草本纤维生物精制科学与工程

上篇概论第一章草本纤维及其伴生物（）第一节草本纤维农作物的主要生物学特性及其农产品特征（）第二节草本纤维及其键合型伴生物的组成与性质（）第二章草本纤维生物质加工业（）第一节草本纤维生物质加工业的发展历程（）第二节草本纤维生物质加工业的现状（）第三节草本纤维生物质加工业的发展趋势（）第三章草本纤维精制方法（）第一节天然菌沤制法（）第二节化学试剂蒸煮法（）第三节生物-化学或物理-生物-化学耦合法（）第四节生物精制法（）中篇科学第四章天然菌种的分离与筛选（）第一节分离（）第二节初筛（）第三节复筛（）第五章菌种资源多样性及分类鉴定（）第一节天然菌种生态系统多样性（）第二节微生物种群多样性（）第三节功能基因组遗传多样性（）第四节4个代表性菌株的分类鉴定（）第六章菌种改良（）第一节质粒转化（）第二节紫外线辐射诱变（）第三节基因修饰（）第四节MiniTn10转座子构建突变体（）第七章基因组文库构建及功能基因克隆（）第一节基因组文库构建（）第二节甘露聚糖酶和木聚糖酶基因克隆与表达（）第三节DCE01菌株果胶酶基因克隆与表达（）第四节DCE01菌株甘露聚糖酶和木聚糖酶基因克隆与表达（）第八章基因工程菌株构建（）第一节双基因串联表达（）第二节三个关键酶基因共表达（）第三节DCE01为受体的基因工程菌株（）第九章功能菌株的胞外酶（）第一节T85260菌株的胞外酶（）第二节CXJZ95198菌株的胞外酶（）第三节CXJZU120菌株的胞外果胶酶（）第四节CXJZ1101菌株的胞外酶（）第十章草本纤维生物精制专用模式菌株的特征（）第一节DCE01具有繁殖速度快且生存条件粗犷的特点（）第二节DCE01具有独特的功能基因组表达系统（）第三节DCE01菌株功能基因组同源共表达（）第四节DCE01具有工艺成熟标志明显的特点（）第十一章草本纤维生物精制作用机理——“块状崩溃”学说（）第一节红麻微生物脱胶机理初探（）第二节生物制浆机理初探（）第三节草本纤维生物精制作用机理（）下篇工程第十二章草本纤维生物精制工程设计（）第一节工程设计总则（）第二节工艺流程设计（）第三节工艺设备配套设计（）第四节生产管理设计（）第五节工艺废水综合治理方案（）第六节经济与社会效益预测（）第十三章草本纤维生物精制关键性工艺装备（）第一节菌种制备机组（）第二节农产品预处理机组（）第三节纤维质农产品接种发酵灭活装置（）第四节罗拉碾压与高压水冲洗麻机组（）第十四章草本纤维提取专用生物制剂制备工艺（）第一节固态菌剂制备工艺（）第二节液态菌剂制备工艺（）第十五章高效节能清洁型苎麻工厂化生物脱胶工艺（）第一节工厂化生产应用试验（）第二节工艺技术改进与示范工程建立（）第三节苎麻生物脱胶技术规则（）第十六章高效清洁型红麻和黄麻生物脱胶技术（）第一节红麻鲜皮大田生物脱胶工艺（）第二节红麻干皮工厂化生物脱胶工艺（）第十七章高效节能型龙须草生物制浆技术（）第一节龙须草生物制浆工艺中试（）第二节龙须草生物制浆工艺生产应用（）第十八章其他草本纤维生物精制工艺（）第一节罗布麻生物脱胶工艺（）第二节红麻干皮生物制浆工艺（）第三节麦秆生物制浆工艺（）第四节苎麻骨生物糖化工艺（）附录一成果汇总（）附录二刘正初主持承担/主笔申请承担科研任务汇总（1988—2015）（）附录三刘正初培养研究生汇总（1996—2017）（）附录四参考文献（）

第一章草本纤维及其伴生物纤维是人类赖以生存和发展的重要物资。纤维可以分为两大类，即天然纤维（图1-1）和化学纤维，前者来自于种植、养殖业农产品，后者来自于石化产品。根据纤维组成成分的性质以及生产纤维物种的类别，可以把天然纤维分为纤维素纤维（植物纤维）和蛋白质纤维（动物纤维）。植物纤维来自于种植业，根据纤维发育的规律，人们进一步把纤维素纤维分为木本纤维（木材）、草本纤维（如草本纤维作物）和子实纤维（如棉花）；动物纤维来自于养殖业，人们同样可以进一步把蛋白质纤维分为皮、毛（含绒）和丝。