声1.5s，间隙1.5s。
硫酸处理的样品再经高能超声波处理后，会变的稍微透明一些，经超声波处理后，纤维素的尺寸明显变小，本实验超声时间比较长，得到的颗粒也较小，即得到纳米级的纤维素。
2.5 冷冻干燥
把超声处理后的样品进行冷冻干燥，四环冻干机的操作步骤是，先将主机与真空泵连接，将真空泵油注入真空泵，到油面达到或略超过视镜中线；将装有物料的托盘放置于物料架上，置物料温度传感器于物料适当位置，连接好传感器接头，物料放入冷阱中，盖上冷阱盖板，打开总电源开关；打开总电源，进入浏览实验数据屏后按真空计键，液晶屏进入运行控制屏，按压缩机键，压缩机运转，物料预冻开始；预冻结束后，将放水放气阀紧，准备冻干室，按真空泵键，真空泵工作，按真空计开关，真空显示在液晶屏上，冻干机开始工作；顺时针旋转有机玻璃上的操作杆，直到三层瓶塞均被压紧为止。之后，逆时针旋转操作杆，使托盘位置复原，为下一步取出托盘做准备，最后结束后关机。
为了加速冷冻干燥过程，可在前一天把样品放在冰箱冷冻层进行冷冻，第二天直接把冻好的样品放在冷冻干燥机的真空罩内。把样品与冷冻到-30℃时再抽真空冷冻干燥，直到样品中的水份蒸发完全，最后得到纳米纤维素的粉末状固体。
3 纳米纤维素性能表征
3.1 固含量分析
固含量是乳液或涂料在规定条件下烘干后剩余部分占总量的质量百分数，是不挥发份含量，本实验使用电子天平和电热恒温鼓风干燥箱测出了纳米纤维素水溶液的固含量。
3.2 粒径分析
本实验使用了Winner2005型号的激光粒度分析仪测试纳米纤维素溶液，以了解制备的NCC是否达到纳米级别。
3.3 形貌分析
本实验使用了JSM-7600F型号的热场发射扫描电镜来观察纳米纤维素的微观形态。
4 结果与讨论
4.1 固含量分析
NCC在放入烘箱前的状态是白色胶体，等待水分蒸发干净后，NCC呈现的是淡黄色晶体颗粒。本实验制备的纳米纤维素溶液的固含量是1.7%，NCC的干燥后制得量本来就比较少，固含量比较低，但属于正常范围内。
4.2 激光粒度分析仪的粒径分析
实验原料是溶液状态下的纳米纤维素，分别进行了2次粒度测试，测试数据如图1和图2所示：
同一样品的粒径测试结果基本一致。测量样品浓度为1.012mol/L，平均直径是777nm，样品粒径基本小于5μm，其中小于1μm的占78.664%，图1显示了粒径的分布范围，样品的粒径大概分布在70nm-1200nm之间，高峰是800nm。测量样品浓度是0.693mol/L，平均直径是556nm，样品粒径基本小于2.554μm，其中小于1μm的占87.474%，图2显示了第二次测粒径的分布范围，大概分布在70nm-1500nm之间，高峰是900nm。
两组数据都显示了超声过后的纳米纤维素粒径基本达到纳米级别，采用硫酸水解微晶纤维法制备纳米纤维素，成功的将微晶纤维的长度降到纳米级。
4.3 热场发射扫描电子显微镜的形貌分析
如图3所示，分别是纳米纤维素在放大30000倍、50000倍、80000倍条件下的情况，热场发射扫描电镜观察样品必须是绝干的，所以样品是进行冷冻干燥后的，干燥后的纳米纤维素会发生团聚，由于纳米纤维素巨大的比表面积和丰富的表面羟基的存在，使其在干燥过程中产生分子内和分子间氢键键合[7-9]，造成干燥后的纳米纤维素不是以分散的纤维素分子形式存在，而是聚集在一起，形成交织的网状结构“纳米纸”。纳米纤维素是呈棒状形态均匀的聚集在一起。
5 结束语
（1）NCC制备过程中，采用酸处理1小时、水浴40℃，离心洗涤4-5次，转速400r/min，每次3-4min，透析2-3天，超声处理3小时可以得到符合需求的样品溶液。（2）制得NCC水溶液的固含量为1.70%。（3）冷冻干燥后NCC固体得出量低。（4）激光粒度分析仪的测试结果显示制得样品的粒径在70nm-1500nm之间。（5）热场发射扫描电子显微镜的测试结果显示干燥后的纳米纤维素在微观下呈长棒状形态，且均匀团聚在一起。
参考文献
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微晶纤维素是一种极细微的白色粉末状物质,在显微镜下观测,呈各向异性的纺锤状聚集体———颗粒束状物,其颗粒大小一般在20~80μm,极限聚合度(LODP)在15~375,它无臭、无味、不溶于水、稀酸、有机溶剂和油脂,具有极强的流动性,在稀碱溶液中部分溶解、润胀。这一特定产物主要有3个基本特性[1]:(1)平均聚合度达到极限聚合度值;(2)具有纤维素I的晶格特征,结晶度高于原纤维素;(3)具有极强的吸水性,并且在水介质中经强剪切力作用后,具有生成凝胶体的能力。由此可知,通常所称水解纤维素是各类降解纤维素混合产物的总称,而微晶纤维素只限于具有上述3个特性的水解纤维素。这3个特性即是衡量与检验微晶纤维素的唯一标准,也是区分其与水解纤维素的主要标准。微晶纤维素的理化性质主要表现在结晶度、聚合度、形态结构、吸水值、比表面积及反应性能等方面。
1•1结晶度
结晶度是指结晶区占纤维素整体的百分率,是微晶纤维素的一个重要指标,表明结晶的结构状态,并决定产品质量与用途。结晶度的大小对纤维素纤维的尺寸稳定性和密度等都有影响,其常规测量方法为X-射线衍射法和红外光谱法。利用X-射线衍射法测定各种微晶纤维素样品可知,微晶纤维素都保留有纤维素I的结晶,且所有微晶纤维素的结晶度与晶体大小均高于原纤维素,有研究表明[2],不同原料及不同水解方式得到的产品的结晶度差异较大,且不同测定方法也影响结晶度的大小,但通常结晶度在0•68~0•80变动[3]。
1•2聚合度
聚合度是指纤维素中重复的葡萄糖结构单元的数目。纤维素原料在酸解过程中,纤维素分子中的β-1,4葡萄糖苷键断裂,微晶纤维素是当聚合度下降到趋于平衡时所得产品,此时聚合度称为平衡聚合度(LODP)。它反映的是折叠在纤维素微原纤颗粒内部的纤维素分子链的长度。聚合度的测定较常用的是以毛细管黏度计和落球式黏度计为主的黏度法,通常用铜氨,铜乙二胺和镉乙二胺溶液作为溶剂。由表1得知,不同原料水解得到的MCC的聚合度差别较大,但所得微晶纤维素的LODP主要在15~37。微晶纤维素作为纤维素的降解产物,它的聚合度分布也是一项重要的指标。聚合度分布的测定常采用分级溶解、分级沉淀和凝胶渗透色谱等方法。哈丽丹•买买提等[5]采用饱和氢氧化铜乙二胺———乌氏黏度计法来测定植物纤维素的聚合度。
1•3形态结构
微晶纤维素的形态结构主要由粒度与不均匀性2个指标决定;而容重与粒度密切相关则作为间接指标表明微晶纤维素的形态结构。天然纤维素经水解反应和机械作用后,纤维形态发生了根本变化,由原先交织成网絮状的细长纤维,变成了纺锤形的颗粒状物料。粒度是标志物料大小的指标,只能说明一般宏观状况,而不能表明颗粒大小的均匀程度,与其相配合使用的是数均长度(Ln)和长均长度(Le),由此而得到不均性U=(Le/Ln-1),用以表征颗粒的均匀性如何。微晶纤维素的Ln和Le一般在几十至100多微米不等,不均性则因不同种类可在0•2~0•5之间变动[6]。另外,与粒度密切相关的一个指标是容重,这是相互影响而又相互制约的一对指标,主要嵌定于原料种类、水解条件和机械作用程度。其中如果水解和机械作用较强烈,微晶纤维素颗粒较细小,则容重增大;反之,如果水解与机械作用较弱,微晶纤维素颗粒较粗大,则容重减小。因此,根据产品对粒度与容重质量要求,对制备的工艺条件作出调整和设计,生产出符合应用需要的产品[7]。
1•4吸水值
吸水值是微晶纤维素在水中润胀程度的标志。在吸水性能方面微晶纤维素表现出较大的吸水值。颗粒的大孔体积对吸水值影响最大,大孔体积越多,吸水值就越大,而与粒径无关,这主要是因为在大孔中保留有大量的粒子间结合水,在测定吸水值部分结合水起了决定性的作用。而不同种类及不同浓度的微晶纤维素吸水值都有所不同,但都有一个极限值所对应的浓度,极限值一般都在200%以上。微晶纤维素在水中形成凝胶时,凝胶中有2种形式的水分存在,一部分为游离水,一部分为结合水,并且两者之间迅速交换[8],这就为保持微晶纤维素凝胶稳定性提供了依据。
1•5比表面积
比表面积是指单位质量颗粒状物质的总面积,是评价多孔物质性能的重要参数之一。微晶纤维素的比表面积可根据N2吸附和水蒸气吸附的BET法测定。在水蒸气吸附时,由于氢键力较弱,当微晶纤维素浸没在水中时,氢键极易被破坏,所以用不同方法和不同处理方式得到的比表面积不相等。由N2吸附法直接得到的是有效面积,而由水蒸气吸附法得到的是内在表面积。其中以N2吸附时还采用溶剂置换,而水蒸气吸附法测得的比表面积与无定形区的含量成正比。
1•6化学反应性能
微晶纤维素是纤维素水解而来的产品,故与纤维素在化学反应特性上表现出一些类似的特征,而且由于其表面多孔,结构疏松,进行化学反应时试剂容易渗入,因而大大提高了反应的均一性,可以得到性质优异的产品,一些用普通纤维素反应不易得到的产品用微晶纤维素反应则可得到。微晶纤维素不溶于水、稀酸、有机溶剂和油脂,在稀碱溶液中部分溶解、润胀。但与一般溶解浆相比,虽然微晶纤维素有较高的结晶度,但在羧甲基化、乙酰化、酯化过程中,却反应出具有较高的反应性能,在机械性能、可燃性,尤其是溶解性方面的改变,使其应用性能大大增加[9]。在生产中,能够卓有成效地降低原材料消耗,并能在较小和较缓和条件下完成反应过程。微晶纤维素良好的反应性能,为微晶纤维素的化学改性和应用方面的开发提供了良好的依据,也为实现其经济效益提供了依据。
2微晶纤维素在食品工业中的应用
微晶纤维素作为天然纤维素的水解产物,天然纯净,无毒无味,安全性高,具有独特的理化性质,且不影响产品的质量,因而,越来越受到人们的重视,目前,微晶纤维素已广泛用于食品、医药、化工、农业等生产部门,并表现出良好的应用价值。而在食品工业中,由于它具有特殊的理化特性而主要作为乳化剂、泡沫稳定剂、高温稳定剂、非营养性充填物、增稠剂、悬浮剂、保形剂和控制冰晶形成剂等应用于食品工业的各个方面,用于提高产品质量。
2•1微晶纤维素在乳制品中的应用
在乳制品中,常常要悬浮稳定一些不溶性的物质,如可可粉,不溶性矿物质,乳脂等,由于这些物质的密度大于体系中分散介质的密度,或者在乳化液中不能均匀分散,使得产品在加工过程和货架期中,往往会出现分层和沉淀现象。微晶纤维素粒子被分散在乳化液中,使油-水乳化液中的水相被增稠和胶化,从而防止油滴彼此间靠近乃至聚合。微晶纤维素经高剪切力分散后,与水以氢键形成有效的三维网络结构,可防止不溶性颗粒的沉降,及防止脂肪颗粒重聚而达到稳定的效果。同时微晶纤维素具有剪切稀变性,不会导致产品产生粘连糊口的感觉。微晶纤维素在乳制品中不会和乳蛋白发生缔合,可与其他稳定剂复配用于高钙奶、乳饮料和可可奶中,形成热稳定的网络,在低黏度下起到悬浮稳定的作用。刘娟等[10]人将微晶纤维素与卡拉胶复配使用加入到长货架期的可可奶中,结果表明微晶纤维素与卡拉胶的复配比例为:微晶纤维素为1•5g/L,卡拉胶为0•2g/L时产品的稳定较好,能达到保质6个月的要求,且按上述比例复配的产品稠度适中,口感爽滑。其中应注意微晶纤维素在分散过程中原料加入顺序并且要保证合适的剪切速率。陈桂梅等[11]为解决甜玉米乳饮料在生产和贮藏过程中出现的蛋白质和其他固体微粒聚沉和脂肪上浮、分层等现象,将微晶纤维素与其他稳定剂复配使用,提高甜玉米乳饮料的稳定性,其得出的最佳复配比例中微晶纤维素的添加量为0•2%时,甜玉米乳饮料在常温下贮藏3个月内无明显析水、分层或沉淀现象,状态较均匀,保藏效果良好。有研究表明,在添加有酸奶酪的乳制品中,由于酸奶酪的pH值低,容易引起乳制品中固体组分凝固,使乳清从混合物中分离出来,造成产品发生分层现象,影响产品品质,而向其中加入一定量的微晶纤维素,可以有效的保证乳制品的稳定性,防止分层现象的发生。
2•2微晶纤维素在低能量食品中的应用
