李國棟　趙圣國　張養(yǎng)東　鄭　楠　李松勵　趙國琦　王加啟

(1.中國農(nóng)業(yè)科學院，北京畜牧獸醫(yī)研究所，動物營養(yǎng)學國家重點實驗室，北京100193；2.揚州大學，動物科學與技術學院，揚州225009)

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秸稈飼料化預處理方式及其發(fā)酵抑制化合物的作用機理

李國棟1,2趙圣國1*張養(yǎng)東1鄭楠1李松勵1趙國琦2王加啟1

(1.中國農(nóng)業(yè)科學院，北京畜牧獸醫(yī)研究所，動物營養(yǎng)學國家重點實驗室，北京100193；2.揚州大學，動物科學與技術學院，揚州225009)

農(nóng)作物秸稈作為一種資源豐富、來源廣泛的生物質(zhì)資源，在畜牧業(yè)和生物能源產(chǎn)業(yè)應用潛力巨大。但由于其復雜的化學組成以及抗性結(jié)構，使其不能直接高效地通過生物轉(zhuǎn)化所利用。通過預處理可以降低秸稈纖維素的結(jié)晶度，提高秸稈的利用率。然而預處理過程不可避免地使秸稈在高溫或化學催化作用下過度降解，并伴隨著副產(chǎn)物的產(chǎn)生，對后續(xù)微生物發(fā)酵有抑制作用。本文綜述了秸稈的稀酸、堿、蒸汽爆破以及生物預處理技術的研究進展，并對預處理副產(chǎn)物呋喃類衍生物、弱酸類和酚類化合物的產(chǎn)生與抑制機理作一綜述。

農(nóng)作物秸稈；預處理；抑制物

我國是糧食生產(chǎn)大國，也是秸稈生產(chǎn)大國，每年可生產(chǎn)秸稈7億t以上，約占全世界秸稈總量的20%，其中，稻草、玉米秸、麥秸是我國產(chǎn)量最高的3大作物秸稈，占全國秸稈總產(chǎn)量的61%[1]。在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的農(nóng)村和大城市郊區(qū)，由于燃料結(jié)構改變和化肥的廣泛使用，秸稈剩余量高達70%～80%，這些秸稈最后大多被焚燒。秸稈露天焚燒即浪費資源又影響交通，也是秋冬季霧霾形成的原因之一，帶來嚴重的社會問題。因而，如何開發(fā)利用秸稈資源成為當今農(nóng)業(yè)發(fā)展的重大課題之一。秸稈飼料化既可以節(jié)約大量糧食，也能解決畜牧業(yè)牧草不足的難題[2]；秸稈纖維素乙醇生產(chǎn)可直接替代工業(yè)乙醇生產(chǎn)所消耗的大量糧食，對國家糧食安全具有重大戰(zhàn)略意義[3]；秸稈沼氣作為高效清潔能源，既能解決秸稈焚燒帶來的環(huán)境問題，又緩解農(nóng)村能源緊張的局面[4]。近些年來，秸稈飼料化、秸稈的生物乙醇轉(zhuǎn)化以及生物沼氣轉(zhuǎn)化等逐步受到國內(nèi)外重視，并成為研究熱點。

農(nóng)作物秸稈的化學組成主要包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，由于其組成復雜，結(jié)構穩(wěn)定，生物降解很難進行，因此要對原料進行預處理。通過預處理破壞半纖維素和木質(zhì)素的結(jié)構，降低纖維素的結(jié)晶度，使酶與纖維素充分接觸，有利于酶解反應的進行。然而，農(nóng)作物秸稈經(jīng)過預處理后，木質(zhì)素、纖維素以及半纖維素都不可避免地在高溫或化學催化作用下過度降解產(chǎn)生對后續(xù)纖維素酶水解和生物發(fā)酵有抑制作用的副產(chǎn)物，主要分為呋喃類衍生物、弱酸類和酚類化合物3類。這些副產(chǎn)物既能抑制纖維素酶的活性，降低酶解效率，又能抑制微生物的碳代謝過程。