草本纤维泛指来自于草本纤维质农产品（包括来自苎麻、红麻、龙须草、芦苇等农作物的纤维质农产品和玉米秸秆、麦秆等禾本科农作物秸秆及其类似废弃物）的一类纤维素纤维。图1-1天然纤维分类在自然界，植物属于物质世界这个大家族中的一员。利用植物生产的产品是多种多样的，纤维只是众多植物产品中的一种。根据习惯，可以把收获纤维为主要产品的植物统称为纤维植物。纤维植物可以分为草本纤维植物和木本纤维植物。草本纤维植物是指以收获韧皮纤维（包裹在植株韧皮部）或叶纤维（叶片中）为主要产品的一类草本植物。目前已经查明，可以提取纤维素纤维（韧皮纤维和叶纤维的总称）的草本植物涉及19科37属300多种。然而，作为草本纤维农作物大面积种植、收获的草本植物不足100种，如苎麻（荨麻科）、黄麻（椴树科）、红麻（锦葵科）、亚麻（亚麻科）、罗布麻（夹竹桃科）、大麻（大麻科）、龙须草（禾本科）、芦苇，等等。伴随人类生活质量的提高以及石油、森林资源的短缺，世界各国都在寻求新的纤维资源，尤其是高效利用草本纤维资源。近几十年来，俄罗斯、埃及等亚麻主产国正在推动亚麻产业发展；美国、日本、法国、比利时、意大利等发达国家正在发展红麻、大麻产业；印度尼西亚、马来西亚等国纷纷引种苎麻；菲律宾、巴西、新西兰等热带国家正在大力开发龙舌兰麻、菠萝麻等草本纤维的新用途；印度、孟加拉国正在加快黄麻服饰的研制。除此以外，国际上还兴起了利用纤维质农产品生产能源——燃料酒精的研究热潮。由此可见，国际上基本形成了“以麻补棉”和“以草代木”的态势。也就是说，人们清醒地认识到，苎麻、红麻、龙须草等草本纤维既是传统纺织、造纸工业原料，也是现代生物质产业最具发展潜力的基础材料。人们之所以越来越重视草本纤维产业的发展，是因为：①草本纤维植物种类多、纤维形态和性质各异，能满足社会发展和人类生活必需品天然化、多样化的要求。②草本纤维植物适应性强，可以利用边际土地种植，不与粮食、棉花等大宗农作物争地，是种植业高效利用土地资源、确保粮食和生态环境安全的重要措施。例如，在荒山坡地种植苎麻、利用滩涂和沙漠种植红麻、在石灰岩和紫色岩荒山上种植龙须草不仅可以获得理想的经济效益，还有重大的恢复植被、改良土壤、防止水土流失等生态效益。③草本纤维植物增产潜力大，其产品来自植物营养体要比生殖体更容易获得丰产（即纤维产量高），成熟周期短（如第二季苎麻工艺成熟期50天左右），具有速生丰产的特点，生产成本低廉，农药化肥投入少，多年生植物的种子、种苗投入更小。我国是苎麻等多种草本纤维植物起源并盛产的国家，也是石油、森林资源奇缺的国家，历来非常重视草本纤维资源的开发利用。我国大面积种植、收获的草本纤维农作物涉及苎麻、红麻、亚麻、龙须草、芦苇等18种，总体收获面积约500万hm2，不仅开发出十几个系列、上百个品种的草本纤维产品，形成了国际知名的草本纤维产业，而且率先发明了一系列草本纤维农产品生物脱胶、生物制浆工艺技术。第一节草本纤维农作物的主要生物学特性及其农产品特征草本纤维农作物的种类很多，其生物学特性及其农产品的特征千差万别。本章简要介绍多年生草本纤维农作物（苎麻、罗布麻、龙须草）和一年生草本纤维农作物（红麻）的主要生物学特性及其农产品特征。一、苎麻苎麻的起源苎麻（Ramie）,Bcelmevia nivea(L) Gand属于荨麻科、苎麻属的多年生宿根性草本植物。它起源于我国，盛产于我国，是人类历史上最早用作服饰纤维的纺织原料之一，距今有6 000多年的历史。苎麻的分布苎麻种植区域分布在我国秦岭以南地区，主产区集中在长江中下游及其南部地区，包括湖南、湖北、江西、四川、重庆、广西壮族自治区、贵州、江苏、安徽、河南、浙江等省（市）。常年种植面积在30万hm2左右，高峰期达到55万hm2。苎麻的形态与结构苎麻地下部是由根和地下茎组成，统称麻蔸。用种子繁殖的苎麻，种子萌芽时，胚根突破种皮和果皮，向下生长成为主根（初生根），幼芽出土成为地上茎。苗期主根生长比地上部快，当主根伸长到2cm左右，根基部开始产生侧根，此后随着根的生长，侧根上再长出支根，最后长出细根，形成完整的根系。