由于微晶纤维素是由纤维素水解得到的,所以具有不被人体消化吸收,可以促进肠道的蠕动的特性,是一种很好的低能食品添加剂。微晶纤维素可替代面粉、糖等高热量物料应用于低能糖果和减肥食品中。还可在生产沙拉油、糊精调味品、鱼、肉罐头和乳制品时添加一定量的微晶纤维素,不仅使产品的能量降低了,还使得生产出的产品有较好的外观,口感及风味。微晶纤维素和蛋白质以酪蛋白做胶囊,用于奶酪、奶酪饼、蛋黄酱中作为脂肪替代物,可减少食品中的脂肪含量;在杏仁糖中加入一定量的阿拉伯胶、微晶纤维素和少量甜味剂就可以取代高热量的甜菜糖、玉米糖浆和植物油脂。纪丽莲[12]在干酪中加入一定量的微晶纤维素,研究了其对干酪品质的影响。结果表明,含微晶纤维和卡拉胶的低脂干酪在脂肪减少67%时,其水分、蛋白质的含量明显增加,且组织状态柔软、滑润、弹性足、风味清香,在电子扫描下观察内部呈多孔状结构,与全脂奶酪相似。另外在制作各种烹调油质调味料时,添加一定量的微晶纤维素不仅有减少其能量的作用,还可防止加热或煮沸时油脂与调味汁分离。涂瑾等[13]将木杉微晶纤维素添加到面包中制成低能保健食品,研究了杉木微晶纤维素的添加量对面包质量的影响。其结果表明,杉木微晶纤维素的添加量在0•1%~0•3%时能制备到色、香、味,及组织结构及口感都令人满意的面包,不仅降低了面包的热量还增加了其纤维量,使面包具有一定的营养保健功能,并且进一步延长了面包的货架期,是一种值得进一步研究的保健食品。
2•3微晶纤维素在冷冻食品中的应用
微晶纤维素应用于冷冻食品中不仅可提高冷冻食品的发泡稳定性和乳化性,还可以有效的防止冰晶的长大,使得冷冻食品具有细滑绵软的口感。冷冻食品在反复冻融过程中会导致较大冰晶的形成而影响产品的外观及口感,向其中添加一定量的微晶纤维素后不仅提高配料的分散性和稳定性还可有效的控制冰晶颗粒在频繁的冻融过程中聚集在一起形成大的晶体。由于微晶纤维素本身不能形成凝胶,而与其他胶体配合使用时具有较好的冷热稳定性,也适用于提高冷冻食品的外观及口感。国外有研究表明,将微晶纤维素添加到冰奶油中,不仅提高了其乳化稳定性、泡沫稳定性和防止冰晶长大的能力,还促使冰奶油具有更好的性和爽口感。刘梅森等[14]将微晶纤维素加入到冰淇淋中,通过对冰淇淋浆料黏度及冰淇淋膨胀率、抗融性品质指标进行测试,考察了微晶纤维素单因素以及与瓜儿胶复配在冰淇淋生产中的使用效果,其结果表明,两者复配使用时与单一使用任意一种相比能显著改善冰淇淋抗融性等品质。
2•4微晶纤维素在高温灭菌食品中的应用
微晶纤维素不仅有强化油水分界面的作用,且能耐受高温,使乳化液在高温下仍能保持优良的稳定性。由于一些食品在加工过程中,要进行高温处理,这样使得其中的淀粉发生水解,影响产品的质量,而添加一定量微晶纤维素后,能有效的提高产品的稳定性。如在肉类罐头制品中,加入一定量的微晶纤维素后,乳化液能够在116℃下加热3h,仍然保持产品质量不变。
3微晶纤维素在其他方面的应用
微晶纤维素具有多孔结构,比表面积较纤维素要大,因而具有很强的吸附性。将这一特性应用于柱色谱和薄层色谱中分离提纯氨基酸、单糖和酶等具有很好的效果,并且微晶纤维素为纤维素水解而来,故安全性高、无污染、操作简单,是今后作为化学分析实验吸附剂原料的发展方向。刘柳等[15]人采用以微晶纤维素为基质材料制成的微晶纤维素薄层板分析荨麻多糖中的单糖组分。研究表明,该方法能有效分析的单糖组成,且简单易行,为以后多糖样品的质量控制奠定了基础。微晶纤维素也可以作为层析剂使用于实验室分析化学工作上。严钦等[16]用微晶纤维素为层析介质分离纯化β-葡糖苷酶,β-葡糖苷酶可通过生物转化功能将某些广泛存在的天然产物转化为自然界稀有甚至不存在的药物,然而,目前分离纯化β-葡糖苷酶的步骤复杂且成本高,由于微晶纤维素是β-葡糖苷酶的天然底物,且具有良好的物理和化学稳定性,微晶纤维素为葡萄糖的聚合体,作为天然酶解底物,在微酸性条件下能特异性地吸附β-葡糖苷酶,而这种吸附在高离子浓度条件下又可以被解析,利用该特性,将微晶纤维素作为β-葡糖苷酶的亲和层析介质,将粗酶液经过Q-sepharoseFF离子交换柱初步分离后直接使用微晶纤维素柱层析,然后再通过增加洗脱液NaCl浓度的方法将该酶洗脱下来,即可得到电泳纯的目的酶。利用微晶纤维素分离纯化β-葡糖苷酶的优势体现在:由于酶和底物的吸附具有选择性高的特点,所以纯化效率比一般的蛋白分离层析方法要高得多;同时,所采用的微晶纤维素是一种经济易得,安全,无污染的材料,操作成本低廉。另外,由于微晶纤维素是一种纯净的天然纤维素解聚产物,是能自由流动的结晶粉末,具有防结块和帮助流动的作用。有研究表明,微晶纤维素可作为抗结剂应用于超微粉碎过程中,防止粉体结片,并起到改善粉体的流动性的效果。范毅强等[17]在葡萄皮超微粉碎过程中添加不同剂量的微晶纤维素进行超微粉碎,以结片大小、粉体团状结构、粉体特性(以休止角和滑角作为表征)为评价指标进行研究。结果表明,在30~50g/kg用量内,微晶纤维素能完全阻止葡萄皮超微粉结片,能够改善葡萄皮超微粉的流动性。由于在此添加量内微晶纤维素没有明显的差异。因此从经济角度考虑,微晶纤维素加入量可选取为30g/kg。
关键词：废报纸；纤维素；气凝胶；吸油烟
引言
废报纸作为一种富含纤维素的废物，因其量大并且廉价易得，可以进行资源化利用。废报纸的再利用，对家庭，社会，国家都有着不同程度的影响。废报纸循环利用的关键是废报纸的脱墨技术，脱墨的质量决定着废报纸的再利用价值。纤维素是自然界中含量最为丰富的大分子化合物之一，它具有绿色、环保、可再生等优点，随着全球能源的日益减少，纤维素作为一种可再生的绿色能源受到研究者的广泛关注。但是，纤维素结构规整，具有致密的晶体结构，大量的羟基被封闭，使得反应试剂难以与纤维素反应，限制了纤维素的研究与应用。本实验课题不仅研究纤维素气凝胶在吸油烟方面的用途，亮点还在于利用废报纸提取纤维素以达到废物利用的目的。
1 从废报纸中提取并提纯纤维素
1.1 废报纸的预处理
将废报纸机械粉碎，得到废报纸碎屑，作为实验原材料，备用。
1.2 废报纸的脱墨处理
废报纸的脱墨方法有很多，不同的印刷技术也影响着脱墨方法的选择，本实验对废报纸的脱墨处理是以碱洗处理为主要手段，加以适当醇洗和适当双氧水漂白得到的，脱墨效果还算理想。
1.2.1 碱洗
准确称量2g纸屑原料，先将原料进行碱洗处理，即放入PH=14的氢氧化钠（40mL）溶液中油浴加热，80℃条件下碱洗4h。
1.2.2 醇洗
将碱洗处理过的纸浆用无水乙醇浸泡1h并放入超声波仪器中进行处理。
1.2.3 漂白
用过氧化氢（30%）处理醇洗过的纸浆3h。
1.3 纤维素的提取以及提纯
将上述脱墨处理过的废报纸纸浆低温溶解到NaOH脲素混合溶液中，然后除去没有溶掉的废渣，就可以得到溶解了纤维素的NaOH脲素溶液，然后将溶液装入透析袋中进行透析处理，便可以得到纤维素。
1.3.1 纤维素溶剂的配制
NaOH：Urea：H2O=7：12：81（质量比）。配制成在低温下有效溶解纤维素的溶剂[1]
1.3.2 纤维素的提取
将碱洗、醇洗、漂白过的纸浆倒入配制好的纤维素溶剂中，低温溶解。
1.3.3 纤维素的提纯
将溶解的纤维素液体进行除杂，得到纯净的纤维素溶液，然后进行透析处理，直至透析的水PH=7左右。此时透析袋里得到的便是比较纯净的纤维素。
2 纤维素吸油烟型气凝胶的制备及测试与评价
通过冷冻干燥，将纤维素水凝胶冷冻干燥为纤维素气凝胶，纤维素水凝胶中要加入适当的交联剂，目的是保证制造出来的纤维素气凝胶有一定的弹性和力学性能，以便于纤维素气凝胶的循环利用，也便于之后进行疏水等处理。
2.1 纤维素水凝胶的制备
2.1.1 纤维素水凝胶的制备
准确称量3g制备好的纤维素，将适量纯净水加入到纤维素中，得到纤维素水凝胶。
2.1.2 交联剂的添加
2.1.3将得到的水凝胶，加入0.3g戊二醛作为交联剂。放入超声波仪中处理20min，备用。
2.2 冷冻干燥
使用冷冻干燥机进行冷冻干燥处理，处理36h。得到纤维素气凝胶，因为添加了适当的交联剂，气凝胶有一定的弹性和固定的形状。
2.3 气凝胶的疏水处理
2.3.1 疏水处理溶液的配制
使用环己烷做溶剂，十八烷基三氯硅烷做溶质（质量分数为1.5%）配制有机溶液。
2.3.2 疏水处理
将得到的纤维素气凝胶浸泡其中，浸泡处理6h。（注意不要密封，注意通风）浸泡处理后，放入烘干箱中做烘干处理，直至烘干为止，得到疏水处理后的纤维素气凝胶。
2.4 成品的功能特性测试与实验意义评价
2.4.1 将得到的成品进行吸油烟处理，效果很好。然后将得到的纤维素气凝胶进行吸油实验，实验表明本实验得到的纤维素气凝胶能吸比自身重几十倍的油。并且可以将油挤出来以达到纤维素气凝胶的循环利用。
2.4.2 实验的意义与总结评价
本实验的成品测试表明该纤维素气凝胶有良好的吸油烟性，并且可以循环使用，因为原料是纤维素，最后失效的气凝胶还可以很快分解从而不会污染环境，本实验既体现了废物利用的主题思想，又达到了产品对环境友好的要求，一举两得，对废报纸的利用提供了一些思路和方法，对社会和日常生活产生了良好的影响。
纤维素是烟草中主要的细胞壁物质，其含量高低直接影响烟叶的品质。低等级烟叶由于纤维素含量较高，其烟气会产生强烈的刺激性、呛咳、涩口、枯焦气［1］，因此，测定烟草中的纤维素，对于评价烟叶品质具有重要意义。传统的测定方法主要采用稀酸、稀碱与样品依次共煮后用有机溶剂处理，再经烘干后称重［2-4］，这种方法操作繁琐，费力耗时，且由于操作人员的技术差异会带来很大的误差。近年来，近红外（NIR）光谱分析技术也被用于烟草中纤维素含量的测定［5］，但是因其数据模型的建立需要大量的数据支撑，其应用受到一定的局限。根据纤维素水解后生成葡萄糖的性质，采用酶解纤维素得到葡萄糖［6-7］，然后利用流动分析仪检测还原糖含量［8］，可计算得到纤维素的含量，而且酶水解具有专一性和高效性［9-10］，流动分析仪在行业内的应用也比较广泛，因此，建立测定烟草中纤维素含量的流动分析法，可为评价烟叶的品质提供技术支持。
1材料与方法
1.1材料、试剂与仪器2009年初烤烟叶样品17个（川渝中烟工业公司提供）。冰醋酸、柠檬酸、柠檬酸三钠（AR，重庆川东化工有限公司化学试剂厂）；葡萄糖、氯化钙、氢氧化钠（AR，重庆北碚化学试剂厂）；纤维素酶（BR，活力>15000DU，国药集团化学试剂有限公司）；聚乙氧基月桂醚、对羟基苯甲酸酰肼（AR，荷兰Skalar公司）。SkalarSan++流动分析仪（荷兰Skalar公司）；AX504分析天平（感量：0.0001g，瑞士MettlerToledo公司）；恒温摇床（中国科学院武汉科学仪器厂）；循环水真空泵（巩义市英峪予华仪器厂）；G3玻璃砂心漏斗（长春市玻璃仪器厂）。
1.2样品处理和分析准确称取0.25g40目烟粉，置于100mL锥形瓶中，加入25mL5%醋酸溶液，摇床振荡萃取30min，萃取出样品本身含有的水溶性糖［8］，用G3漏斗过滤，滤渣用蒸馏水冲洗3次，每次50mL；将滤渣转移到100mL锥形瓶中，加入60mL含有0.25g纤维素酶的柠檬酸/柠檬酸三钠缓冲溶液（pH4.7）［7，11］，然后放入37℃恒温摇床水解24h；水解结束后将样品冷却至室温，过滤，用蒸馏水将滤液定容至100mL，利用流动分析仪测定样品液中的葡萄糖，测得葡萄糖含量乘以转换系数0.9（由纤维素水解方程式计算得到）即得纤维素含量。
2结果与讨论
2.1酶解条件的选择
2.1.1缓冲溶液用量对纤维素水解的影响准确称取0.25g烟粉样品5份，按照1.2的方法除水溶性糖，然后分别加入固定纤维素酶量（0.25g纤维素酶）的缓冲溶液40，50，60，70，80mL，在固定温度（37℃）条件下水解24h，纤维素含量的测定结果如图1所示。由图1可知，随着缓冲液体积的增大，纤维素测定量也逐渐升高，当缓冲溶液用量为60mL时，达到最高值，说明此时纤维素水解完全；当缓冲溶液用量大于60mL后，纤维素测定量逐渐降低，这可能是由于缓冲溶液用量过大，导致了酶浓度降低，酶不能与底物充分接触，从而使酶解效果变差。因此，选择缓冲液用量为60mL。
