草本纤维生物精制科学与工程

纤维素类草本植物具有很高的生物质产量、纤维素和半纤维素含量，对环境友好，具有产量高、适应性强、用途广泛等特点，是目前很有发展前途的生物质资源之一。本书介绍了多种主要纤维素类草本能源植物，综述了纤维素类草本能源植物在靠前外的研究概况，以及草本纤维生物精制科学与工程在各方面的应用，分析我国存在的纤维素类草本能源植物资源评估、选育滞后，相关技术还不完善等问题，在如何充分开发利用以缓解能源紧张、解决环境问题、促进农业和经济发展等方面给出了科学的建议。

刘正初，1982年毕业于湖南农业大学生理生化专业，获学士学位；1993年毕业于中国农业科学院研究生院微生物学专业，获硕士学位。中国农业科学院麻类研究所研究员、博士生导师。中国农业科学院第四、第六、第七届学术委员会委员，中国作物学会麻类专业委员会常委。荣获国务院政府特殊津贴专家、农业部有突出贡献中青年专家和湖南省农业科技优选个人等荣誉。孙庆祥，1961年毕业于北京农业大学，同年分配到中国农业科学院麻类研究所工作，历任生理生化室副主任、副所长、所长兼党委书记等行政职务和中国作物学会麻类专业委员会秘书长、副主任委员、主任委员、中国农业科学院第三届学术委员会委员、中国农业科学院不错技术职务评委、中国作物学会第四、五届理事会理事等学术团体职务。1988年晋升为研究员，是重量有突出贡献的中青年专家，享受政府特殊津贴。主编了《麻类作物栽培》，参加编写了《中国麻类作物栽培学》、《中国农业百科全书·农作物卷》麻类条目等3部著作，在各类刊物上公开发表学术论文51篇。

上篇概论章草本纤维及其伴生物（）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（）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（）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（）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（）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（）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（）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（）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（）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（）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（）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（）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（）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（）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（）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（）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（）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（）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（）