1　秸稈預處理方式

秸稈預處理方式中應用比較廣泛的主要有物理預處理、化學預處理、生物預處理。物理法主要包括粉碎、球磨和蒸汽爆破等，化學法主要包括堿處理和酸處理等，生物法主要包括酶解和微生物發(fā)酵等。這些預處理方法在改善秸稈特性，提高秸稈降解率的同時又各有其局限性。傳統(tǒng)的機械處理、化學處理等技術能耗較高且存在環(huán)境污染問題，已不適應于現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)與應用；生物處理在處理成本上占據(jù)優(yōu)勢，但其較長的預處理時間與生產(chǎn)周期限制了其工業(yè)化應用；蒸汽爆破處理相對于其他預處理方法，在能耗、環(huán)境友好性、處理效果上有著明顯優(yōu)勢，是預處理技術發(fā)展方向之一。表1為幾種常見的秸稈預處理方法之間的比較。

表1　常見秸稈預處理方法的比較

1.1稀酸預處理

稀酸預處理是研究最早也是目前最成熟的預處理方式之一，其能破壞纖維素的晶體結(jié)構，打破纖維素與木質(zhì)素之間的連接，同時溶解半纖維素。用于不同木質(zhì)纖維素預處理的酸，包括稀硫酸、稀硝酸、稀鹽酸、稀磷酸和稀草酸。其中，稀硫酸成本低、效率高、環(huán)境污染小更適合工業(yè)化。陳尚钘等[19]研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈在0.75%的稀硫酸、150 ℃、80 min條件下，半纖維素降解率為98.02%，預處理渣纖維素酶水解得率為66.95%。Kootstra等[20]則發(fā)現(xiàn)，與稀硫酸相比有機酸類馬來酸和富馬酸的預處理副產(chǎn)物中抑制物糠醛的含量較少。

秸稈類物質(zhì)稀酸預處理過程中，添加合適的表面活性劑，有提高纖維素酶解效率的作用。Qing等[21]研究了吐溫80、十二烷基苯磺酸和聚乙二醇4000作為玉米秸稈稀酸預處理添加劑的效果，結(jié)果顯示，這些表面活性劑能有效去除秸稈中的木質(zhì)素成份，且通過增加生物質(zhì)的疏水性從而提高纖維素的酶解效率。Qi等[5]在對小麥秸稈稀硫酸預處理時加入0～1%吐溫20也得到了類似的結(jié)果。因此，秸稈類物質(zhì)稀酸預處理中添加表面活性物質(zhì)效果更好。

稀酸處理與其他預處理方式組合，在實際生產(chǎn)中效果更好。Zhang等[6]研究發(fā)現(xiàn)酸堿復合處理可去除玉米芯中大部分非纖維材料，經(jīng)過同步糖化發(fā)酵乙醇濃度為69.2 g/L,乙醇得率高達81.2%。潘裕清等[22]研究了草酸預浸汽爆玉米芯的酶解狀況，結(jié)果顯示其葡萄糖產(chǎn)量較中性蒸汽爆破玉米芯和未處理玉米芯分別提高32.3%和214.87%。稀酸預處理具有價格低、工藝簡單等優(yōu)點，但其腐蝕性對設備要求較高，處理過程中會產(chǎn)生乙酸、糠醛等發(fā)酵抑制物。

1.2堿預處理

堿預處理主要是利用OH-使木質(zhì)素的醚鍵斷裂，削弱半纖維素和纖維素之間的氫鍵，皂化半纖維素和木質(zhì)素之間的酯鍵，使得木質(zhì)纖維素原料的結(jié)晶度降低，更易于水解。秸稈原料的堿處理一般使用NaOH、Ca(OH)2和氨溶液。Varga等[10]研究發(fā)現(xiàn)，10% NaOH、120 ℃條件下處理玉米秸稈60 min，木質(zhì)素的去除率達到95%。NaOH對纖維素的出色的脫木質(zhì)素以及潤脹能力，能增加纖維素酶的作用面積，降低纖維素的聚合度，對實現(xiàn)生物質(zhì)的高效轉(zhuǎn)化是必不可少的。同時，NaOH預處理也存在著試劑回收困難、環(huán)境污染等問題。Ca(OH)2與NaOH預處理相比成本低、環(huán)境污染小，且可以通過與CO2反應從水解產(chǎn)物中回收。Gu等[11]研究了Ca(OH)2預處理對稻草秸稈厭氧消化的影響，結(jié)果顯示，Ca(OH)2預處理顯著增加了稻草秸稈的產(chǎn)沼氣率和酶水解效率；且傅立葉變換紅外光譜(FTIR)分析表明，Ca(OH)2預處理有脫木質(zhì)素和降低結(jié)晶度的作用。