2.1.2酶用量对纤维素水解的影响在缓冲液用量为60mL、其他条件不变的情况下，分别考察酶用量为0.05，0.10，0.15，0.20和0.25g时的酶解效果，结果如图2所示。由图2可知，当酶用量为0.20g时，纤维素测定量最高，考虑到生物酶较容易部分失活，为保证纤维素水解完全，所以确定酶用量为0.25g。
2.1.3温度对纤维素水解的影响在缓冲液用量为60mL和酶用量为0.25g的情况下，分别考察纤维素在30，35，40，45和50℃下的水解效果，结果如图3所示。由图3可知，当温度<35℃时，纤维素水解不完全，测定量较低；当温度>40℃时，纤维素测定量降低，这可能是因为温度过高导致酶失活，使纤维素水解不完全；较适宜的水解温度为35~40℃，实验选择37℃。
2.1.4时间对纤维素水解的影响在缓冲液用量为60mL、酶用量为0.25g和水解温度为37℃的情况下，分别水解20，22，24，26和28h，结果（图4）表明，24h后，纤维素水解完全，所以确定水解时间为24h。
2.2工作曲线与检测限准确称取2.2009g葡萄糖，用蒸馏水溶解并定容至100mL，摇匀，得标准储备液。移取1，2，3，4，5mL标准储备液，分别用蒸馏水稀释并定容至100mL，摇匀，即得葡萄糖系列标准溶液，浓度分别为0.2，0.4，0.6，0.8和1.0mg/mL，相当于纤维素0.18，0.36，0.54，0.72，0.90mg/mL。用流动分析仪测定标准溶液中的葡萄糖含量，并对电信号响应值Y（峰高，DU），与其浓度X（纤维素含量，mg/mL）进行线性回归分析，得其工作曲线回归方程为：Y=15893.3X+2117.5，r=0.9998。可以看出，纤维素在0.18~0.90mg/mL浓度范围内，工作曲线线性良好，适合于定量分析。通过测定空白试样，测得纤维素的检测限［12］为0.11mg/mL。
2.3精密度和回收率采用本方法对烟草样品的纤维素分别测定6次，测定量分别为125.8，120.7，126.9，127.3，126.2和125.1mg/g，相对标准偏差（RSD）为2.40%，说明本方法的重复性较好。在脱糖烟草样品中加入葡萄糖，测定其回收率，结果如表1所示。纤维素的回收率为96.7%~103.8%，说明本方法的准确性较高。
2.4与经典方法［3］比较分别用本方法和经典方法测定16个烟草样品的纤维素含量，结果如表2所示。通过对两组数据进行配对样品t检验，发现二者无显著性差异，说明该方法适合于烟草中纤维素含量的检测。
纤维素酶是一组复合酶系,通过多种酶的协同作用水解降解纤维素,纤维素酶主要来源于可产纤维素酶的细菌和真菌。其中,由于丝状真菌纤维素酶产量高于细菌和酵母菌等真菌,被广泛应用于纤维素酶产业化生产。作为丝状真菌中的一员,黑曲霉菌高产纤维素酶,且安全、无毒素,在产纤维素酶微生物研究领域,黑曲霉菌是开发、利用最为广泛的真菌之一。近年来,在高产纤维素酶微生物,发酵产酶工艺,应用领域等方面国内外均开展了相关研究,且取得了一定的进展。
1 纤维素酶的组成与催化机制
纤维素酶是由三种不同酶组成的复合酶系,主要包括内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶或纤维二塘水解酶、β - 葡萄糖苷酶。三种酶通过协同作用将纤维素降解为寡糖和纤维二塘,并最终水解为葡萄糖。内切葡聚糖酶主要作用于纤维素分子的非结晶区,随机水解β - 1,4 糖苷键并产生大量带有非还原末端的小分子纤维,此外,也能水解纤维素的某些基团取代产物,如羧甲基纤维素和羟乙基纤维素等。外切葡聚糖酶主要作用于微晶纤维素分子的还原端和非还原端,水解β - 1,4 糖苷键,从而裂解下二糖分子。β - 葡萄糖苷酶可将纤维二糖和其他可溶性寡糖水解为葡萄糖。
2 产纤维素酶微生物
产纤维素酶的微生物主要包括细菌、真菌和放线菌。放线菌和细菌纤维素酶产量相对较低,放线菌生长缓慢,相关研究较少,细菌纤维素酶多为内切葡聚糖酶,对结晶纤维素无活性,且分离难度较大,影响其产业化开发。高产纤维素酶的真菌主要包括曲霉菌属、木霉菌属、青霉菌属、镰孢菌属和枝顶孢雄属等。其中,丝状真菌是纤维素酶产业化开发与利用的首选微生物。曲霉菌属是丝状真菌中着名的高产纤维素酶菌属之一,而作为曲霉菌属中的一员,黑曲霉菌除高产纤维素酶外,还能合成木聚糖酶、果胶酶、淀粉酶、α - 半乳糖苷酶、β - 葡聚糖酶、葡萄糖氧化酶、脂肪酶、甘露聚糖酶、植酸酶、蛋白酶等酶,可促进生物质的高效降解,且安全、无毒素,其研究与产业化开发也较为广泛。
3 黑曲霉菌产酶工艺与影响因素
由于黑曲霉菌需在低含水量固态发酵底物中生长、传代,其生产纤维素酶工艺通常采用固体发酵法。固体发酵法的最大优点是可以利用木质纤维素废弃物作为发酵底物,且固体发酵法提供的生长环境与黑曲霉菌的天然生长环境相似,更有利于其生长、传代。此外,固体发酵法还具备成本低,工艺简单,酶产物回收率高,能源需求低,污水排放少等优点。主要缺点是发酵过程中温度、pH、营养成分含量等工艺条件的控制与监测较为复杂与困难。另外,国外也有学者改良了黑曲霉菌发酵产酶工艺,Cunha 等选用黑曲霉菌为生产菌,甘蔗废弃物为发酵底物,应用固液连续发酵法生产纤维素酶,研究结果表明,应用固液连续发酵法获得内切葡聚糖酶和木聚糖酶产量高于传统的固体发酵法。
黑曲霉菌纤维素酶产量受到多种因素影响,主要包括发酵培养工艺,产酶诱导因子,菌株产酶效率,发酵设备生产效率等均可影响黑曲霉菌的生长状态,从而影响其酶合成量。其中,发酵培养条件( 如pH、温度、培养基氮源、碳源、阳离子等) 可通过优化实验改良。在固体发酵底物中添加不同种类的纤维素和木质素,乳糖等诱导因子,可在一定程度上诱导黑曲霉菌提高纤维素酶产量。
4 产纤维素酶黑曲霉菌应用研究
黑曲霉菌高产纤维素酶,在乙醇等生物燃料开发领域具有一定应用前景。此外,在食品加工,木质纤维素废弃物降解,动物饲料添加剂等领域也取得了相关研究进展。
4. 1 生物燃料
2010 年我国可收集秸秆资源量约为7 亿t,加上工业和林业纤维废弃物,每年木质纤维素资源总量将超过20 亿t。产纤维素黑曲霉菌可将农作物的秸秆、工业和林业纤维废弃物等木质纤维素原料水解为葡萄糖,用于生产乙醇、有机酸和其他化学制品,从而缓解人们对矿物燃料的依赖。Bjorn 等将甘蔗渣和云杉木水解液作为发酵底物,研究了重组黑曲霉菌D15 菌株的产酶特性,结果表明,重组黑曲霉菌D15 不仅可降解木质纤维素,还可降解和转化其衍生物,如乙酸、呋喃醛、紫锥菊多酚等,有利于酵母菌乙醇发酵,从而促进以木质纤维素生物质为原料第二代生物乙醇工厂的发展。
4. 2 食品加工
在保健食品、果汁和蔬菜汁加工和茶叶加工等领域,国内外学者报道了相关研究。Dhillon 等选用苹果酱、稻壳、藜芦醇、硫酸铜、乳糖等原料配制固体发酵培养基,研究了黑曲霉菌NRRL - 567 纤维素酶粗提液中非特异性壳多糖酶和壳聚糖酶的活性,壳多糖酶和壳聚糖酶活性分别达到了70. 28 U/g 和64. 20 U/g,且保存1 个月后酶活性仍达到92% ~94%。高壳多糖酶和壳聚糖酶活性的黑曲霉菌纤维素酶提取液,可用于生产低分子量壳多糖和壳聚糖低聚体。在保健食品生产方面具有重要的用途。Ajay等从黑曲霉菌DFR - 5 酶液中提纯木聚糖酶,并研究了木聚糖酶与果胶酶和纤维素酶混合物对菠萝汁产量和澄清度的影响。与对照组相比,木聚糖酶试验组菠萝汁的生产率和澄清度分别达到了71. 3% 和64. 7%,均高于对照组( 61. 8% 和57. 8%) 。结果表明,黑曲霉菌木聚糖酶提取液可用于提高果汁澄清度,在果汁和蔬菜汁加工领域具有一定的应用前景。另外,在茶叶加工领域,黑曲霉菌是普洱茶发酵过程中的优势菌,通过合成多种酶类,促进酚类物质、纤维素、果胶、蛋白质等物质的分解,可一定程度上改善茶叶感官特性,缩短加工时间,提高茶叶品质。
4. 3 木质纤维素废弃物降解
纤维素类城市固体废弃物作为一类可再生生物质,其资源量巨大,可用于生产纤维素酶,Gautam等选用城市固体废弃物作为碳源,研究了黑曲霉菌和木霉菌纤维素酶活,固体废弃物、蛋白胨、酵母提取液为最理想的碳源和氮源,黑曲霉菌和木霉菌培养物中酶的总量比其他真菌高40% ~ 60%。结果表明,纤维素类城市固体废弃物作为一种碳源,可由黑曲霉菌和木霉菌降解、利用。此外,黑曲霉菌还可降解农作物秸秆、甘蔗渣、椰壳废弃物等纤维素废弃物资源,合成纤维素酶,变废为宝,从而减少资源浪费,降低环境污染。
4. 4 动物饲料添加剂
由于黑曲霉菌安全,无毒素,且高产纤维素酶,在动物饲料添加剂研究与应用领域,已引起国内外学者的关注。Chandra 等分别以牛落花生饲草、麦麸、米糠、锯屑等木质纤维素作为固体发酵底物,研究了黑曲霉菌滤纸酶活、羧甲基纤维素酶活和葡萄糖苷酶酶活,比较了各种底物发酵前后蛋白含量。其中,黑曲霉菌发酵落花生饲草和麦麸底物后滤纸酶活、羧甲基纤维素酶活、β - 葡萄糖苷酶酶均显着高于其他实验组。此外,发酵后的牛落花生饲草蛋白含量有所提高。结果表明,黑曲霉菌可发酵牛落花生饲草、麦麸等木质纤维素合成纤维素酶,且提高了牛落花生饲草营养价值。张福元等研究了黑曲霉发酵玉米秸秆产纤维素酶及降解基质的营养条件,优化营养条件后可使黑曲霉菌株产CMCase、FPase 酶活性达到最高。此外,经黑曲霉菌发酵后,玉米秸秆粗蛋白含量提高了1. 2 倍,粗纤维、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维含量分别下降了34%、19%、23%。结果表明,黑曲霉菌可发酵玉米秸秆合成纤维素酶,且提高了玉米秸秆营养价值,为玉米秸秆青贮、黄贮发酵饲料的产业化开
发和应用提供了科学依据。 5 小结
关键词：纤维素酶；菌种筛选；鉴定；酶活力
中图分类号： Q936 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20151132001
纤维素是农作物秸秆的主要成分之一，也是地球上含量最为丰富的可降解生物质，其为葡萄糖聚合物，以β-1，4糖苷键聚合。它的降解与转化是生物圈碳素循环与生物能传递的重要环节。利用微生物对纤维素进行降解，对于自然界生物能源的利用具有重要意义。世界各国均积极开展对纤维素降解菌的研究[1]。东北地区作为我国的粮食主产区，每年产生大量富含纤维素的农业秸秆，传统的焚烧污染环境且造成大量生物质浪费。
本试验从吉林市左家林地土壤中分离出一株纤维素降解菌，由菌丝、菌落形态以及16S rDNA初步鉴定为散囊菌纲（ Uncultured Eurotiomycetes）。其具有较强纤维素酶产酶活性，对于纤维素的降解转化具有积极意义，菌种具有进一步研究价值。
1 材料与方法
1.1 试验材料与试剂
1.1.1 试验材料
土壤样品，采自吉林省吉林市左家地区林地；化学试剂均为分析纯，购于北京化学试剂厂；羧甲基纤维素钠（CMC-Na）购自生工生物工程（上海）有限公司。Biospin凝胶回收试剂盒，购自BioFlux公司；
1.1.2 培养基
富集培养基：MgSO・7H2O 4 0.1g，FeSO4・7H2O 0.1g， K2HPO4 1.0g， MnSO4 5×10-4g，CMC-Na 10.0g，蛋白胨10.0g，酵母膏10.0g，水1000ml，自然pH，121℃灭菌30min。
刚果红筛选培养基：KNO3 2.0g，MgSO4 0.5g，KH2PO4 1.0g，NaCl 1.0g，Na2HPO4 1.0g，蒸馏水500ml，加热溶解后加入CMC-Na 20.0g、琼脂20.0g、刚果红0.2g充分溶解后，蒸馏水定容至1000ml，HCl调pH直至达到7.0～7.2，121℃灭菌30min，摇匀后倒平板。