    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）、（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、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，靠前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，靠前上基本形成了“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很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，历来很好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，形成了靠前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。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，是人类历目前很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，很后长出细根，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很好，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，梢部很短。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。表皮是麻茎的很外面一层细胞。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；同时表皮毛的很好极锐利，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，很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。皮层很外面的一层细胞，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，分布着经济值优选的纤维，很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、遭受压制和破坏。维管束位于中柱鞘以内，初生维管束的前身是原形成层，原形成层从苎麻茎尖的2mm处在基本分生组织中出现，原形成层初生维管束组织，很先出现的是韧皮部，以后又出现木质部，很初形成的韧皮部和木质部在麻茎开始延伸生长的部位中已经形成，这时期形成的韧皮部和木质部叫原生韧皮部和原生木质部，原生韧皮部由较长的、直径较小的筛管和薄壁细胞组成，原生木质部由直径较小的环纹导管和薄壁细胞组成。初生维管束后来又形成次生韧皮部和次生木质部。次生韧皮部是复合组织，包含筛管、伴胞和薄细胞，次生木质部也是复合组织，包含管胞、环纹导管和木质部薄壁细胞。髓位于麻茎中心，由薄壁细胞组成，初生薄壁细胞具单核，随着茎的生长，成为具2～3核的细胞，麻茎成熟时成为无核，仅作为贮藏营养物质的场所。少数品种在麻茎成熟期，髓部细胞遭受破坏而中空，形成髓腔。髓射线位于初生维管之间，内连髓部，外通中柱鞘，它起着横向联系的作用，木质部运输来的水分可经髓射线外运到形成层、韧皮部和中柱鞘。韧皮部养分可经髓射线，内运到木质部和髓部。髓射线也是构成内外气体交换的通道。苎麻茎的次生构造包括周皮和次生维管束。木栓形成层、木栓层和栓内层三者统称为周皮。木栓形成后，表皮细胞枯萎，但不脱落。次生维管包括次生木质部和次生韧皮部，这是由于形成层不断向内向外分裂的结果，给予植株以强大的支持力。因此凡是次生木质部发达的品种，抗风能力较强。同时木质部的薄壁细胞也是贮藏营养物质的场所。次生韧皮部比次生木质部在数量上要少得多，它包含筛管和伴胞，以及韧皮薄壁细胞，韧皮射线和韧皮纤维。苎麻次生韧皮部纤维在形态上和中柱鞘纤维差异很大。中柱鞘纤维可达500mm，而次生韧皮部纤维仅为6mm。次生韧皮部纤维在麻茎基部分布较多。苎麻的生长发育实生苗或用地下茎繁殖的苎麻，生长到一定时期，由它的根茎处或地下茎侧芽上生出许多幼苗，发育成为丛生的植株，称为“分株”，株高可达2～3m，茎粗1～2cm。