秸稈飼料厭氧堿貯技術在國內(nèi)外有廣泛的研究進展。Shi等[7]用CaO處理后的玉米秸稈搭配干酒糟及其可溶物(DDGS)部分替代泌乳中后期奶牛飼糧中野生黑麥、玉米青貯和玉米粒，結(jié)果顯示，乳糖含量及4%乳脂校正乳、乳脂和乳蛋白產(chǎn)量并未受到顯著影響，且收益增加。Wanapat等[8]研究發(fā)現(xiàn)，水牛飼喂經(jīng)尿素處理的水稻秸稈后，瘤胃液中產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌、黃色瘤胃球菌和白色瘤胃球菌數(shù)量均有增加，說明經(jīng)尿素處理的秸稈更有利于水牛瘤胃纖維分解菌的黏附與定植。此外，Polyorach等[9]的試驗發(fā)現(xiàn)，尿素和Ca(OH)2復合處理可提高稻草的營養(yǎng)價值，促進肉牛瘤胃發(fā)酵，且比單一的尿素處理更經(jīng)濟。堿處理在脫木質(zhì)素和降低結(jié)晶度的同時，伴隨苯酚、對甲酚和香草醇等物質(zhì)產(chǎn)生，對微生物發(fā)酵產(chǎn)生抑制；堿處理還會導致部分生物質(zhì)的溶解，造成原料損失。

1.3蒸汽爆破

蒸汽爆破，由于其潛在破壞纖維素、木質(zhì)素的結(jié)晶結(jié)構以及水解半纖維素的特性，是目前使用最廣泛的物理預處理方法。在蒸汽爆破中，生物質(zhì)原料被高壓飽和蒸汽加熱，維持一定時間后，然后迅速減壓的過程。高溫高壓環(huán)境下，半纖維素部分降解，木質(zhì)素被軟化；瞬間的減壓，巨大的剪切力使纖維細胞間的結(jié)晶減弱，細胞壁結(jié)構破壞，木質(zhì)素部分降解，纖維素暴露出來。王玉等[23]研究了汽爆預處理對水稻秸稈纖維結(jié)構的影響，F(xiàn)TIR結(jié)果顯示，汽爆預處理對秸稈纖維素結(jié)構影響不大，對降低半纖維素含量有重要作用；掃描電鏡與X-射線衍射分析結(jié)果表明，汽爆預處理后秸稈表面形態(tài)變化較大，結(jié)晶度隨著壓力與穩(wěn)壓時間增加而增加。

影響蒸汽爆破效果的因素主要與溫度、維壓時間、粒徑大小以及含水量有關。在高溫和較短的維壓時間(270 ℃,1 min)或低溫和較長的維壓時間(190 ℃,10 min)下木質(zhì)纖維素獲得最大的半纖維素降解率以及水解效率[15]。López-Linares等[14]運用響應面分析法(RSM)優(yōu)化了油菜秸稈汽爆預處理進行生物乙醇生產(chǎn)的條件，在215 ℃、7.5 min條件下得到最大的生物乙醇產(chǎn)率。

目前，蒸汽爆破技術廣泛應用于工業(yè)造紙以及生物質(zhì)能源化等領域，在秸稈飼料加工領域相對緩慢。Viola等[12]研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈、大麥秸稈和燕麥秸稈的爆破處理使綿羊?qū)斩挼母晌镔|(zhì)消化率提高25%，爆破處理后再進行堿處理，秸稈消化率進一步提高9%。Chang等[13]用蒸汽爆破與米曲霉發(fā)酵后的生物玉米秸稈分別等量替代愛撥益加肉雞玉米-豆粕型基礎飼糧中4%、8%以及12%的玉米粉，開展為期3 d的代謝試驗，結(jié)果顯示，與對照組相比，4%和8%替代組的干物質(zhì)、有機物、能量、粗蛋白質(zhì)和粗脂肪的代謝率沒有受到顯著影響，中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維的代謝率顯著增加；12%替代組的能量代謝率顯著降低。蒸汽爆破預處理秸稈處理時間短、化學藥品使用量少、無污染，但也存在著木質(zhì)素分離不完全，部分木糖被破壞，產(chǎn)生乙酸、糠醛等發(fā)酵抑制物等問題。