纤维素钠筛选培养基：CMC-Na 5.0g，蛋白胨10.0g，酵母提取物5.0g，琼脂12.0g，，水 1000ml，121℃灭菌30min，摇匀后到平板。
产酶培养基：Na2HPO4 3.0g，NH4NO3 0.8g，CaCl2 0.5g，ZnSO40.01g，FeSO4・7H2O 0.01g，MgSO4・7H2O 0.5g，MnSO4・H2O 0.01g，CMC-Na 10.0g，蛋白胨1.0g，酵母膏1.0g， 水1000ml，HCl调pH值7.0～ 7.2，121℃灭菌30min，摇匀后到平板。
PDA培养基：马铃薯200g，去皮切成小块，用蒸馏水1000ml小火沸煮30min，8层纱布过滤，滤液补水至1000ml，调pH6.5。
1.2 试验方法
1.2.1 样品采集与菌种分离
于左家地区林地，取腐殖质表层土壤5g土样于三角瓶中，加入50ml无菌水，震荡5min，至分散均匀。取5ml悬液于50ml富集培养基，28℃，80r/min震荡培养5～7d。取富集培养液按10-1、10-2、10-3、10-4、10-5做系列稀释，涂布于刚果红筛选培养基，静置30min后，28℃倒置培养，分离有明显透明水解圈的菌落。若菌落重叠可划线分离菌株。
1.2.2 菌株纤维素降解能力测定
将分离获得的菌株，液体培养后，按10-1、10-2、10-3、10-4、10-5做系列稀释后涂布于刚果红筛选培养基，静置30min后，28℃倒置培养，待菌落直径1.0～5.0mm，取下培养基，于1%刚果红溶液浸泡1h，弃去刚果红溶液，于1mol/L NaCl溶液浸泡0.5h，弃去NaCl溶液，观察并测量水解圈大小。
1.2.3 纤维素酶活力测定
采用DNS法（3，5-二硝基水杨酸法）测定纤维素酶活力 [2]。酶活力定义为：1min内催化纤维素水解生成1μmol葡萄糖所需的酶量为1IU。
1.2.4 菌株表型特征鉴定
取无菌水一滴至于干净玻片，接种环挑取少许菌丝涂布，风干固定，显微观察菌株形态。
1.2.5 菌株的18S r DNA鉴定
CTAB法提取菌株基因组DNA，分析18S r DNA进行军中鉴定。PCR反应体系（50μL）：dd H2O 34.0μL，10×buffer 5.0μL，d NTP4.0μL，FP2μL，RP2μL，Taq酶 1μL，模板DNA 2μL。引物序列：FP 5'-ATTGGAGGGCAAGTCTGGTG-3'；RP 3' CCCGATCCCTAGTCGGCATAG-5'。PCR反应条件：94℃，5min；94℃变性1min，60℃退火1min，72℃延伸1min，35个循环； 72℃，10min。PCR产物经1%琼脂糖凝胶电泳鉴定，送至英潍捷基公司测序。序列于GeneBank由BLAST进行序列同源性分析，确定菌种属。
2 结果与分析
2.1 菌株的分离和纤维素降解能力初步鉴定结果
由刚果红筛选培养基水解圈初步判断，实验分离得到多种具有纤维素降解能力的菌株。其中3种疑似真菌类菌株，具有较为明显纤维素降解能力。
取这3种菌株，于刚果红筛选培养，用1%刚果红溶液浸泡后1mol/L NaCl溶液浸泡脱色，测量水解圈大小，结果见表1。由表1可知，1号菌水解圈直径/菌落直径为8.8，远高于2号菌和3号菌。初步表明，1号菌具有较明显纤维素降解能力。
2.2 菌株的纤维素酶活力测定结果
取1号菌、2号菌、3号菌，DNS法测定纤维素酶活力，结果见图1。由图1可知，在3种菌株中，1号菌纤维素酶活力最高，为2.32IU/mL。将1号菌命名为JN510。由纤维素酶活力判断，其具有进一步研究的价值。
2.3 JN510菌株表型特征鉴定结果
JN510菌株于PDA培养基28℃下培养，生长快速。3d后呈白色绒毛状气生菌丝；继续培养，菌落转为绿褐色；继而颜色逐渐加深。菌落毛绒状。镜检结果见图2。
2.4 18S rDNA序列分析结果
JN510菌株基因组 DNA进行PCR 扩增，产物进行琼脂糖电泳，结果见图3。由图可知，引物对18S r DNA 序列扩增效果良好，扩增片段约500bp。
回收片段，送英潍捷基公司测序。获得序列经GeneBank比对，该菌种与序列号为EU368286.1的Uncultured Eurotiomycetes具有99%的亲缘关系，结合文献所列形态学特征的描述，将其鉴定为散囊菌纲（Uncultured Eurotiomycetes）[3，4]。
3 讨论
吉林市左家地区林地腐殖质表层土壤中存在大量可以降解纤维素的纤维素酶产生菌。其可应用于生物化工过程，如秸秆发酵生产燃料乙醇等工艺。这些菌对于富含纤维素的的转化利用以及农业秸秆回收利用具有重要意义。
纤维素酶包括β-葡萄糖苷酶、内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶。3者协同作用降解纤维素生成葡萄糖。不同菌种产生上述3种酶的浓度与活力不同。虽然自然界中纤维素降解菌种类较多，但是秸秆等生物质中的纤维素往往与木质素、脂质等交联存在。使得自然界中纤维素降解菌的降解能力不理想，降低了秸秆等富含纤维素生物质的开发利用。因此可以考虑构建不同纤维素降解菌，以及纤维素降解菌与木质素降解菌等降解菌的混合菌系。以此来转化纤维素，提高降解效率。
本实验获得的纤维素降解菌JN510具有较强纤维素降解能力，具有良好的开发前景，值得进一步研究。
参考文献
[1]顿宝庆，吴薇，王旭静，等.一株高纤维素酶活力纤维素分解菌的分离与鉴定[J].中国农业科技导报，2008，10（1）：113-117.
[2] Ghose TK. Measurement of cellulase activities[J]. Pure Appl Chem， 1987， 59（2）： 257- 268.
[3] 魏景超. 真菌鉴定手册[M]. 上海： 上海科学技术出版社，1979：129-135.
【关键词】藤本豆秸秆；纤维素酶；热带假丝酵母；酿酒酵母；乙醇
一、材料与方法
1.材料。藤本豆秸秆，取自吉林省九台市郊，当年产。菌种：纤维素酶产生菌（Trichoderma reesei TJK108）、酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae SQY-002），由吉林工程技术师范学院食品工程学院实验室保存。热带假丝酵母（Candida tropi
calis），购于中国菌种保藏中心。液体种子培养基：YEPD培养基。发酵培养基：取一定量预处理后的藤本豆秸秆，冷却后用30%的NH4HCO3调节pH=4.8，并于121℃下湿热灭菌20min。
2.藤本豆秸秆生产乙醇的总工艺流程（图1）。（1）藤本豆秸秆的预处理。采用稀硫酸预处理玉米秸秆，将玉米秸秆风干后磨碎，于75℃烘箱中烘一昼夜至水分含量恒定，与1.0 %的稀硫酸按一定比例混合（固液比为1：10），121℃下蒸煮120min。（2）纤维素酶的生产―Trichoderma reesei TJK108的固态培养。采用固态发酵工艺。取预处理后的藤本豆秸秆，过滤，滤渣用水和丙酮洗至pH 值呈中性，其主要成分为纤维素。添加0.2%KH2PO4，0.2%MgSO4・7H2O，3%（NH4）2SO4，0.2%吐温-80，10%酒糟，调节pH值至4.8，含水量至70%，121℃灭菌60min，接入1.5×107～2.0×107个/g底物Trichoderma reesei TJK108 孢子悬浮液，于30℃培养，发酵7d。
（3）菌种活化与稀释。从试管斜面上分别取热带假丝酵母和酿酒酵母，在YEPD液体培养基中活化（150r/min，30℃，18h）血球计数板计数，并稀释至108个细胞/ml。（4）酵。向发酵培养基中添加适量的纤维素酶，按10%（体积比，下同）的接种量接入一定比例的热带假丝酵母和酿酒酵母，根据影响发酵的条件进行发酵试验，并选取乙醇产率（乙醇/藤本豆秸秆，g/g）作为测试指标。一是最佳温度的确定。藤本豆秸秆在不同温度下进行发酵（发酵周期为72h，转速为120r/min，纤维素酶用量为40IU/g对底物，热带假丝酵母与酿酒酵母的接种比2：1，酵母菌接种量为10%），分别测定乙醇产率，确定发酵的最佳温度。二是最佳时间的确定。藤本豆秸秆在不同时间下进行发酵（发酵温度为30℃，转速为120r/min，纤维素酶用量为40IU/g对底物，热带假丝酵母与酿酒酵母的接种比2：1，酵母菌接种量为10%），分别测定乙醇产率，确定发酵的最佳时间。三是最佳转速的确定。藤本豆秸秆在不同转速下进行发酵（发酵温度为30℃，发酵周期为72h，纤维素酶用量为40IU/g对底物，热带假丝酵母与酿酒酵母的接种比2：1，酵母菌接种量为10 %），分别测定乙醇产率，确定发酵的最佳转速。四是最佳纤维素酶用量的确定。藤本豆秸秆在不同纤维素酶用量下进行发酵（发酵温度为30℃，发酵周期为72 h，转速为120r/min，热带假丝酵母与酿酒酵母的接种比2：1，酵母菌接种量为10%），分别测定乙醇产率，确定发酵的最佳纤维素酶用量。五是最佳酵母菌接种量的确定。藤本豆秸秆在不同酵母菌接种量下进行发酵（发酵温度为30℃，发酵周期为72h，转速为120r/min，纤维素酶用量为40I
U/g对底物，热带假丝酵母与酿酒酵母的接种比2：1），分别测定乙醇产率，确定发酵的最佳酵母菌接种量。六是最佳酵母菌接种比例的确定。藤本豆秸秆在不同酵母菌接种比例下进行发酵（发酵温度为30℃，发酵周期为72h，转速为120r/min，纤维素酶用量为40IU/g对底物，酵母菌接种量为10%），分别测定乙醇产率，确定发酵的最佳酵母菌接种比例。（5）蒸馏。取100g发酵样，加入200ml蒸馏水，缓慢蒸馏出100ml馏出液。
3.乙醇含量测定。采用气相色谱法。
二、结果与分析
（一）稀硫酸预处理藤本豆秸秆的结果
采用稀硫酸预处理藤本豆秸秆，在主要成分中，半纤维素是第一个参与反应的，木聚糖部分解聚和溶解，然后水解成木糖（反应1），外源硫酸的存在对于木糖单体的形成尤为重要，若缺乏外源酸，就会形成木糖低聚物。该过程中，只有少量的纤维素发生水解反应生成葡萄糖，而木质素经历了解聚作用，但在水或酸中维持不溶解状态。稀硫酸处理后，溶液中主要是半纤维素分解得到的木糖等五碳糖，粉状固体中主要含有已分离开的纤维素和木质素。正常条件下，纤维素的水解需要十分苛刻的条件，但是经稀硫酸处理，半纤维素水解、纤维素和木质素分离开后，可以大大增加纤维素的水解性，这时加入纤维素酶，纤维素酶先吸附到纤维素表面，然后其中的内切酶在葡聚糖链的随机位点水解底物产生寡聚糖，外切酶从葡聚糖链的还原或非还原端进行水解产生纤维二糖，β-葡萄糖苷酶水解纤维素二糖为葡萄糖。这3类酶“协同作用”最终将纤维素降解为葡萄糖（反应2）。反应1（木聚糖的解聚反应）：（C5H8O4）n+H2O（C5H8O4）（n-1）+C5H10O5，反应2（在纤维素酶的作用下纤维素降解生成葡萄糖的反应）：（C6H12O6）nnC6H12O6。
（二）纤维素酶的生产情况
在Trichoderma reesei TJK108的固态培养期间，每天测定1次酶活力。酶活力随时间的变化见表1。固态培养过程中各主要影响因素的变化见表2。由表1可知，发酵前期（0～2d），由于孢子要萌发成菌丝，故纤维素酶生成较慢，酶活较低；发酵中期（2～7d），孢子已完全萌发成菌丝，菌丝代谢旺盛，纤维素酶大量生成，酶活增长较快，酶活力在第7天时达到最高，为
333.4U/g底物；第8 天以后再延长发酵时间，菌体老化，纤维素酶活力增长缓慢，呈下降趋势。可见，纤维素酶产生菌（Tricho
derma reesei TJK108）的固态培养时间以7d为最佳。
表1 酶活力随时间的变化