苎麻的分株习性具有显著的规律性。它是影响苎麻产量的重要因素之一。根据湖南农学院历年来在湖南长沙以及中国农业科学院草本纤维作物研究所在湖南沅江、湖北阳新等地观察结果：头麻、二麻、三麻分株动态基本一致。头麻分株期长达40～50d，而有效分株期仅20多天；二麻、三麻分株期20多天，而有效分株期仅10多天。由于头麻、二麻成熟前“空山亮脚”时一部分催蔸芽已经开始出土，这些催蔸芽多数成为有效株，如果把这一部分催蔸芽出土时计算在内，那么二麻、三麻实际有效分株期要比上述天数增加10多天。一般每公顷苎麻总出苗数在75万株以上。收获时株数仅45万株左右，有效株则在30万株以内，在各季麻中有50%以上要死亡，20%成为无效株。苎麻的收获我国大部分地区的苎麻可以收获3次/年，即每年6月中旬收获头麻、8月上旬收获二麻、10月下旬收获三麻。苎麻的收获属于物理加工过程。根据收获机具的进化程度，苎麻的收获可以分为机械收获和手工收获。目前，机械收获在生产上还没有大面积推广。手工收获一般分为剥皮和刮制两道工序。生产上采用的剥皮方式有两种，即砍剥和扯剥，无论是砍剥还是扯剥都是先去叶，然后采用手工办法将苎麻茎秆从形成层分开，丢弃形成层以内部分（俗称“麻骨”），收集形成层以外部分。刮制，一般说来就是采用被称为“刮麻器”的工具将内皮层以外的各类组织以及形成层以外与内皮层以内部分组织中比较容易去除的部分物质一并刮去，留下由中柱鞘和初生韧皮部发育而来的韧皮纤维束（即农产品——苎麻）。苎麻的特征苎麻是一种由中柱鞘和初生韧皮部发育而来的韧皮纤维束，是经过初级加工、纤维素含量在70％以上、主要用作纺织工业原料的农产品，由于它是中国的特产，所以，中国拥有专门的国家标准（GB/T 7699—1999）对苎麻的内在品质和外观品质进行描述与规定。二、罗布麻罗布麻属夹竹桃科（Apocynaceae），分布在欧亚与北美等地，种类很多都是野生，在我国从形态、花色、习性等区别，已发现十种之多，因杂交变形很多，今后还可能有新的发现，究竟分为几个种，每种再分为若干品种，尚待进一步的深入研究。根据董正钧在野外调查，与靠前及欧美、中亚等地的标本初步比较，并参照我国群众习惯的分类法以及苏联的分类法等，暂分为红麻与白麻两种。红麻学名Apocynum lancifolium Rus我国以前皆名Apocynum venetum L，其主要特征是花小，紫红色或粉红色，株高分枝少，茎向阳部分紫红色，耐旱与耐盐性较弱。此种已发现有三四种不同的类型。白麻学名Apocynum Hendersonii Hook其主要特征是花大，粉红色，株形矮而分枝多，茎绿色，耐旱耐盐力均极强，此种在西北已发现有7种不同的类型。白麻在我国主要分布在新疆维吾尔自治区（以下简称新疆）南疆、柴达木盆地、河西与额济纳旗等地，苏联中亚靠我国边境地处也有少量分布。红麻分布在昆仑山、巴颜喀拉山、秦岭及淮河以北各地，蒙古国与西伯利亚也有。红麻与白麻可以杂交，所生新种，花形也较大（比白麻花稍少），耐旱及耐盐性更强。罗布麻的根罗布麻是多年生宿根草本植物，根粗壮，暗褐色，储存大量的养分，其入土深度一般为05～30m，很深可达40m，很浅的03m，依地下水位的高低、土壤层次的质地、结持力和湿度等而定，其至接近地下水位或黏硬板结的土层时，即横向水平生长，在水平根与垂直根茎的上端15cm（很深不过30cm）的部分，有不定芽，随处可以长出新株。因此罗布麻多密集群生，成大片状纯罗布麻群落。根茎的大小和粗度，依植株年龄的大小和生长环境的好坏而不同，在各地观察结果，二龄直径达1cm左右，五龄直径2cm左右，12龄时直径4～5cm 左右，30龄时直径8cm左右。根的皮层很厚，以12龄的为例，皮层厚1cm，皮内有乳白色黏液，木质部较坚硬，直径3cm，髓部实心，年轮明显可数。粗壮的根茎上生出很多侧根，从侧根上又可分生许多细根，吸取养分。这些横向生长的枝根也可以生出新株。根茎的上端，在头一年秋初形成许多休眠芽（在库尔勒7月底，在山东8月中旬以前即可形成休眠芽），次年春季4月中旬地温10cm深处达12℃时，即开始萌发出苗（阿克苏在4月20日，焉耆在4月底，柴达木盆地在5月中旬，山东在4月初），以后半个月内大量出苗，5月以后出苗数量减少，直到6月中旬，仍可见有少量出苗者。