由实生苗形成的根系应属直根系，当地上部生长出7～8片真叶时，根系入土4cm左右，此时主根开始肥大，发展成为营养根（萝卜根）。随后部分侧根亦膨大，发展成为输导根或营养根。生产上把直径05mm以下称为吸收根，直径05～30mm称为输导根，直径在3mm以上为营养根。营养根内贮藏养分的多少，对地上部的产量、下季麻的多少、芽的粗细、幼芽出土的快慢均有影响。而营养根的增大增重，又直接受地上部积累到根部养分的多少所支配。当主根和侧根肥大的同时，实生苗颈部（下胚轴）开始产生不定芽，这些不定芽可以发育成为地下茎。从而由细根、侧根、萝卜根和地下茎组成了生活力强大的麻蔸。用地下茎繁殖的没有主根，是由地下茎上产生的不定根构成，部分不定根肥大生长成萝卜根。苎麻根群一般分布在30cm左右的耕作层内，但较粗的侧根可深入地下10m左右，少数侧根可达地下15～20m。苎麻的茎分地上茎和地下茎，地下茎是茎的一种变态。地下茎与地上茎是同源器官，在形态上颇为类似，它具有许多节，多数节上有退化鳞叶，叶腋内产生侧芽，它的顶芽或侧芽可发育成为地上茎或分枝。地下茎常发生不定根的不定芽，它是良好的繁殖器官，而且能够发育成为和母体相同的个体。由于地下茎与地上茎长期所处外界环境不同，因此它的内部结构和功能发生差异。按地下茎的形态特征和生长习性，麻区群众习惯地把它称为龙头根、扁担根和跑马根3种。龙头根和扁担根实际是同一地下茎不同部位的称呼。年龄较大的地下茎的顶端，节间短，节部膨大，好像龙头那样，常斜向伸出表土层，因此称为龙头根。由于龙头根靠近地面，侧芽密集，故出苗早，出苗多。年龄较大的地下茎的中段和后段较细，形像扁担，通称扁担根，扁担根节间较长，侧芽潜伏，离地面较远，故出苗较迟，出苗较少。从扁担根和龙头根上的侧芽或不定芽，以及由主根的根茎部分发生细小的地下茎称为跑马根。跑马根鳞叶多，节间短、长得快，更有利于繁殖。苎麻地上茎为丛生，茎上具皮孔。茎色自浅绿到深绿，密生表皮毛，成熟时茎色由下向上逐渐变褐色，出现木栓组织。茎心（木质部）有浅黄、浅绿等色，有些品种幼苗基部呈红色或紫红色。茎上有节，下部节间较短，中间较长，梢部最短。节上生叶，并具腋芽，腋芽可发育成分枝。苎麻茎一般有30～60个节，节间长度2～6cm。节间长短对苎麻单纤维长度影响较大，节间长，单纤维也较长。每个麻蔸丛生的苎麻茎一般为10～20株，麻龄愈老，丛生株数也愈多，5～6年生的浅根型品种可达50～60株。苎麻茎的初生结构：横切面从外向内可分为表皮、皮层、中柱鞘、维管束、髓和髓射线。表皮是麻茎的最外面一层细胞。属初生保护组织，由表皮细胞和表皮毛构成。表皮细胞壁厚。角质化。表皮毛有腺毛、刺毛、钩毛、螫毛和斑毛等，其中腺毛和螫毛在幼茎上才有，在茎成熟时遭到破坏，而刺毛和斑毛是宿存毛，与表皮细胞同时存在于茎的外表。多数表皮毛成熟后，里面含蓄空气，对日光折射强，可增强抗旱性；同时表皮毛的尖端极锐利，有些还含有毒液，可增强抵抗动物侵害能力。皮层是由基本分生组织演化而来，位于表皮与中柱鞘之间，最初皮层细胞都是薄壁细胞，以后皮层分化为厚角组织、周皮和皮层薄壁组织。厚角组织由多层角细胞构成。皮层最外面的一层细胞，即靠表皮下面的一层厚角细胞，以后演化为木栓形成层，它属于次生分生组织，向外产生木栓层，三者合称为周皮。表皮细胞随着周皮形成后死亡、枯萎，但不脱落，皮层薄壁细胞位于厚角组织以内，细胞较大，内含叶绿体较多，有少数品种含有草酸钙结晶体。也有少数品种皮层薄壁细胞还含有单宁，与土壤中含铁物质作用生成单宁铁化合物，使茎基部纤维带红色，通称锈脚或红要，不利苎麻脱胶和纺织、印染工艺。中柱鞘位于皮层以内，分布着经济值最高的纤维，最初中柱鞘由单一的并且具有单核的薄壁细胞组成，不含叶绿体。因此容易与皮层组织区别。中柱鞘的薄壁细胞随着茎的生长，分化为两种不同类型的薄壁细胞，大的薄壁细胞常为多核，以后发育成为纤维细胞，小的薄壁细胞分布于纤维细胞间，常为单核，以后随着纤维细胞的伸长、增厚、遭受压制和