由表2可知，发酵第1天，纤维素、还原糖和培养基中的营养被消耗，菌体开始生长；2～4 d，当菌体消耗30%左右还原糖后，其生长开始进入旺盛期，该阶段为纤维素的主要消耗期，纤维素消耗了36%左右；4 d 后，纤维素的消耗开始减缓。产酶培养基初始pH值为4.8；0～2d，由于铵根离子被消耗，pH值迅速下降；2～4d，由于培养基中无机盐金属离子的缓冲作用，pH值基本维持在4.0左右；随着纤维素酶的大量合成，到产酶末期，pH值迅速上升。纤维素酶主要是胞外酶。这表明随着纤维素酶的合成，胞外蛋白质随即开始形成。
（三）发酵温度对乙醇产率的影响
由于藤本豆秸秆中含有47.2%的纤维素及20.6%的半纤维素，稀硫酸预处理藤本豆秸秆过程中半纤维素被水解成戊糖，主要为木糖，预处理纤维素再经纤维素酶酶解成纤维二糖继而在葡萄糖苷酶的作用下生成葡萄糖。若温度较低，纤维素酶解速率较低，且乙醇发酵过程中所需要的各种酶酶活较低，影响乙醇产率；温度过高，发酵过程中所需要的一些酶会因此失活，也影响乙醇产率。该试验采用混合菌种发酵使藤本豆秸秆水解成的葡萄糖及木糖均能发酵成乙醇。试验中所采用的热带假丝酵母与酿酒酵母最适发酵温度分别为30℃与31℃。有研究发现，当发酵温度为32℃时乙醇产率较高。
（四）发酵时间对乙醇产率的影响
乙醇发酵需要一个合理的发酵周期，发酵时间的长短直接影响着乙醇产率的高低。在发酵前12h内，乙醇产率变化很小；从12h开始，乙醇产率迅速增加；当达到72h左右时，乙醇产率达到最大值；发酵72h以后，乙醇产率开始降低。分析造成这种现象的原因：在发酵初期，酵母以发酵醪中的糖分为碳源，酵母不断代谢糖分发酵成乙醇；发酵一段时间后，发酵醪中的糖分含量减少，酵母可能开始利用自身的代谢产物乙醇为碳源来维持自身的生长和繁殖。所以，在利用该菌株生产乙醇过程中，应该尽量控制好发酵时间，当发酵达到72h时，就可终止发酵。
（五）转速对乙醇产率的影响
纤维素酶解需要与底物充分接触；一定的转速能保证纤维素底物与纤维素酶充分接触；此外，由于菌株热带假丝酵母一般在“限氧”条件下发酵，这是由酵母本身的代谢方式所决定的。酵母对木糖的代谢分别依赖于：木糖还原酶将木糖转化为木糖醇；木糖醇脱氢酶将木糖醇转化为木酮糖；木糖激酶将木酮糖转化为5-磷酸木酮糖，后者再经3-磷酸甘油醛进入糖酵解途径，在木糖醇转化成木糖酮的过程中，需要有氧的参与。一定的转速可提供该酵母发酵所需要的溶解氧，转速过高，可能会使发酵生成的一部分乙醇挥发掉，而且转速过高，发酵液中的溶解氧增加，还可能导致生成的乙醇氧化成醋酸等其他产物。该试验的适宜转速约为120r/min。
（六）纤维素酶用量对乙醇产率的影响
预处理的藤本豆秸秆经纤维素酶酶解成葡萄糖及纤维二糖，纤维素酶的用量直接决定着预处理玉米秸秆纤维素的最终水解情况及乙醇产率。纤维素酶最适作用条件为温度50℃，pH=4.8，纤维素酶最适用量25IU/g。乙醇产率随着纤维素酶量的增加而增加，当酶活力达到45IU/g时，乙醇产率最高。分析原因可能是50℃时，温度太高，不适于酵母的生长代谢所致。因此，该试验中发酵温度较低为30℃。这个温度对于纤维素酶解所需最适温度要低，会使纤维素酶解速率降低，所以纤维素酶的用量要高一些，以提高纤维素酶解速率，最优量为45IU/g。尽管45IU/g是最优的酶量，但是使用如此高活力的纤维素酶，在经济上是不合算的。当纤维素酶活力从40IU/g增加到45IU/g时，乙醇产率增加甚微。因此，选用40IU/g纤维素酶浓度较为合适。
（七）酵母菌接种量对乙醇产率的影响
酵母菌接种量对乙醇产率有一定的影响，接种量过低，菌体产生的生物量较少，发酵过程不充分，乙醇产率较低；接种量过高，增加了细胞的维持能需要，乙醇产率也无法积累到较高水平。接种量在10%时，乙醇产率最高。
（八）酵母菌接种比例对乙醇产率的影响
采用混合菌种发酵生产乙醇，2种菌的比例对乙醇产率有着一定的影响，热带假丝酵母既能发酵葡萄糖又能发酵木糖生产乙醇，但其发酵葡萄糖产乙醇能力较差，发酵木糖产乙醇能力较强，而酿酒酵母一般不能发酵木糖，但它能快速有效地发酵葡萄糖生产乙醇。采用混合菌种发酵就很好地解决了预处理藤本豆秸秆酶解生产乙醇的技术问题，同时由于纤维素酶解藤本豆秸秆是一个复杂的酶解过程，而预处理藤本豆秸秆水解液中木糖的含量很高，所以采用混合菌种发酵时具有较强发酵木糖能力的热带假丝酵母比例要高一些。热带假丝酵母与酿酒酵母的接种比为2：1时，乙醇产率最高。
三、结论
植物纤维资源是地球上分布最广、含量最大、品种最多、价格低廉且可再生时间短的有机资源之一，利用可再生的植物纤维资源生产燃料乙醇对于缓解能源危机具有重大意义。该试验得到的纤维素酶生产的最适条件是：藤本豆秸秆由稀硫酸处理后，滤渣中添加适量营养，接入15×107～2.0×107个/g底物Trichoderma reesei TJK108孢子悬浮液，于30℃固态培养7d。发酵的最适条件为：发酵温度31℃，发酵周期72h，转速120r/min，纤维素酶用量40IU/g对底物，热带假丝酵母与酿酒酵母的接种比2：1，酵母菌接种量10%，在该条件下乙醇产率最高为0.30g/g。藤本豆秸秆生产乙醇是利用再生资源解决液体燃料的一个国际性大问题，不少国家已在多年以前就开展该项工作。但目前还没有实现大规模工业化生产，主要是经济方面的问题。因此，今后应开发预处理新技术，培育价廉高活力的新型纤维素酶及五碳糖和六碳糖同步发酵的新菌种，研发出流程短、效率高和能耗低的玉米秸秆生产乙醇新工艺，从而降低乙醇生产成本，这将是今后科研的主攻方向。
参 考 文 献
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关键词：玉米皮 综合利用 饲料酵母 膳食纤维
中图分类号：X712 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2013）06-0096-01
一、玉米皮概述
玉米皮指的是玉米籽粒的表皮部分，有的称玉米纤维或玉米渣，是玉米加工淀粉的副产物，商品玉米皮一般占玉米质量的8%～10%。在湿法加工淀粉时，被分晒出来。
玉米皮的主要成分为纤维素和淀粉，纤维素和半纤维素的总含量几乎占到玉米皮的一半，因而玉米皮是膳食纤维的良好来源。研究发现，玉米皮中多糖（即纤维素和半纤维素）主要由葡萄糖、木聚糖和阿拉伯聚糖构成，此外，还有少量半乳糖和甘露聚糖，而且戊聚糖（阿拉伯糖和木聚糖）和己聚糖（葡萄糖、半乳聚糖和甘露聚糖）在多糖中差不多各占一半。
二、制取饲料酵母
目前，在配合伺料的原料中，最紧缺的是饲料蛋白，特别是动物性蛋白，为此，我国每年花费大量外汇进口鱼粉。为了扩大动物性蛋白饲料的来源，除了用畜禽加工和皮革加工的下脚料制取饲料蛋白外，开发单细胞蛋白（主要是饲料酵母）是代替部分鱼粉的有效方法。
玉米皮含有丰富的糖类，含量达50%以上，而且糖类中六碳糖和五碳糖约各占50%。如果玉米皮用来制取酒精，只能利用其六碳糖，总糖的利用率较低。而饲料酵母，如热带假丝酵母，对六碳糖和五碳糖均能利用。饲料酵母对玉米皮水解液中糖类的转化率约45%，即最终产品中饲料酵母的含量可达22.5%。玉米皮水解液的含糖量可达5%以上，采用流加法可有效地提高饲料酵母的得率，从而降低产品成本。
饲料酵母营养价值丰富，含有45%～50%的蛋白质，可消化率高，作为蛋白饲料添加到配合饲料中，具有和鱼粉相同的功效。饲料酵母蛋白质含有20多种氨基酸，其中包括8种生命必需氨基酸，饲料酵母和鱼粉蛋白质的氨基酸比较如。
表1所示。
从表1可见，饲料酵母和鱼粉蛋白质的氨基酸含量十分相近。除此以外，饲料酵母还含有极丰富的B族维生素，其含量高于鱼粉、肉粉。各种配合饲料中加入饲料酵母，能加快动物生长速度，减少饲料消耗，提高饲料报酬。
用玉米皮经水解制取饲料酵母的工艺流程如下：
玉米皮水解中和过滤发酵离心分离干燥粉碎成品包装
二、生产膳食纤维
膳食纤维亦称食物纤维，作为一种特殊营养食品的添加剂，随着经济的发展和科学知识的普及，人们对此十分关心。膳食纤维是健康饮食不可缺少的，纤维在保持消化系统健康上扮演必要的角色，同时摄取足够的纤维也可以预防心血管疾病 、癌症、糖尿病以及其它疾病。
膳食纤维可分为水溶性纤维与非水溶性纤维两个基本类型。水溶性纤维包括有树脂、果胶和一些半纤维。如大麦、豆类、燕麦等食物都含有丰富的水溶性纤维，水溶性纤维可减缓消化速度和最快速排泄胆固醇，所以可让血液中的血糖和胆固醇控制在最理想的水准之外，还可以帮助糖尿病患者降低胰岛素和三酸甘油脂。
非水溶性纤维包括纤维素、木质素和一些半纤维以及来自食物中的小麦糠、玉米糠、芹菜、果皮和根茎蔬菜。非水溶性纤维可降低罹患肠癌的风险，同时可经由吸收食物中有毒物质预防便秘和憩室炎，并且减低消化道中细菌排出的毒素。大多数植物都含有水溶性与非水溶性纤维，所以饮食均衡摄取水溶性与非水溶性纤维才能获得不同的益处。
膳食纤维其来源十分广泛，而玉米淀粉厂的玉米皮已经是从谷物中分出来的纤维物质，但该种纤维未经生物、化学等加工处理，难以显示其纤维成分的生理活性，这已经被国外的研究所证实。因此，只有除去玉米皮中的淀粉、蛋白质、脂肪后， 获得较纯的玉米质纤维，才能成为膳食纤维，用做高纤维食品的添加剂。
1.玉米皮制膳食纤维工艺
玉米深加工国家工程研究中心用玉米皮制取玉米膳食纤维的工艺如下：
玉米皮粉碎机碎皮加水过滤加水漂白离心干燥微粉碎成品包装
用捶片粉碎机将玉米皮粉碎至大小可以全部通过30～60目筛，目的是增加玉米皮的表面积，同时可除去不需要的可溶性物质（如蛋白质），之后加入20℃左右的水，使固形物含量保持在2%～10%之间，搅打成浆液并保持7分钟左右，以使蛋白质和某些糖类溶解，但时间不宜太长，以免果胶类物质和部分水溶性半纤维素溶解损失掉。
将上述处理液通过325目筛板振动过滤，滤饼重新散于25℃、pH为6.5的水中，固形物浓度保持在10%以内，通入100/的H2O2进行漂白，25分钟后经离心机或再次过滤得白色滤饼，干燥至含水量8%左右，用高微粉碎机使物料全部通过100目筛为止，即得天然玉米纤维添加剂。
2.玉米皮制膳食纤维冰淇淋
沈阳师范大学朱晶、李润国等研发了玉米皮膳食纤维冰淇淋玉米皮经预处理，生成玉米皮膳食纤维，加上主要辅料奶粉、砂糖、棕榈油、食用明胶、羧甲基纤维素钠（CMC-Na）、食用淀粉、单甘酯、蔗糖酯等。
玉米皮的预处理：将原料玉米皮加碱使pH为12，浸泡1小时以除去蛋白，加酸中和。再加酸使pH为2，升温至60℃浸泡2小时，使淀粉水解，再洗至中性。加5%的H2O2，在55℃下脱色，过滤后烘干粉碎即可备用。
玉米皮冰淇淋的生产工艺如下：
玉米皮膳食纤维
其他辅料搅拌混合杀菌均质冷却老化凝冻硬化冷藏成品
冰淇淋的基本配方如下：白砂糖12%，环己基氨基磺酸钠0.02%，棕榈油4%，奶粉8%，0.3%，CMC-Na0.2%，单甘酯0.3%，蔗糖酯0.2%，淀粉0.5%，玉米香精0.04%，玉米皮8%。
3.国外玉米皮膳食纤维食品
日本用酶制剂酶解除去玉米皮中淀粉、脂肪、蛋白质，精制后玉米纤维中半纤维素含量达60%？80%。这种玉米膳食纤维具有多孔性，吸水性好，添如到豆酱、豆腐、肉类制品中能保鲜并防止水的渗出，用于粉状制品（汤料）可作载体，用于饼干中可使生面团易于成型，含量在2%时，口感好。此外，动物试验表明，这种玉米皮膳食纤维对抑制血清胆固醇上升有明显效果。
美国大量流行的高纤维食品中，有各种燕麦片，其总纤维含量8.9%～9.9%，可溶性纤维5%，也有全粒玉米粉、玉米片，总纤维达15%，可溶性纤维9%。美国玉米制品公司生产一种食物纤维含量高达90%的玉米皮制品，可作为面包、饼干、点心、早餐谷物的添加剂，该产品高纤维、低脂、低植酸，没有令人厌恶的风味，美国营养食品公司生产的玉米、黑麦、麦芽复合谷物纤维，总纤维含量达62%，制成的面包、点心、焙烤食品，外表色泽金黄，具有果仁风味，是理想的膳食纤维食品。
参考文献
[1]王俊国 杨玉民，《粮油副产品加工技术》北京：科学出版社，2012年3月.