幼苗初出土时具3～6片真叶，白麻幼苗为浅绿色或浮白色，在长后为青绿色。红麻幼苗为紫红色或淡红色，成长后向阳部分为紫红色，背阴部分为绿色。若干枯后表皮皆变为褐色至暗色。罗布麻的茎罗布麻的茎直立（种子繁殖的年伏生地表不能直立），白麻株高10～25m，一般15m左右，矮的还不到10m。红麻高15～30m，一般20m左右，在孔雀河下游与地山中优选的可达40m以上，山东文饶优选的达30m以上。皮层厚而坚韧，含大量胶质，妨碍脱胶，皮层下有大量乳白色质液。茎中的髓部，干后与木质部分离，类似中空，脆而易碎，便于机器剥麻，直径05～10cm，有节，节间一般7～10cm，很短的10～15cm，很长的18cm；白麻的节不明显（红麻的节明显），每节有两枚对生叶，从叶腋间发生分枝，分枝对生不甚规则，每分枝还可形成再分枝，很好形成花序，白麻分枝较多而且长，每株18～27个，一般20个左右，分枝很长的能超过主茎达150cm以上，分枝与主茎形成25°～30°的夹角。红麻分枝较少而短，一般12～22个，分枝与主茎成40°～50°的夹角（山东红麻夹角为60°～70°）。开始形成分枝的部位，一般在地面上10～15cm处，生长稀疏在地面上30cm即开始形成分枝，而且节间较短，分枝很多，植株也较矮；生长密集者，阳光不足，在地面上80cm处才形成分枝，而且节间长，分枝数也较少，植株也较高；生长很密的混生在茂密的芦苇丛以内者，在15m以下的部分几乎没有分枝，株高而且直。既便于机器剥麻，其纤维也可能长，由此可知密植不但可增加产量，也可提高品质。罗布麻的叶红麻的叶披针形，深绿色，背面颜色稍淡，背面叶脉凸出明显，叶缘有不明显的细锯，成长的叶，长5cm左右，基部宽1cm左右，叶柄长5mm左右，对生而规则。叶柄基部两侧有一对褐色小托叶，肉眼仔细可以看出，由对生的叶柄基部与托叶延生的细膜围绕茎部结合成一个圆环，形成明显的节。白麻的叶，椭圆形，淡绿色，背面灰绿色，背面叶脉不如红麻明显，正面叶脉也不显著，叶缘有不明显的细锯齿。成长的叶长3cm左右，中间宽8mm左右，叶柄长4mm左右，托叶极小，用放大镜才能看见，叶对生不甚规则，故茎部的节也不甚明显。叶子中含大量乳白色黏液，内部构造在显微镜下可见有极细的绒毛，表皮细胞层以下两面共有3层栅状组织，海绵组织不发达，能减少蒸发，是耐旱的重要构造。罗布麻的收获及其农产品特征罗布麻的收获多数都是将成熟的茎秆平地砍下，拉到加工场地，采用机械破碎麻骨，然后抓住韧皮抖落麻骨，获得韧皮纤维原料，即初级加工的农产品；也有一些地方的企业或农民将罗布麻茎秆浸泡在天然水体中处理数小时，然后采用手工撕扯的办法从茎秆上剥出韧皮。为了减轻脱胶的负荷，有些企业还要求农民采用木椎捶打的办法去除一些非键合型表皮组织（俗称“麻壳”）或成分。到目前为止，罗布麻作为一种农产品、主要用作纺织原料还没有形成统一的标准产品。三、龙须草龙须草(Eulaliopsis binata)系禾本科拟金芽属(Eulaliopsis)植物，俗称拟金芽、 蓑草或羊胡子草，是多年生纤维植物，中国主要分布于四川、陕西、云南、贵州、湖南、湖北、广西、福建、河南、江西、甘肃和台湾地区地区等省区，集中在海拔600m以下的向阳荒山坡和干热河谷。龙须草的生活习性及其生态作用龙须草不择土壤，在多种类型土壤上和在缓坡地、陡坡地(甚至陡峭)及非积水地等多种类型的地形上生长良好。龙须草具有独特的形态结构和生理特性，能耐受高温、干旱、瘠薄、病虫害，并耐割、耐山火等，因而有较强抗逆性和适应性。龙须草由于蓄水固土能力强，被水保部门称为水土保持的先锋草种。一方面，龙须草是一种C4植物，生长速度快，分蘖能力强，一年内可产生上百个蘖，能迅速覆盖地表，阻挡暴雨对地面的直接冲刷，并截留大量雨水，继而减缓地表径流；另一方面，龙须草为须根系植物，根系发达，根长可达1～15m，分布在活土层内，根系交织成网，固土能力强。已有试验结果表明，在同等坡度。同等降水条件下，两年生龙须草覆盖率在60％以上的龙须草坡面其年侵蚀模数平均下降到500～1 000t/km2以下，大面积草坡平均保土效率达到744％，每公顷2年生的龙须草至少可固定1 500～9 000m3的土，可蓄水750m3。