1.4生物預處理

生物預處理主要是指利用降解纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的微生物或在培養(yǎng)過程中產(chǎn)生的外切纖維素酶、內(nèi)切纖維素酶、β-糖苷酶、β-木聚糖酶以及阿魏酸酯酶、乙酸酯酶等，降解秸稈中的木質(zhì)素、纖維素和半纖維素，達到提高纖維降解率的作用。白腐真菌能夠分泌胞外氧化酶，降解木質(zhì)素能力強且不產(chǎn)生色素，應用前景較好。Lalak等[18]研究發(fā)現(xiàn)，白腐真菌毛柄金錢菌(F.velutipes)對長穗偃麥草的半纖維素和木質(zhì)素降解率分別達到29.1%和35.4%。Shrivastava等[16]采用白腐真菌固態(tài)發(fā)酵小麥秸稈，顯著提高了飼料中的蛋白質(zhì)含量，提高了肉牛的有機物消化率，并降低了飼料中的碳氮比。農(nóng)作物秸稈經(jīng)過阿魏酸酯酶預處理，可促進瘤胃微生物對其細胞壁纖維素和半纖維素的進一步降解。Yang等[17]利用不同葡萄糖水平和氮源的組合培養(yǎng)基研究新麗鞭毛菌(Neocallimastixsp.YQ1)以玉米秸稈為底物時的纖維降解活性，結(jié)果顯示，阿魏酸酯酶和乙酰酯酶分別在含1.0 g/L葡萄糖、2.8 g/L酵母提取物、0.5 g/L (NH4)2SO4和1.0 g/L葡萄糖、1.7 g/L酵母提取物、1.4 g/L胰蛋白胨的培養(yǎng)基中活性最高。生物預處理條件溫和、能耗低且環(huán)境污染小，但也存在著可選菌種偏少、酶解效率低、周期長的問題；且微生物的引入或多或少會造成秸稈中糖分被預處理微生物所利用，降低發(fā)酵過程中的底物濃度。

2　發(fā)酵抑制化合物的種類及其抑制機理

蒸汽爆破和化學預處理伴隨副產(chǎn)物的形成已成共識，且過量的副產(chǎn)物對微生物發(fā)酵有抑制作用。根據(jù)這些副產(chǎn)物的來源，通常分為呋喃類衍生物、弱酸類和酚類化合物3類。認識和理解發(fā)酵抑制物的種類及其抑制機理，對實際生產(chǎn)中預處理方法的選擇和預處理條件的優(yōu)化具有重要意義。圖1為預處理過程中各抑制物的形成。

Cellulose:纖維素；Hemicellulose:半纖維素；Lignins:木質(zhì)素；Wood extractives:木質(zhì)提取物；Glucose:葡萄糖；Mannose:甘露糖；Galactose:半乳糖；Xylose：木糖；Arabinse:阿拉伯糖；Hydroxymenthyl furfural(HMF):羥甲基糠醛；Fufural:糠醛；Levulinic acid:乙酰丙酸；Formic acid:甲酸；Acetic acid:乙酸；Phenols:酚類化合物。

圖1秸稈預處理過程中抑制物的形成

Fig.1Formation of inhibitors during corn straw pretreatment[24]