再生动物毛蛋白纤维性能良好，具有良好的开发前景。文章介绍了再生动物毛蛋白纤维的形态结构、组成与性能、纤维制备和纺织加工工艺。
关键词：再生动物毛蛋白纤维；形态结构；组成与性能；加工工艺
蛋白质纤维可分为天然蛋白质纤维（如羊毛、羊绒等动物毛、羽毛和蚕丝等）和再生蛋白质纤维两大类。后者按原料来源又有再生植物蛋白质纤维（如从大豆、花生、油菜子、玉米等谷物中提取蛋白质纺制的纤维）和再生动物蛋白质纤维（如从牛奶、蚕蛹中以及利用猪毛、羊毛下脚料、羽毛等不可纺蛋白质纤维或废弃蛋白质中提取蛋白质纺制的纤维）。天然蛋白质纤维虽有许多优良的特性，其纺织品也深受广大消费者的青睐，但价格较高，而且数量有限，约占纤维总量的5%，难以满足现有生产的需求，故需要开发出新型的再生蛋白质纤维。在此情况下，浙江绍兴文理学院奚柏君等人经过多年的艰苦努力，精心研究，利用猪毛、羊毛下脚料等不可纺蛋白质纤维或废弃蛋白质材料成功研制了几个系列的再生蛋白质纤维。该纤维性能良好，原料来源广泛，且利用了某些废弃材料（如旧的毛料服装、旧毛衣等），有利于环境保护，用这种再生动物毛蛋白纤维制成的纺织品手感丰满，性能优良，价格远低于同类羊毛面料，具有较大的经济效益和市场竞争力。
1再生动物毛蛋白纤维的形态结构
纤维的结构包括形态结构和聚集态结构。形态结构又可分为横截面形态和纵向表面形态，横截面形态反映的是纤维的横截面形状和纤维内部空隙的数目、大小及分布，纵向表面形态反映的是纤维表面的光滑和粗糙情况。聚集态结构包括晶态结构、非晶态结构和取向度，它是决定纤维力学性能的主要因素。图1所示为由天津工业大学王建坤先生研究的再生动物毛蛋白与粘胶共混纺丝制取的再生动物毛蛋白纤维的形态结构电镜图，由图可以看出，该纤维的横截面形态呈不规则的锯齿形，而且随着蛋白质含量的增加，纤维中的缝隙孔洞数量越多，且体积越大，还存在着一些球形气泡。纤维的纵向表面较光滑，但随着蛋白质含量的增加，表面光滑度下降，蛋白质含量过高时，纤维表面粗糙。
a) 横截面电镜图b)纵向电镜图
图1再生动物毛蛋白纤维电镜图
由于再生动物毛蛋白纤维是由再生动物毛蛋白与粘胶共混纺丝而制得，因此该纤维是由蛋白质和纤维素共同构成，它具有两种聚合物的特性，属于复合纤维的一种。复合纤维根据两种组分相互间的位置关系分为皮芯型、并列型和共混纤维型等。再生动物毛蛋白质液与粘胶的物理化学性质不同，特别是它们的粘度相差很大，由于两种高聚物结构差异较大，在凝固和拉伸过程中，粘度小的容易分布在纤维的外层。蛋白液的粘度小得多，故蛋白液与粘胶的共混丝液经酸浴凝固形成时，蛋白质主要分布在纤维的表面，该纤维属于皮芯型结构。它集蛋白纤维和再生纤维素纤维优点于一身，具有良好的吸湿透气性和较好的断裂伸长率。纤维中有多种人体所需的氨基酸（如甘氨酸、丙氨酸、脯氨酸、谷氨酸、精氨酸、天冬氨酸、丝氨酸等），同时具有独特的护肤保健功能。
2再生动物毛蛋白纤维的组成与性能
2.1再生动物毛蛋白纤维的主要成分
再生动物毛蛋白纤维的主要成分见表1。
表1再生动物毛蛋白纤维的主要成分
2.2再生动物毛蛋白纤维的性能
(1)物理机械性能
再生动物毛蛋白纤维与其他纤维的物理机械性能比较列于表2中。
由表2可以看出，再生动物毛蛋白纤维的干、湿态强度均大于常规羊毛的干、湿态强度，且湿态强度大于粘胶纤维。而且纤维中的蛋白质含量越大，纤维的断裂强度越小；再生动物毛蛋白纤维的伸长率大于粘胶纤维，接近于桑蚕丝纤维，且在湿状态下的各项性能稳定；再生动物毛蛋白纤维的回潮率仅小于羊毛，而且随着蛋白质含量的增加而变大，故用其制作成服装后的穿着舒适性和抗静电性能均可达到羊毛面料的水平；再生动物毛蛋白纤维的体积比电阻随着蛋白质含量的增加而减少，并且远小于羊毛、粘胶纤维和蚕丝，因此，该纤维的导电性能好，抗静电。
(2)化学性能
再生动物毛蛋白纤维具有较好的耐酸、碱性。再生动物毛蛋白纤维水解速率随着酸浓度的增加而增大，这可能是酸对纤维素分子中甙键的水解起催化作用，使纤维素聚合度降低。但纤维素的水解速率在酸的浓度为3mol/L以下时，与酸的浓度几乎成正比，由此可见，再生动物毛蛋白纤维受到酸损伤的程度比纤维素小。而纤维在碱中的溶解是先随浓度增大而增大，其后却随浓度增大而降低，这可能是由于碱除了催化肽键水解外，还与纤维素的羟基以分子间力特别是氢键结合，形成分子化合物；也可能随着碱浓度增大渗透压反而减小，氢氧化钠渗透纤维困难。
再生动物毛蛋白纤维具有一定的耐还原能力。将纤维用1%硫化钠在65℃下处理1h，溶失率仅为2.47%。而据资料介绍，羊毛用1%硫化钠在65℃下作用30min，重量损失达50%。但纤维素一般不受还原剂的影响，一般还原剂对丝素的作用也很弱，没有明显的损伤。由此可知，还原剂不会使再生动物毛蛋白纤维受到明显的损伤。
3再生动物毛蛋白纤维的制备
现以再生动物毛蛋白/粘胶共混纺丝生产的再生动物毛蛋白纤维为例，介绍再生动物毛蛋白纤维的制备过程。该纤维的制备过程一般包含两个阶段：一是再生动物毛蛋白原液的制备；二是再生动物毛蛋白纤维的生产。
3.1再生动物毛蛋白纺丝原液的制备
原料：猪毛或羊毛下脚料、过氧乙酸、氢氧化钠。
工艺流程：猪毛或羊毛下脚料等洗涤烘干称重过氧乙酸水洗脱水稀碱水解过滤再生动物毛蛋白原液。
原理：猪毛、羊毛等蛋白在同一肽链的羰基(o=o）和氨基（―NH― ）之间生成氢键，氨基酸侧链上的―R基则指向螺旋外边，所以羊毛中的α-角蛋白中大部分为α-螺旋的二级结构，羊毛的α-螺旋区除氢键外，还有―S―S―桥的存在，根据其结构特点，作适当的结构改性处理，使蛋白质上产生一定的亲水性的―COONa和―SO3Na，从而溶解于水中形成水解蛋白质。
蛋白质与多肽间没有明显的界限，蛋白质是分子量大的肽，经部分水解时能生成多肽，为了使蛋白液中分子的分子量尽可能达到较大值，且又能溶解在稀碱水溶液中。同时还需考虑再生粘胶原液的性能指标(纤维素9 % ，游离碱含量4.3 %) ，因为水解蛋白质需要与再生粘胶原液按一定比例混合纺丝。
为了制得水解蛋白质，经多次试验,得出碱性水解的条件为： 稀碱（NaOH ）液浓度1.0 %；羊毛碱液重量比1:8；温度70℃～80 ℃；反应时间10min～15min。
3.2再生动物毛蛋白纤维的生产
原料：再生动物毛蛋白原液、再生粘胶原液、助剂1、助剂2。
工艺流程：（再生动物毛蛋白原液、再生粘胶原液、助剂1、助剂2）静态混合过滤计量纺丝塑化牵伸切断脱硫漂白酸洗上油（氨皂洗）脱水烘干。
纤维成形原理：在一定条件下将一定浓度水解蛋白原液与再生胶A 原液，按一定的配比混合进行纺丝，并经过后处理加工制成理想的再生动物毛蛋白纤维，这样蛋白质于纤维之中的肽键(―CO―NH―) 与纤维素中的―OH 形成氢键，产生较强的分子结合力，且十分牢固。水解蛋白液中的蛋白质含量和再生粘胶原液中纤维素含量相仿，水解蛋白液与再生粘胶原液、助剂1、助剂2 以25:65:6:4 逐渐递增到50:40:6:4 混合，分别制成复合纤维并对其性能进行测试，经反复多次试验确定，以30:60:6:4最为合适，制成的蛋白复合纤维性能非常优越，集蛋白质纤维和纤维素纤维的优点于一身，而且纤维中有多种人体所需的氨基酸，具有独特的护肤保健功能。
4再生动物毛蛋白纤维的纺织加工工艺
4.1纺纱工艺
(1)纺纱工艺流程(毛纺)
毛条制造：和毛加油（试验机）梳毛机（小型）头道并条二道并条三道并条（小型棉纺并条）毛条。
精梳毛纱：毛条混毛4次（针梳混）针梳精梳针梳2次针梳（匀整）针梳3次粗纱细纱络筒并线倍捻蒸纱成品机织纱。
（2）棉纺系统工艺流程（棉纺）
原料选配AS181A型梳棉机AS271型并条机（两道）FA401型粗纱机AS511A型细纱机1332M型络筒机。
根据对两种纤维混纺纱测试的结果看，再生动物毛蛋白纤维在棉纺系统加工时具有较好的可纺性能，它与棉纤维混纺的纱线同时具有纤维素纤维与蛋白纤维的手感与特征，纱线在各方面都表现出良好的性能特征，性能测试表明，利用设计的纺纱工艺，再生动物毛蛋白纤维含量较少或过多时，混纺纱强力较低，纱线不匀率增大，但毛羽指数较低。再生动物毛蛋白纤维/棉混比为60 /40左右时纱线的各项性能都较优。
4.2织造工艺
织造工艺流程
经纱：原料检验整经穿综。
纬纱：原料检验织造坯检生修烧毛洗呢煮呢匹染吸烘中检熟修洗刷灌蒸电压检验。
再生动物毛蛋白纤维面料，具有较高的断裂强度和断裂伸长率，同时具有良好的透气性和悬垂性。再生动物毛蛋白纤维与羊毛纱、绢纱交织的面料既有羊毛面料的手感，又有桑蚕丝面料的光泽，获得了新型面料的独特风格。再生动物毛蛋白纤维面料有望成为高档时装、内衣等的时尚面料，具有良好的开发前景。
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关键词：农作物秸秆；综合利用；资源化
我国是一个农业大国，据粗略估计，每年约产农作物秸杆8亿吨[1]。秸秆是农作物的主要副产品，也是十分宝贵的生物资源，主要含纤维、木质素、淀粉、粗蛋白、酶等有机物，还含有氮、磷、钾等营养元素。秸秆除了作燃料外，可以作肥料，也可以作饲料，还可以作工业原料。而目前只有一小部分用于纺织、造纸、建筑和饲料，绝大部分农作物秸杆仍露天焚烧或作燃料用，造成资源浪费，污染环境。
20世纪70年代后，世界能源危机的出现使人们开始将目光投向对可再生的生物能的开发利用上，并将研究开发的重点放在农作物秸秆的开发利用上。目前农作物秸秆开发与利用的主要技术手段分别是农作物秸秆的微生物发酵技术，如沼气发酵、燃料酒精发酵、饲料发酵；农作物秸秆的热化学转换技术，如热解液化技术、气化技术、致密成型及制炭技术；化学转化技术如化学制浆造纸。
1农作物秸秆利用基础
1.1秸秆的结构基础
农作物秸杆主要是玉米秸、高粱杆、稻草、麦杆、葵花杆以及花生壳、瓜籽皮、玉米芯等，其细胞壁的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，亦即天然纤维素原料的主要组成成分。秸秆之所以难以被开发利用，其原因在于细胞外存在由纤维素、半纤维素和木质素等构成的坚韧细胞壁。构成细胞壁的结构单位是微纤丝，微纤丝相互交织成网状构成细胞壁的基本构架，在纤维素的网络结构中交联着非纤维素的基质，这些分子包括半纤维素、木质素和果胶类物质。关于细胞壁各层的微纤丝结构，具有代表性的是Fengel所提出的木材细胞壁结构模型。Fengel[2]认为：直径为3nm的基元原纤维是最基本的形态结构单元，由16根（4×4）基元原纤维组成直径约为12nm的原纤维，再由4根（2×2）这样的原纤维组成一根比较粗的微纤丝，其直径约25nm。微纤丝相互缠绕构成了直径约为0.5nm，长度约为4um的大纤丝，以这种方式聚合而成的纤维素分子，其强度超过了同样粗细的钢丝。基元原纤维之间填充着半纤维素，而微纤丝周围包裹着木质素和半纤维素。纤维素、半纤维素和木质素相互交织，任何一类物质的降解必然受其它成分的制约，如木质素对纤维素酶和半纤维素酶降解天然纤维素原料中的碳水化合物有空间阻碍作用，致使许多纤维素分解菌不能侵袭完整的天然的纤维素原料。
1.2秸秆成分的理化性质
纤维素的聚集体分为结晶区和无定形区结构，结晶区部分分子排列比较整齐、有规则，密度较大，为1.588g/cm3，可以呈现清晰的X射线衍射图。无定形区部分分子链排列不整齐、较疏松，分子间距离大、密度较小，为1.500g/cm3。