对20° 坡度单纯种龙须草、龙须草-林复合、自然野生草与裸露地的水土流失、养分流失和水分状况的研究结果表明，种植龙须草能显著降低紫色土荒坡地的水土流失。纯种龙须草后的紫色土荒坡地的年径流量和年侵蚀模数仅18 55864t/km2和8422t/km2，防治效果分别为7257%和9586%；而龙须草-林复合处理的防治效果则分别为8025%和9789%，基本做到了没有水土流失。此外，从各处理水土流失月变化动态可知，龙须草在雨季来临前得到了旺盛生长，形成了厚密的草垫，雨季时能有效防治水土流失，也可涵养较多的水分，提高抗旱能力。龙须草根系发达，固土能力强，能较好地防止土壤冲刷而沙化。种植龙须草的各处理也能有效地减少各营养物质的流失。纯种龙须草和龙须草林复合能有效地防止速效氮、磷、钾的流失，增加土壤养分含量，培肥土壤。总之，种植龙须草对改变南方紫色土地区严重的水土流失现状，促进南方紫色土地区的农业生产，提高当地农民的收入具有重大的意义。龙须草的形态与结构龙须草收获部分无茎无节，全草可用于造纸。从各种理化性质看，它都是堪与木材媲美的优质造纸原料，远为其他草类纤维所不及。它纤维含量高达5678%、灰分含量低、杂细胞少、多戊糖含量较多，因而制浆收获率高，打浆比较容易；其木质素含量比木材低，使制浆过程更显简单，漂白容易；其纤维细而长，长宽比高达202，有利于增加纸张的抗张强度、耐破度和耐折度；而且其纤维细胞壁的初生壁呈网状排列、次生壁中层不分层、外层较厚有8～9层，故具有厚薄不匀，层次多少不一的特征，进而在厚薄相间之处出现类似于皱纹的折纹，使之用于生产手工用纸也能产生一些“润墨”效果。故龙须草既可作为机制纸又可作为手工纸的原料。如湖北汉阳造纸厂1960年就用龙须草生产凸版印刷纸、复写原纸，近年来又在陕西洋县投资50万元以扶持洋县龙须草生产基地、帮助建厂，并每年从洋县购进6 000t原料以生产品质出口纸。丹江口市是湖北省的龙须草主要产地之一，市委市政府将开发利用龙须草作为全市农村脱贫、财政过亿的支柱产业来抓。四川、湖北的一些手工纸厂早就用龙须草配以麻浆抄制供书画用的传统手工纸。其他如云南大理、下关、河口，贵州凯里、贵阳、都匀、兴义、惠水、河南中牟、四川成都、重庆等造纸厂都以龙须草或部分以龙须草为原料依托，产生了很好的经济效益。龙须草的收获及其农产品特征龙须草每年收获1～2次，收获方法比较简单，一般农民采用镰刀平地或高出地面1cm左右割下地上部分，就地晾晒至风干。因此，用作造纸工业原料的龙须草（农产品）就是茎秆与叶片连在一起的龙须草地上部分。龙须草的纤维素含量50％左右，主要用作造纸工业原料。四、红麻红麻（Kenaf）。学名Hibiscus cannabinus L，别名洋麻、槿麻、钟麻。锦葵科（Malvaceae），木槿属（Hibiscus）。红麻在我国大面积种植是20世纪70年代的事。从引种到大面积生产只经历了短短的十几年，我国一跃成为世界第二大红麻生产国。红麻种植面积（高峰期）达到40多万hm2，单位面积产量排行位。红麻的根红麻为圆锥形直根系，由主根和多级侧根组成。主根较粗入土深达2m左右。侧根分布在土壤耕层内密生根毛。根毛离主根愈远愈少，离表土层愈深愈稀。根毛量多少随株不同生育阶段和生长季节而变化。春季幼苗期，根毛发育较旺盛，夏季旺长阶段，根毛大量增生，尤其是土壤湿润下，根毛能长出地面；秋季麻株衰老或盛夏遇旱生长受到抑制时，根毛衰退死亡。红麻根的生长过程是种子发芽后第二天，主根伸长到3cm左右，约为幼苗主茎高度的3倍；发芽后第四天为主茎高度的6倍多；发芽后25天为86倍。表明根在苗期伸长速度较茎为快。苗期以后，根与地上部的生长速度协调发育，麻株出现七裂叶，根占茎重的12%左右；8月中旬以后，由于麻株落叶量增多，地上部所占比重减轻，根重比例提高到14%左右。红麻生长期间遇到淹水，麻茎在淹水部位，长出不定根，漂浮在水中。这类不定根与水生植物根系相似，起新陈代谢作用，是红麻耐淹的主要原因。退水后不定根暴露在空气中失水枯死。由于不定根是起源于形成层维管组织，它穿透韧皮长出茎外，使纤维束松散，以致沤洗出来的纤维强力，比没经过淹水的纤维弱。红麻的茎红麻茎直立，圆筒形。