2.1呋喃類衍生物

糠醛和5-羥甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural，5-HMF)是木質(zhì)纖維素常見的預處理副產(chǎn)物，他們分別由原料中半纖維素水解得到的戊糖和己糖脫水生成。呋喃醛類化合物對釀酒酵母的影響主要是通過抑制酵母的生長，使遲滯期延長，從而降低乙醇得率和產(chǎn)量。當糠醛濃度低于0.5 g/L可促進樹干畢赤酵母的生長，2.0 g/L糠醛則完全抑制酵母細胞生長，糠醛濃度為1.5 g/L即可使乙醇得率降低90.4%[25]?？啡┠軌蛞种萍毎麅?nèi)轉(zhuǎn)化活性醛的醛氧化酶類，導致細胞內(nèi)活性氧(reactive oxygen species,ROS)含量的積累，對細胞線粒體、液泡膜、肌動蛋白細胞骨架和核染色質(zhì)等產(chǎn)生損傷。研究發(fā)現(xiàn)，在厭氧條件下，釀酒酵母可利用還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)參與的還原反應，將糠醛和5-HMF分別轉(zhuǎn)化為毒性較小的糠醇和2,5-呋喃二甲醇[26]。Li等[27]利用酵母全基因組表達譜芯片，研究了釀酒酵母在轉(zhuǎn)錄組水平上對糠醛的響應，結(jié)果顯示，糠醛的加入導致酵母參與葉酸代謝、精胺和亞精胺合成等重要的相關基因的表達下調(diào)，氧化脅迫相關基因的轉(zhuǎn)錄上調(diào)。因此，細胞若要在呋喃醛類存在的條件下存活，不僅需要將醛類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為毒性較小的糠醇或2,5-呋喃二甲醇，還要形成自我保護機制，修復呋喃醛類物質(zhì)對自身造成的損傷，以耐受呋喃醛類物質(zhì)的抑制作用。

2.2弱酸類

木質(zhì)纖維素預處理副產(chǎn)物中弱酸類物質(zhì)主要包括乙酸、甲酸和乙酰丙酸。由于纖維素原料中的半纖維素和木質(zhì)素存在著廣泛的乙酰化，這些乙?；鶊F在預處理過程中就會被轉(zhuǎn)化為乙酸。甲酸是糠醛和5-HMF的降解產(chǎn)物，乙酰丙酸是由5-HMF降解形成的。

弱酸類物質(zhì)對微生物的抑制作用包括細胞內(nèi)酸化和解偶聯(lián)機制2種方式[24]。未解離的弱酸類物質(zhì)可以通過擴散透過細胞壁和細胞膜進入細胞，由于細胞質(zhì)中性的pH環(huán)境，使得擴散到細胞的弱酸類物質(zhì)發(fā)生解離，導致細胞內(nèi)pH的降低。維持細胞質(zhì)內(nèi)pH的恒定對細胞發(fā)揮正常生理功能是至關重要的，例如其會影響信號的傳導，破壞最佳的酶適條件等。為了維持胞內(nèi)的pH，主動運輸可以部分去除細胞內(nèi)解離的弱酸，腺苷三磷酸酶(ATPase)可以將游離的H+泵出胞外。而主動運輸和ATPase的活動都是以消耗大量ATP為基礎的，在這種機制下，弱酸類物質(zhì)濃度低于100 mmol/L時有促進新陳代謝作用，高于100 mmol/L則導致微生物代謝緩慢，影響正常發(fā)酵進行[28]。乙酸作為弱酸類副產(chǎn)物中含量最高的一個，其對細胞的作用研究較多。Schüller等[29]研究發(fā)現(xiàn)，乙酸會導致細胞線粒體損傷且伴有細胞色素C滲透到細胞質(zhì)中，出現(xiàn)染色質(zhì)凝集和細胞核塌陷等典型的細胞凋亡現(xiàn)象。Almeida等[30]運用蛋白質(zhì)組學研究發(fā)現(xiàn)，乙酸引起的細胞凋亡是通過引起氧化脅迫，進一步通過雷帕霉素靶途徑(target of rapamycin,TOR)相關信號通路實現(xiàn)。

預處理副產(chǎn)物中的有些芳香族羥酸可以充當解偶聯(lián)劑。Norman等[31]研究發(fā)現(xiàn),水楊酸對植物細胞有解偶聯(lián)作用，即增大線粒體內(nèi)膜對H+的通透性，消除H+，使細胞不能進行磷酸化而不能生成ATP，從而抑制細胞的生長和發(fā)酵；而另一個常見的預處理副產(chǎn)物芳族羧酸，對羥基苯甲酸，卻沒有表現(xiàn)出如水楊酸的解偶聯(lián)作用，這可能是與不同弱酸的膜通透性差異有關。