纤维素链中每个葡萄糖基环上有3个活泼的羟基，这些羟基可以综合成分子和分子间的氢键，增强了纤维素分子链的完整性和刚性，使分子链紧密排列成高度有序的结晶区，增加了反应试剂到达纤维素羟基的难度。纤维素的物理性质包括以下几个方面：第一，纤维素的润胀，当纤维素吸收液体后，其外形的均一性虽然没有变化，但固体内的内聚力减小而容积增大，固体变软，即纤维素的润胀。对纤维素的润胀处理，可使纤维素大分子间的羟基结合力变弱，从而提高试剂向纤维素内部的扩散速度。其次，由于纤维素分子量大，内聚力也较大，扩散能力差，纤维素在容积中溶解所得的不是真的纤维素溶液，而是纤维素和存在于液体中的组分形成的一种加成的产物。纤维素的溶解问题在于纤维素的溶解度低。另外，纤维素热降解在300-375℃较窄的温度范围内发生热分解，加热进程不同，产物不同。在低温下（200-280℃）加热，脱水生成脱水纤维素，随后生成木炭和气体产品。在较高温度下（280-340℃）加热，生成易燃的挥发性产物(焦油)。
半纤维素既溶于碱（5%的Na2CO3溶液）又溶于酸（2%的HCl溶液）。由于半纤维素聚合度低，结晶结构无或少，因此，在酸性介质中比纤维素容易降解。
原本木质素是一种白色或接近无色的物质，我们看到的木质素的颜色是在分离、制备过程中形成的。木质素的相对密度大约在1.35-1.50之间，非常坚硬，从而增加细胞壁的硬度，不溶于任何溶剂，但在分离木质素时因发生了缩合或降解而使性质改变，在酚羟基和羧基存在时，木质素能溶于浓的强碱溶液中。
2农作物秸秆的利用技术
2.1秸秆饲料化技术
作物秸秆可以直接用作食草动物的饲料，但适口性较差，采食量少。秸秆氨化处理后，粗蛋白由3-4%提高到8%左右，有机物的消化率提高10－35个百分点，并含有多种氨基酸，可以代替30%－40%的精饲料。因此，氨化秸秆喂羊、牛等，效果很好。秸秆也可以粉碎成草糠，作动物辅助饲料。秸秆氨化处理实际上是碱处理的一种形式，即NH3溶于水变成NH40H。通过氨化处理的秸秆，将不易溶解的木质素变成较易溶解的羟基木质素，使细胞间的镶嵌物质与细胞壁变得松散，利于纤维素酶和消化液渗透其内。大量研究结果表明：品位越差的秸秆，氨化处理的效果越显著。小麦秸秆氨化处理后，使有机物的消化率提高35%；玉米秸秆氨化处理后，使有机物的消化率提高25%。
秸秆青贮主要是利用玉米、豆类、甘薯等优质秸秆进行青贮。通过青贮，既保存秸秆原有的品质、增加醇香味、增强适口性，而且保存时间较长，可把夏秋的青绿饲料保存到冬季利用，特别对促进幼畜生长发育增加母畜产奶量效果好，已逐步成为反刍动物的重要饲料。
微生物发酵秸秆饲料是利用高活性微生物菌剂，放入密封的容器(如水泥窖、土窖等)中贮藏，经过一定的厌氧发酵过程，将秸秆饲料的某些成分进一步合成为营养价值较高或适口性较好的物质，使秸秆变成质地松软、湿润蓬松、酸香适口的粗饲料，是解决人畜争粮矛盾的有效途径之一。
目前秸秆经微生物发酵转化生产蛋白质饲料或单细胞蛋白（SCP）有一定进展。陈庆森等[3]以秸秆为原料，利用多菌种混合发酵，经测定发酵液中玉米秸秆的纤维素利用率达70%，粗蛋白得率在23%以上，大大提高了玉米秸秆的营养值，同时对替代饲用粮生产蛋白富集饲料提供了很好的基料。杨学震[4]用发酵法将玉米秸秆生物转化为蛋白饲料，将秸秆中原6.7%的蛋白含量提高到14.7%，同时使纤维素含量降低38.0%，半纤维素含量降低21.2%。
2.2秸秆能源化技术
秸秆的能源密度为13-15MJ/Kg，作为农村主要的生活燃料，其能源化用量占农村生活用能的30%-35%。现行主要的秸秆能源化利用技术有秸秆直燃、供热技术、秸秆气化集中供气技术、秸秆发酵制沼技术、秸秆发酵生产燃料酒精技术、秸秆压块成型及炭化技术等。
秸秆直燃供热作为传统的能量转换方式，直接燃烧具有经济方便、成本低廉、易于推广的特点，可在秸秆主产区为中小型企业、政府机关、中小学校和相对比较集中的乡镇居民提供生产、生活热水和用于冬季采暖。目前，英国、荷兰、丹麦等国家已采用大型秸秆锅炉用于供暖、发电或热电联产。我国秸秆直燃供热技术起步较晚，适合我国农村特点的、运行费用低于燃煤锅炉的小型秸秆直燃锅炉的研究正加紧进行。
秸秆气化是高品位利用秸秆资源的一种生物能转化方式。经适当粉碎后，秸秆在气化装置内不完全燃烧即可获得理论热值为5724KJ/m3的燃气，其典型成分为：CO20%，H215%，CH42%，CO212%，O21.5%，N249.5%。燃气经降温、多级除尘和除焦油等净化和浓缩工艺后，由罗茨风机加压送至储气柜，然后直接用管道供用户使用。秸秆气化集中输供系统通常由秸秆原料处理装置、气化机组、燃气输配系统、燃气管网和用户燃气系统等五部分组成，供气半径一般在1公里之内，可供百余户农民用气。秸秆气化经济方便、干净卫生、在小康村镇建设中广受欢迎。但大规模推行秸秆制气还需解决气化系统投资偏高，燃气热值偏低，以及燃气中氮气与焦油含量偏高等问题。
秸秆发酵制沼气技术历史悠久，是多种微生物在厌氧条件下，将秸秆降解成沼气，并副产沼液和沼渣的过程。沼气含有50%-70%的甲烷，是高品位的清洁燃料，它可在稍高于常压的状态下，通过PVC管道供应农家，用于炊事、照明、果品保鲜等，或加工成动力燃料和甲醇等做双料发动机燃料。秸秆可直接投入沼气池，也常用做牲畜饲料，转化成粪便进入沼气池，池中秸秆、人畜粪便、和水的配比一般为1:1:8，在产沼过程中，需定期投入发酵基质及清理沼渣。实践表明：一个3-5口人的家庭，建一口8-10m3的沼气池，年产300-500m3的沼气，可满足一日三餐和晚间的照明用能。因此，秸秆制沼不仅可优化农村能源结构，节约不可再生能源的消耗，还具有良好的经济、环境和生态效益。
秸秆发酵生产燃料酒精技术是以秸秆纤维素为原料制备乙醇的研究，早在100多年前就开始了。这一过程包括三个阶段：第一，通过物理的、化学的或酶技术将纤维素聚合物降解为单糖；第二，微生物将糖转化为乙醇；第三，通过蒸馏回收乙醇。其中，第一阶段最为重要。早期的研究主要是采用蒸汽爆破法和浓酸法水解糖化纤维素成葡萄糖。蒸汽爆破法是用蒸汽将原料加热至200-240℃[5]。维持30S～20min高温高压造成木质素的软化，然后迅速使原料减压。造成纤维素晶体和纤维束的爆裂，使木质素和纤维素分离。稀酸水解一般采用稀硫酸（0.5%～0.2%），可在较温和条件下进行，水解一般分二个阶段，第一阶段为低温操作，从半纤维素获得最大糖产量。第二阶段采用高温操作，使纤维素水解为六碳糖，糖的转化率一般为50%左右。稀酸水解容易产生大量副产物，浓酸法耗酸量大，对设备腐蚀性大，能耗高。20世纪60年代人们认识到可以从纤维素获得葡萄糖来补充人类食物的来源，这样就加速了纤维素酶的研究。1979年，遗传育种技术[6]用于提高纤维素酶产量，使纤维素酶的发酵活力较原始出发菌株提高了20多倍。从现有的水平来看，采用温和的酶水解技术可能更为合适，酶水解是生化反应，与酸水解相比，它可在常压下进行。这样减少了能量的消耗，并且由于酶具有较高选择性，可形成单一产物，产率较高（>95%）。
2.3秸秆肥料化技术
目前秸秆肥料的利用技术有秸秆直接还田和秸秆堆沤还田。秸秆直接还田有翻压还田和覆盖还田两种形式。翻压还田指作物收获后，将秸秆粉碎或留高茬直接翻压土中。覆盖还田是将秸秆覆盖于田间地表或作物株行之间，或是残茬覆盖，即当农作物收获时，留高茬还田，采取免耕翻覆盖。秸秆堆沤还田是将秸秆用铡草机切碎堆起来或投入坑中，灌入水，然后用土封起来沤制秸秆[7]。目前，通过选育出分解纤维素的优良微生物菌种或加快秸秆腐熟的化学制剂，解决了传统堆沤形式劳动强度大、堆沤时间长、污染环境等问题。用秸秆与畜禽粪积制堆肥，粪与草隔层堆积、压实。这样可以促进熟化，提高肥效。
2.4秸秆其它应用技术
秸秆除了以上用途之外，还可以利用秸秆发电，造纸，生产可降解的包装材料，制作人造板等。目前我国造纸制浆原料中，1/3来源于秸秆，其制浆具有成本低廉、成纸平滑度好，容易施胶等优点。用麦秸、稻草、玉米秸、苇秆、棉花秆等生产出的可降解型包装材料，如瓦楞纸芯、保鲜膜、一次性餐具、果蔬内包装衬垫等，具有安全卫生、体小质轻、无毒、无臭、通气性好等特点，同时又有一定的柔韧性和强度，制造成本与发泡塑料相当，而大大低于纸制品和木制品，在自然环境中，一个月左右即可全部降解成有机肥。
3展望
目前秸秆的综合利用技术，正从早期的直接或堆沤还田、烧火做饭取暖、加工粗饲料，向着快速腐熟堆肥、气化集中供气、优质生物煤、高蛋白饲料和易降解包装材料、有价工业原料及高附加值工艺品等方向发展。从农业生态系统能量转化的角度来分析，单纯采用某一种利用方式，秸秆能量转化率和利用率会受到限制。因此，根据各类秸秆的组成特点，因地制宜，把其中几种方法有机地组合起来，形成一种多层次、多途径综合利用的方式，从而实现秸秆利用的资源化、高效化和产业化是未来生态农业发展的必然趋势。
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关键词：纤维素酶；奶牛营养；应用
中图分类号：S816.7 文献标识码：B 文章编号：1007-273X（2013）07-0067-04
反刍动物特殊的消化系统，决定其可以利用大量的粗饲料，通过瘤胃发酵可提供大约70%～80%的能量需要。纤维素是地球上最丰富、最廉价的可再生资源。为充分利用纤维素资源，目前许多国家已利用微生物发酵法生产纤维素酶来降解纤维素，在技术研究开发方面已初见成效。
纤维素酶是指能催化纤维素水解成较小的寡糖或者低聚糖的一种酶，它通过破坏纤维素内部的糖苷键而起作用，主要由各种细菌和真菌等产生。纤维素酶具有高效性和安全性，是当前开发非常规饲料及提高现有常规饲料资源利用率和提高畜禽生产性能的重要途径之一。
中国是一个农业大国，纤维废弃物数量巨大。据统计，我国每年有农作物秸秆9亿～13亿t，甘蔗渣400多万t，森林采伐加工纤维剩余物1 000多万t[1]。对于反刍动物，粗饲料的有效供给十分重要，虽然只有约50%的纤维素能被其很好地消化利用，但它依然是反刍动物能量的主要来源[2]。开发和利用纤维素作为饲料来源，对解决我国饲料资源紧张具有重大现实意义，也是促进我国畜牧业可持续发展的有效途径。因此，饲用纤维素酶将在未来的动物生产中具有不可低估的作用。
1 粗纤维对反刍动物的作用及提高粗纤维利用率的措施
1.1 粗纤维对反刍动物的作用
粗纤维是反刍动物的一种必需营养素，对维持动物胃肠道的健康起着重要作用。其主要功能有：提供能量；控制采食量；维持瘤胃正常生理功能；促进胃肠道的消化吸收；维持乳脂率和产奶量。但是粗饲料也存在自身固有的营养缺陷，容积大、适口性差、采食量低、粗蛋白含量低，总能高但消化能低等。虽然随着作物育种和先进栽培技术的发展，粗饲料在家畜体内的消化率有所提高，但低消化率依然是限制反刍动物能量摄入的主要因素[3]。
1.2 提高粗纤维利用率的措施
提高粗饲料利用价值的关键在于破坏植物细胞壁，弱化或破坏木质素与纤维素或半纤维素之间的酯键，促进纤维素和半纤维素在瘤胃内的发酵，软化粗饲料，提高其适口性。
对粗纤维行之有效的加工方法主要有物理、化学和生物学方法。物理方法是将粗饲料切短及粉碎，破坏纤维素的结构，增加其与消化液的接触面积。该方法在提高粗饲料适口性与采食量方面有一定作用，但对提高粗饲料的营养价值作用不大。化学方法是利用化学试剂对粗饲料进行处理，使其内部化学结构发生改变，更易被瘤胃微生物所消化，主要方法有碱化法和氨化法。生物学方法主要是利用酶制剂-复合纤维素酶对粗纤维进行处理，该方法有用量小、可明显提高饲料利用率、安全系数高、使用方法简便等优点，具有广阔的应用前景。
2 纤维素酶的分类及作用
2.1 饲用纤维素酶的分类
纤维素酶的种类很多，根据功能的差异分为3类，即内切纤维素酶、外切纤维素酶、β-葡萄糖苷酶[4]。①内切纤维素酶（又称内切-β-1，4-葡聚糖酶，羧甲基纤维素酶）。主要作用：在纤维素酶分子内部随机断裂β-1，4-糖苷键，将长链纤维素分子截短，产生大量小分子纤维素，如纤维素糊精、纤维二糖及葡萄糖；②外切纤维素酶（又称外切-β-1，4-葡聚糖酶、微晶纤维素酶或纤维二糖水解酶）。主要作用：可将短链的非还原性末端纤维二糖残基逐个切下。③β-葡萄糖苷酶。主要作用：可将纤维二糖及其他低分子纤维糊精水解成葡萄糖或芳基残基。