茎色分红、绿两大类。红茎品种又有紫、红及微红几种颜色。绿茎品种由于表皮含花青素，有随不同发育阶段或环境条件变化而发生改变的现象，幼苗一般胚轴为红或绿色，生长旺盛时期品种的固有颜色显现出来，生育后期麻茎的向阳部位，在低温影响下为红色，愈接近晚秋色愈红。紫茎或红茎类型品种在自然条件下，茎褐色。红麻植株的高度为1～5m，一般早熟种为250～310cm；中熟种为310～350cm；晚熟种为320～400cm；极晚熟品种为380cm以上。同一品种在不同条件下，株高有明显差异，华北农业科学研究所将华农一号品种，分别在不同纬度下，株高随纬度南移逐渐降低。但南种北植的晚熟品种在不同纬度下，麻株高矮变化，没有北种南移植株高度降低那么显著，也有随纬度北移，而降低的趋势。红麻茎粗早熟种为12～14cm，中熟种为12～16cm，晚熟及极晚熟种为14～18cm。同一类型品种的不同部位间，子叶节茎粗为21～23cm，株高1/4处为20～21cm，1/2处为13～16cm，3/4处为08～09cm，梢下30cm处为06～07cm。另外，茎粗大小还与栽培条件有关，在多肥稀植下，子叶节茎粗可达35cm，而在少肥密植下，子叶节茎粗仅15cm，两者相差20cm。红麻主茎上的节数极早熟种为35节左右，早熟种50～60节，中熟种65～80节，晚熟或极晚熟种为80～105节。节间长度，子叶节比子叶节至节长为2～4cm，子叶节向上至10节的平均长度为4～5cm，从15节向上逐渐缩短，始蕾后又延伸增长，梢部再缩短。红麻茎节叶痕处长有腋芽原基，腋芽极易长成分枝。分枝出现的部位早熟种为15节左右，晚熟种为70～90节。红麻的分枝习性是品种本身的遗传表型，选种时应注意选择和培育分枝习性弱的品种；在栽培管理上，采用适当密植，能有效地控制腋芽的伸长。红麻分枝颜色与主茎相同。主茎与分枝均生有疏落的锐刺。红麻茎横切面为圆形有凹凸隆起，茎组织由外向内顺序为表皮、皮层、韧皮部、形成层、木质部和髓。表皮由一层扁平细胞组成，被有腊质。皮层在表皮内为薄壁细胞层。韧皮部中有韧皮纤维细胞和薄壁细胞。形成层向外缘形成次生韧皮部，向内分生次生木质部。木质部内有导管、管胞、木薄壁组织细胞和木纤维。髓位于茎中心。红麻的收获及其农产品特征传统意义上的红麻农产品，是指通过沤制而获得的红麻束纤维（即熟红麻），其产品特征在国家标准《熟红麻》中描述得很好清楚和具体。伴随科学技术进步和人类环保意识增强，作为农产品提供给工业的原料除熟红麻以外，还有红麻韧皮。农民将成熟的红麻地上部分砍倒并去叶以后，从红麻茎秆形成层分开为麻骨和韧皮两部分，分别晒干以后，前者可作他用，后者就是主要农产品——红麻韧皮。它的纤维素含量为60％左右，可以用作生产建材、装饰材料、生物质膜、生物质能源以及纺织、造纸工业的原料。

前言本书以刘正初连续25年带领创新团队成员和研究生不断努力，围绕“草本纤维生物精制科学与工程”开展研究的历程，总结所创“农产品加工微生物遗传改良与应用”这个新兴、交叉学科的学术思路和研究方法，描绘和打造“草本纤维生物质产业”这个未来人类生活必需品支柱产业的发展蓝图、主攻方向，为进一步选育广谱性高效菌株、更加广泛开展草本纤维生物精制工艺研究，提供原始创新平台；为推动我国生物质产业的技术创新和产业创新，缓解我国森林和石油资源短缺矛盾，保护生态环境，促进国民经济和社会可持续发展提供重大科学依据。纤维是仅次于食物的第二大人类生活必需品，涉及“衣、食、住、行、知、信、康、乐”等人类生活要素的方方面面。例如，用于护体、保暖、打扮的服饰及家纺产品，是纤维制作的。食品的包装、储运以及卫生餐具离不开纤维。纤维在建筑材料、室内装饰材料、清洁卫生用品等方面的用途不胜枚举。人们出行所携带的晴雨伞、箱包等用品，乘坐用的交通工具（包括飞机、火车、汽车、自行车、轮船），使用的劳动工具（从象征体力劳动的鱼网到象征脑力劳动的电脑），无一不含有纤维制品。人们赖以获取知识和信息的书籍、报刊、通信工具多以纤维制品为主要载体。维护国家和个人信仰与尊严的国防装备、宣传舆论工具不乏纤维制品。保护人类健康的环保设施、消防器材、抢险物资、医疗器械或用品中纤维成分也很普遍。各类娱乐设施几乎都含有纤维，甚至用的是完整的纤维制品。