2.3酚類化合物

酚類化合物主要是由木質(zhì)素降解形成的，產(chǎn)量低但毒性很大，特別是一些分子質(zhì)量小的單酚物質(zhì)毒性較強。酚類物質(zhì)對細胞的抑制作用主要體現(xiàn)在其對細胞膜的損傷，通過破壞細胞膜的完整性，影響膜的選擇透過性以及細胞內(nèi)酶的反應環(huán)境。Fitzgerald等[32]研究發(fā)現(xiàn)酚、對甲酚和其他一些潛在的酚類化合物有增加大腸桿菌和植物乳桿菌細胞膜流動性的作用，使該膜允許更多物質(zhì)的擴散，導致細胞內(nèi)K+的外排。Keweloh等[33]研究了苯酚對大腸桿菌細胞膜上蛋白質(zhì)和脂質(zhì)組成的影響，發(fā)現(xiàn)苯酚能改變細胞膜的功能，改變細胞膜上蛋白質(zhì)與脂質(zhì)的比例，使膜上的脂肪酸組成向更飽和的方向轉(zhuǎn)化。Feron等[34]研究了，苯酚對DNA損傷的作用機制，發(fā)現(xiàn)其潛在的損傷是由細胞內(nèi)ROS形成以及醛基的一側(cè)電位較大的正電荷(特別是當醛基連接的下一個碳鍵為雙鍵)引起的。Zhang等[35]研究了苯酚、香草醇等4種預處理酚類副產(chǎn)物對木糖醇生產(chǎn)菌C.athensensisSB18的抑制作用，發(fā)現(xiàn)上述酚類化合物抑制細胞內(nèi)木糖還原酶的活性，但對木糖醇脫氫酶的活性沒有影響?？梢姺宇悓毎亩竞ψ饔檬呛軓姷?，進而會影響微生物對預處理秸稈的發(fā)酵效率。

抑制物脫毒的方法包括物理法如活性炭[24]可以吸附多種抑制物，真空蒸發(fā)[36]可以去除大部分乙酸、糠醛；化學法如熟石灰[37]可以使一些抑制物沉淀；生物法如漆酶[38]可以減少酚類物質(zhì)的毒性。脫毒過程必然會增加生產(chǎn)成本，且有些方法缺乏實用性，熟石灰法簡單經(jīng)濟是使用有效的脫毒方法，生物脫毒法應作為未來研究工作的重點。表2為各抑制物的抑制機制及常見的脫毒方法。

3　小　結(jié)

預處理技術將成為農(nóng)作物秸稈得到合理有效利用的關鍵。這些預處理方法在改善秸稈特性，提高秸稈降解率的同時又各有其局限性。實際生產(chǎn)中應因地制宜，根據(jù)秸稈種類和具體要求選擇合理的預處理方法。了解發(fā)酵抑制物的抑制機理，對于預處理方法的選擇，預處理條件的優(yōu)化具有重要的參考價值。目前，秸稈類飼料僅靠預處理加工還不能解決其飼用的全部問題，必須通過科學補飼或飼糧配合技術，才能達到最佳的飼喂效果。

表2　抑制物的抑制機制及常見的脫毒方法

[1]畢于運,高春雨,王亞靜,等.中國秸稈資源數(shù)量估算[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2009,25(12):211-217.

[2]AWAWDEH M S.Alternative feedstuffs and their effects on performance of Awassi sheep:a review[J].Tropical Animal Health and Production,2011,43(7):1297-1309.

[3]LI K,LIU R H,SUN C.A review of methane production from agricultural residues in China[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2016,54:857-865.

[4]SINGH R,SRIVASTAVA M,SHUKLA A.Environmental sustainability of bioethanol production from rice straw in India:a review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2016,54:202-216.

[5]QI B E,CHEN X G,WAN Y H.Pretreatment of wheat straw by nonionic surfactant-assisted dilute acid for enhancing enzymatic hydrolysis and ethanol production[J].Bioresource Technology,2010,101(13):4875-4883.

[6]ZHANG M J, WANG F,SU R X,et al.Ethanol production from high dry matter corncob using fed-batch simultaneous saccharification and fermentation after combined pretreatment[J].Bioresource Technology,2010,101(13):4959-4964.

[7]SHI H T,LI S L,CAO Z J,et al.Effects of replacing wild rye,corn silage,or corn grain with CaO-treated corn stover and dried distillers grains with solubles in lactating cow diets on performance,digestibility,and profitability[J].Journal of Dairy Science,2015,98(10):7183-7193.

[8]WANAPAT M,CHERDTHONG A.Use of real-time PCR technique in studying rumen cellulolytic bacteria population as affected by level of roughage in swamp buffalo[J].Current Microbiology,2009,58(4):294-299.