实际上在分解晶体纤维素时任何一种酶都不能单独裂解晶体纤维素，只有这3类酶共同存在、协同作用方能完成水解过程。
2.2 饲用纤维素酶的作用
反刍动物瘤胃内微生物自身能够合成一定量的纤维素酶，使粗饲料的消化吸收受到一定程度的限制。有研究证实，外源酶在瘤胃和十二指肠内都具有稳定的活性[5]。外源性纤维素酶可以提高纤维素在瘤胃内的消化率，增加可利用能量的摄入[3]。使用酶制剂可以：①打破细胞壁。纤维素是植物体内的重要结构性多糖，是细胞壁的主要组成成分。细胞壁阻碍畜禽体内消化酶与细胞内营养物质的接触，纤维素酶与半纤维素酶、果胶酶等协同作用，可破坏植物的细胞壁，使细胞内营养物质外泄，从而被淀粉酶和蛋白酶等内源酶进一步降解，所以除了细胞壁被降解供能外，还提高了胞内物质的消化率，从而有效地提高了饲料的有效能值。②补充内源酶不足。反刍动物体内虽有一定量的分解纤维素的微生物存在，但其产生的纤维素酶有限。添加纤维素酶可补充内源酶的不足，提高动物对粗纤维的利用率。③消除抗营养因子。日粮中添加纤维素酶后，在半纤维素酶、果胶酶等共同作用下，可将植物性饲料中的纤维素、半纤维素、果胶等大分子物质降解为单糖和寡糖，从而加速内源酶的扩散，增大酶与营养物质的接触面积，提高营养物质的消化率。
3 纤维素酶在奶牛营养与饲料中的作用
早期，在生产中对反刍动物添加外源性酶制剂的做法并不被人们认可，认为酶蛋白会被瘤胃内的蛋白酶所降解[6]。而后来许多学者的研究结果则反驳了这样的说法。Fontes等[7]报道某木聚糖酶在瘤胃液中非常的稳定。另外，Hristov等[8]报道纤维素酶直接加入瘤胃依然能保持部分活力。
3.1 纤维素酶在奶牛精料中的应用
Yang等[9]报道，在奶牛泌乳早期的精料中添加纤维素酶和木聚糖酶后其干物质、有机物、粗蛋白质的消化率由63.9%、64.7%、62.7%提高到66.6%、68.4%、67.0%。日产奶量也由35.3 kg提高到37.4 kg（提高了6%）。Hristov等[8]报道在日粮中添加纤维素酶和木聚糖酶，可提高可溶性糖的含量（P
3.2 纤维素酶在青贮饲料中的应用
青贮饲料在我国已成为奶牛日粮中不可缺少的常规组成部分，也是反刍动物日粮中采食量最大的一类饲料。在青贮饲料调制过程中，添加纤维素酶制剂可以加快青贮发酵进程，改善青贮饲料品质，降低青贮饲料中NDF的含量，提高青贮饲料利用率和奶牛生产性能。
Eun等[11]在以青贮玉米和苜蓿干草为主的饲料中使用纤维素酶和木聚糖酶（1.4 mg/g干物质）饲喂奶牛，青贮玉米和苜蓿干草NDF的降解度分别提高到60.3%和20.6%。Kung等[12]在饲草中喷洒纤维素酶和木聚糖酶可以显著提高反刍动物瘤胃内挥发性脂肪酸产量，这与Wallace等[13]的结果相一致。Stokes 等[14]报道在奶牛粗饲料中喷洒纤维素酶可以使干物质采食量提高10.7%，产奶量提高14.7%。Schingoethe等[15]的试验结果表明当奶牛饲喂纤维素酶和木聚糖酶处理后的玉米和苜蓿混合青贮时2～4周后其产奶量提高10.8%，但对泌乳中期奶牛的产奶量影响较小，饲喂加酶青贮和低精粗比（45︰55）日粮的奶牛生产性能和饲喂未加酶青贮和高精粗比日粮（55︰45）相比无显著差异。
4 不同饲料条件和奶牛泌乳阶段对纤维素酶利用效果的影响
4.1 不同饲料条件对纤维素酶利用效果的影响
酶制剂的不同的饲料条件，如添加在干燥的饲草、新鲜的饲草、青贮饲料中[16，17]或者纤维素酶直接灌注瘤胃、添加在全混合日粮或者精料部分[18，19]添加效果并不相同。还有研究者表明纤维素酶添加在干燥的饲料中比相对湿润的饲料中利用效果更好[16，17]。Rode等[20]和Yang等[10]都报道在精料和干草中添加液体纤维素酶均可提高产奶量，但是在TMR中效果并不明显。Beauchemin等[16]研究提出，干燥的饲料中添加酶制剂可以增强酶与饲料中酶底物的结合力，使酶抵抗瘤胃内蛋白酶水解力增强，从而延长酶在瘤胃内的停留时间。Morgavi等[21]也提出向干燥的饲料喷洒纤维素酶，外源酶和瘤胃微生物酶产生协同作用，可提高粗纤维在瘤胃中的消化率。在瘤胃中，瘤胃微生物与饲料颗粒相结合，各种消化酶作用于各自的酶底物。但在青贮饲料或者TMR等含水量较大的饲料中添加酶制剂，酶与饲料结合不紧密而易被溶入瘤胃液中，并在酶制剂发挥作用之前就随瘤胃液通过瘤胃。因此酶制剂并不能充分发挥其作用[9]。在奶牛精饲料中添加纤维素酶可提高干物质消化率，增加产奶量。但干物质采食量并没有明显增加。而在TMR日粮中添加纤维素酶虽然可以提高饲料有机物和蛋白质消化率，但是对产奶量提高效果并不明显[9]，这与Beauchemin等[16]报道相一致。
4.2 奶牛不同泌乳阶段对纤维素酶利用效果的影响
Schingoethe等[15]报道对泌乳初期奶牛饲喂纤维素酶处理过的饲草效果较好，而对泌乳中、后期奶牛效果并不明显。Nussio等[22]同样发现纤维素酶对泌乳初期奶牛产奶量有较大的提高。日粮中添加纤维素酶可以提高粗纤维的消化率，增加消化能的摄入，可以减弱能量负平衡对泌乳早期奶牛的影响，增加产奶量[17]。
5 纤维素酶应用中存在的问题
纤维素酶作为一种新型饲料添加剂，已显示出良好的应用前景。但还是存在以下问题：①缺乏基础理论研究。对于饲用纤维素酶的应用研究很多，基础理论研究却很少有人问津。纤维素酶与基础日粮及其他酶类的互作关系、在消化道内的作用模式、对于生理及内分泌的影响等尚需进一步研究。②添加量问题。外源纤维素酶可以提高瘤胃对粗纤维的消化率，其中酶的用量和活性是关键因素[11]。虽然国内外有关纤维素酶应用的研究报道很多，但添加水平和结论并不一致。对于不同酶活性的产品、不同动物种类、不同生理阶段以及不同饲料品种的适宜添加量尚未明确。③纤维素酶的使用与动物消化生理条件相适应的问题。饲喂纤维素酶对于不同种类、不同发育阶段动物消化酶系的变化及纤维素酶添加后对内源酶活力影响的研究尚不够深入，难以合理地根据动物内源酶状况补充各种纤维素复合酶制剂，以改善纤维素酶单独使用效果不佳的状况。Eun等[11]报道大部分外源纤维素酶都含有纤维素酶和木聚糖酶，但是两种酶之间的比例以及酶制剂对不同的饲草发挥作用的最适条件都还不明确。④稳定性问题。纤维素酶是一种微生物制剂。对温度、湿度、酸、碱等敏感，处理不当易失活，导致饲用效果不稳定。⑤纤维素酶作为新型饲料添加剂进入我国市场时间不长，所以纤维素酶的质量标准、检验方法标准特别是添加纤维素酶以后的饲料产品质量标准在我国还是空白。因此，建立一种检测饲用纤维素酶活性的标准方法，是饲料工业发展的迫切需求。
6 小结
纤维素酶作为新型饲料添加剂进入我国市场时间不长，近年来的研究结果也表明在奶牛饲料中无论以何种形式添加纤维素酶均可提高饲料利用率，改善粗饲料的营养价值，提高生产性能，降低饲料成本，这是对传统的反刍动物营养理论的一种突破。因此纤维素酶具有广阔的开发应用前景。随着现代生物技术的飞速发展，随着纤维素酶的检测方法、作用机制、酶系组成、耐热性、作用温度、pH和抗蛋白酶水解能力等方面的深入研究，纤维素酶在未来的动物生产中将会起到不可低估的作用。
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为粘胶“改名”
对于纺织人而言，“粘胶”已经是和棉麻丝毛等天然纤维并驾齐驱的常规纤维原料， “粘胶”这个称呼似乎也成为了一个“行话”。说到粘胶，从上游到下游几乎无人不知，然而说到“纤维素纤维”却很尴尬。潘伟业对此非常无奈，但正是这样的一种现状，更激发了赛得利集团为纤维素纤维“正名”的动力。
潘伟业告诉记者：“纤维素纤维的英文为VISCOSE，它在引入中国时，翻译为粘胶纤维。其实VISCOSE只是生产过程中一个环节纤维溶液状态的描述。粘胶纤维这个名字既不准确也不能很好的体现该纤维的特性，而且还会产生负面影响。”据悉，2015年赛得利将VISCOSE的中文名称更改为纤维素纤维。对此，中国化学纤维工业协会也表示支持，认为纤维素纤维的名字更能表现纤维源自天然，绿色环保的特性。
去过赛得利在纱线展展台的人都会对其展台上突出的高耸树木印象深刻，而这正是纤维素纤维的原料。纤维素纤维的外形和手感接近棉花，具有柔软、透气、吸湿等特性，由于比表面积非常大，染色效果出色，颜色饱满，光泽好，可通过针织或机织加工成适用于内衣、婴儿服装、短裙、衬衫、连衣裙等服装面料，穿着柔软、舒适；同时也是高端床单、毛巾、桌布、餐巾、家具罩、窗帘等家纺用品的好选择；还是婴儿湿巾、美容面膜、医用敷料和其他一次性卫生产品的可靠基础材料。潘伟业告诉记者：“由于原料来自天然木材，纤维素纤维百分之百可生物降解。”
与棉花的“较量”
纤维素纤维柔软、吸湿、源自天然的属性使得其成为了可以与棉花媲美的“化学纤维” ，也是纺织行业经常拿来替代棉花的纤维，尽管随着棉花资源的紧缺，“超仿棉”等聚酯纤维不断进行改性以求贴近“棉花”的特性，但纤维素纤维的行业地位一直非常稳固。
而且，潘伟业告诉记者，纤维素纤维不仅仅是可以媲美棉花那么简单，在某种程度上甚至优于棉花。“与棉花相比，纤维素纤维至少有两大优势。”潘伟业说道，“首先是原料的可持续性：棉花的种植受土地限制，需要消耗大量的水，而纤维素纤维的溶解浆来自管理规范的速生桉树种植林，天然可再生、原料稳定，可以很好地替代棉花，为人们提供一种新选择；其次是纤维品质：纤维的可纺性很大程度上取决于纤维的长度，而棉纤维的长度因水肥、品种、气候等的不同而长短不一，纤维素纤维由溶解浆拉丝后，可以切得很均匀，可以保证38mm，这就为客户产品工艺和品质稳定打下了坚实基础。”
潘伟业介绍，赛得利目前在中国共有三个纤S生产基地和一个纱线生产基地，分别是：赛得利（福建）纤维有限公司、赛得利（九江）纤维有限公司、赛得利（江西）化纤有限公司以及林茨（南京）粘胶丝线有限公司。其中林茨（南京）粘胶丝线有限公司是赛得利于2016年5月收购的下游产业。该公司拥有2520头气流纺和384锭涡流纺纱，2017年3月又另外添置了7200锭紧密赛络纺，生产的高品质纤维素纤维纱畅销世界各地。
潘伟业告诉记者，收购林茨（南京）粘胶丝线有限公司是集团公司从更好的服务客户以及提升产品质量的角度出发进行的决策。通过介入下游产业，赛得利可以更好的进行纤维生产，生产出更高品质的纤维素纤维。“高品质的纤维素纤维以及高端应用市场一直以来都是我们赛得利的定位和追求。”潘伟业说道。
从原料开始 全方面保障“高品质”
赛得利坚持高品质的定位并非“狂妄之言”，其从原料到生产都在行业内独树一帜，尤其是海外全资的种植林更是为其从原料就打下了坚实的基础。潘伟业告诉记者：赛得利使用的木材是一种在印度尼西亚、巴西等阳光、雨水充足的热带地区种植的树种――桉树，这也是赛得利的一项独家业务。桉树长得很快，种植6年即可采伐。纤维素纤维的生产过程，就是把桉树制成的木片在当地加工成溶解浆，然后运输至中国境内的赛得利公司，通过相应生产设备拉丝、洗涤、烘干等，最后生产出纤维素纤维。
潘伟业告诉记者：作为赛得利这样一家将可持续发展作为重要理念的公司来说，对于原料，赛得利不使用由天然树木、古老或濒危树种加工的溶解浆，不从具有高保护价值或高碳储量的森林，或濒危物种栖息地采购溶解浆。在巴西、印尼的桉树种植园，赛得利配有专门的苗圃和研究中心，既可保证稳定、可持续的供应，又能在原区域重新种植、快速恢复。
“赛得利巴伊亚特种纤维素厂临近种植园和深水港口，是世界上最现代化的工厂之一，年产优质溶解木浆 48.5 万吨，占全球供应量的10%以上。桉树有几百种品种，赛得利根据不同的桉树品种开发出了不同的溶解浆，可应用于众多不同的领域，而且每6年就可以进行优化。”潘伟业说道。由于掌控原料，并且可自主优化改良，赛得利拥有独特强劲的竞争优势。