[9]POLYORACH S,WANAPAT M.Improving the quality of rice straw by urea and calcium hydroxide on rumen ecology,microbial protein synthesis in beef cattle[J].Journal of Animal Physiology and Animal Nutrition,2015,99(3):449-456.

[10]VARGA E,SZENGYEL Z,RéCZEY K.Chemical pretreatments of corn stover for enhancing enzymatic digestibility[M]//FINKELSTEIN M,MCMILLAN J D,DAVISON B H.Biotechnology for fuels and chemicals.Totowa,NJ:Humana Press,2002:73-87.

[11]GU Y,ZHANG Y L,ZHOU X F.Effect of Ca(OH)2pretreatment on extruded rice straw anaerobic digestion[J].Bioresource Technology,2015,196:116-122.

[12]VIOLA E,ZIMBARDI F,CARDINALE M,et al.Processing cereal straws by steam explosion in a pilot plant to enhance digestibility in ruminants[J].Bioresource Technology,2008,99(4):681-689.

[13]CHANG J, CHENG W,YIN Q Q,et al.Effect of steam explosion and microbial fermentation on cellulose and lignin degradation of corn stover[J].Bioresource Technology,2012,104(1):587-592.

[15]DUFF S J B,MURRAY W D.Bioconversion of forest products industry waste cellulosics to fuel ethanol:a review[J].Bioresource Technology,1996,55(1):1-33.

[16]SHRIVASTAVA B,THAKUR S,KHASA Y P,et al.White-rot fungal conversion of wheat straw to energy rich cattle feed[J].Biodegradation,2011,22(4):823-831.

[17]YANG H J,YUE Q.Effect of glucose addition and N sources in defined media on fibrolytic activity profiles ofNeocallimastixsp. YQ1 grown on corn stover[J].Journal of Animal Physiology and Animal Nutrition,2012,96(4):554-562.

[18]LALAK J,KASPRZYCKA A,MARTYNIAK D,et al.Effect of biological pretreatment ofAgropyronelongatum‘BAMAR’ on biogas production by anaerobic digestion[J].Bioresource Technology,2016,200:194-200.

[19]陳尚钘,勇強,徐勇,等.稀酸預處理對玉米秸稈纖維組分及結(jié)構的影響[J].中國糧油學報,2011,26(6):13-19.

[20]KOOTSTRA A M J,BEEFTINK H H,SCOTT E L,et al.Comparison of dilute mineral and organic acid pretreatment for enzymatic hydrolysis of wheat straw[J].Biochemical Engineering Journal,2009,46(2):126-131.

[21]QING Q,YANG B,WYMAN C E.Impact of surfactants on pretreatment of corn stover[J].Bioresource Technology,2010,101(15):5941-5951.

[22]潘裕清,張宏嘉,邱學良,等.草酸預浸連續(xù)汽爆玉米芯制備木糖的模擬與中試研究[J].過程工程學報,2014,14(4):643-648.

[23]王玉,周俊,雍曉雨,等.汽爆預處理對水稻秸稈纖維結(jié)構的影響[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學,2014(11):319-323,324.

[24]J?NSSON L J,ALRIKSSON B,NILVEBRANT N O.Bioconversion of lignocellulose:inhibitors and detoxification[J].Biotechnology for Biofuels,2013,6:16.

[25]PALMQVIST E,HAHN-HGERDAL B.Fermentation of lignocellulosic hydrolysates.Ⅱ:inhibitors and mechanisms of inhibition[J].Bioresource Technology,2000,74(1):25-33.

[26]DE VILLEGAS M E D,VILLA P,GUERRA M,et al.Conversion of furfural into furfuryl alcohol by saccharomyces cervisiae 354[J].Engineering in Life Science,1992,12(4):351-354.

[27]LI B Z,YUAN Y J.Transcriptome shifts in response to furfural and acetic acid inSaccharomycescerevisiae[J].Applied Microbiology and Biotechnology,2010,86(6):1915-1924.

[28]LARSSON S,PALMQVIST E,HAHN-HGERDAL B,et al.The generation of fermentation inhibitors during dilute acid hydrolysis of softwood[J].Enzyme and Microbial Technology,1999,24(3/4):151-159.

[29]SCHüLLER C,MAMNUN Y M,MOLLAPOUR M,et al.Global phenotypic analysis and transcriptional profiling defines the weak acid stress response regulon in Saccharomyces cerevisiae[J].Molecular Biology of the Cell,2004,15(2):706-720.

[30]ALMEIDA B, OHLMEIER S,ALMEIDA A J,et al.Yeast protein expression profile during acetic acid-induced apoptosis indicates causal involvement of the TOR pathway[J].Proteomics,2009,9(3):720-732.

[31]NORMAN C,HOWELL K A, MILLAR A H,et al.Salicylic acid is an uncoupler and inhibitor of mitochondrial electron transport[J].Plant Physiology,2004,134(1):492-501.

[32]FITZGERALD D J,STRATFORD M,GASSON M J,et al.Mode of antimicrobial action of vanillin againstEscherichiacoli,LactobacillusplantarumandListeriainnocua[J].Journal of Applied Microbiology,2004,97(1):104-113.

[33]KEWELOH H,DIEFENBACH R,REHM H J.Increase of phenol tolerance ofEscherichiacoliby alterations of the fatty acid composition of the membrane lipids[J].Archives of Microbiology,1991,157(1):49-53.

[34]FERON V J,TIL H P,VRIJER F D,et al.Aldehydes:occurrence,carcinogenic potential,mechanism of action and risk assessment[J].Mutation Research/Genetic Toxicology,1991,259(3/4):363-385.

[35]ZHANG J M,GENG A L,YAO C Y,et al.Effects of lignin-derived phenolic compounds on xylitol production and key enzyme activities by a xylose utilizing yeastCandidaathensensisSB18[J].Bioresource Technology,2012,121:369-378.

[36]LARSSON S,REIMANN A,NILVEBRANT N O,et al.Comparison of different methods for the detoxification of lignocellulose hydrolyzates of spruce[J].Applied Biochemistry and Biotechnology,1999,77(1/2/3):91-103.

[37]ALRIKSSON B,SJ?DE A,NILVEBRANT N O,et al.Optimal conditions for alkaline detoxification of dilute-acid lignocellulose hydrolysates[J].Applied Biochemistry and Biotechnology,2006,130(1/2/3):599-611.

[38]J?NSSON L J,PALMQVIST E,NILVEBRANT N O,et al.Detoxification of wood hydrolysates with laccase and peroxidase from the white-rot fungusTrametesversicolor[J].Applied Microbiology and Biotechnology,1998,49(6):691-697.

(責任編輯王智航)

Straws as Feed: Pretreatment Methods and Action Mechanism of Fermentation Inhibitors

LI Guodong1,2ZHAO Shengguo1*ZHANG Yangdong1ZHENG Nan1LI Songli1ZHAO Guoqi2WANG Jiaqi1

(1. State Key Laboratory of Animal Nutrition, Institute of Animal Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100193, China; 2. College of Animal Science and Technology, Yangzhou University,Yangzhou 225009, China)

Crop straw as a rich biological source with various origins may be widely used in industries of husbandry and bioenergy. But at the same time, its complex chemical composition and recalcitrant structure makes the conversion process more cumbersome which adversely affects the utilization of straw. Therefore, crystallinity of fiber of straw can be degraded by pretreatment, and the utilization can be improved. While, over degradation unavoidably occurs under high temperature and chemical catalytic action, and by-products formed at the same time will inhibit the following microbial fermentation. This review focused on various aspects of commonly used pretreatment methods (dilute acid, alkali, steam explosion and biological pretreatments), and production and inhibition mechanism of inhibitors (such as furans derivants, weak acids and phenolic compounds) of crop straw pretreatments.[ChineseJournalofAnimalNutrition, 2016, 28(10)：3051-3058]

crop straw; pretreatment; inhibitors

, assistant professor, E-mail: zhaoshengguo1984@163.com

10.3969/j.issn.1006-267x.2016.10.005

2016-04-27

國家自然科學基金(31261140365)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系專項資金(nycytx-04-01)；中國農(nóng)業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程(ASTIP-IAS12)

李國棟(1992—)，男，山東滕州人，碩士研究生，從事動物營養(yǎng)與飼料科學專業(yè)。E-mail: lgd1992@sina.com

趙圣國，助理研究員，E-mail: zhaoshengguo1984@163.com

S816.5

A

1006-267X(2016)10-3051-08