伴随人类社会发展与石油、森林及土地资源短缺矛盾日益突出，世界各国越来越关注草本纤维产业的发展。草本纤维来自以收获纤维素纤维为主的苎麻、红麻、黄麻、大麻、亚麻、剑麻、蕉麻、菠萝麻、罗布麻、芦苇、芒草、龙须草等草本纤维作物农产品（如经过农机具初加工的苎麻、红麻、黄麻、大麻韧皮，未经初加工的亚麻原茎、芦苇茎秆）以及纤维素含量超过25％的农作物秸秆（如麦秆）或类似废弃物（如蔗渣）。草本纤维作物适应性强（可利用荒山、山坡地、盐碱地、滩头、沙漠等边际土地种植，不与粮食作物争地）、纤维产量高（≥45t/hm2，尤其是可通过遗传改良提高营养体产量的潜力大），兼有防止水土流失（如苎麻、龙须草等多年生植物）、净化空气（消耗CO2≥25t/hm2）等环保功能，被认为是极具发展潜力的速生、高产天然纤维资源。近30年，全球迅速掀起“生物质降解”研究的热潮，草本纤维生物质加工业已发展成为覆盖传统轻纺工业和现代生物质产业的制造业集群，利用草本纤维开发出许多替代石油、森林资源的新产品，包括各类纺织品、纸品、环保型纤维质材料、纤维质燃料等。有鉴于此，可以预测，草本纤维生物质产业可能成为人类生活和社会发展必需，类似于现行石油、钢材行业等支柱产业。草本纤维伴生着25%以上的非纤维素，必须采用适当方法予以剥离，方可获得天然纤维素纤维，广泛用作纺织、造纸、生物质材料、生物质能源等制造业的基础材料。其中，部分组织型非纤维素（如苎麻、红麻、黄麻、大麻的麻骨，剑麻的叶肉）可以通过农机具初加工予以剥离；水溶型非纤维素（蛋白质、各种单糖及淀粉类多糖）可以通过吸水溶胀方式除去；以化学键直接或间接与纤维素相连的键合型非纤维素（包括果胶、半纤维素、木质素等），必须通过十分复杂的化学或生物化学反应过程方可剥离。本书作者将“剥离草本纤维生物质中非纤维素而获得直接用作纤维类制造业基础材料”的加工过程统称为草本纤维精制。包括此前，纺织行业称之为“草本纤维作物脱胶”，造纸行业称之为“草料制浆”，生物质材料产业称之为“原料预处理”，生物质能源产业称之为“生物质糖化”等。草本纤维精制方法是推动或制约产业发展的技术瓶颈。早在数千年以前，我们的祖先发明了以“天然菌群随机性降解非纤维素”为本质的沤麻方法。考古发现，苎麻织物是我国秦、汉时期的主要日常衣料。江苏六合东周墓（约2800年前）出土的苎麻布，经纱密度24根/cm，纬纱密度20根/cm。湖南长沙马王堆1号西汉墓（2 200多年前）出土的苎麻布，经纱密度37根/cm，纬纱密度44根/cm，可与丝帛媲美。这些史料至少可以说明：沤麻这种古老的草本纤维精制方法，是以“作坊”生产方式把草本纤维变成了重要纺织、造纸原料，对于人类利用草本植物纤维开发生活必需品具有不可磨灭的历史性贡献。然而，由于存在不适宜工业化生产、产品质量不稳定、与水产养殖业争夺水资源等问题，天然水沤制方法面临被时代淘汰的危险。酆云鹤先生（1935）发明了以“化学试剂差异化水解非纤维素”为中心的化学脱胶方法，现已延伸到造纸行业的化学制浆、生物质产业的化学精炼或化学糖化。在改革开放浪潮推动和化学脱胶技术支撑下，我国苎麻加工企业由中华人民共和国成立前的几家小厂和几十个作坊发展到高峰期的580多家，其中，脱胶能力在1 000t/年以上的大、中型苎麻加工企业达到175家，纺纱能力达到120万锭。苎麻纤维制品达到九大系列300多个品种，除了闻名世界流传了数千年之久的“夏布”之外，多为苎麻纤维纯纺或与其他纤维混纺、交织产品，包括纱（线）、带、绳、机织物、无纺布和针织物。不仅如此，造纸行业、新兴生物质产业通过借用或改良类似方法，使我国草本纤维制造业获得了同步发展与壮大。毋庸置疑，化学脱胶方法的发明是一项涉及产业技术革命的成果，实现了草本纤维制造业由作坊式向工厂化生产的转变。但是，存在消耗大量化学试剂和能源、环境污染严重，对纤维产生“淬火”变性而影响产品升级等负作用，该方法的应用前景受到严峻挑战，我国目前数以百计的中小企业因化学脱胶、化学制浆方法的“污染”问题而被迫关闭。近30年，美国、韩国、日本等国家发明了一些物理—化学耦合精炼技术，可以剥离部分组织型非纤维素和键合型非纤维素，但是，所获得的产品仅能满足生产可降解生物质材料的需要。Hauman等（1902）从浸渍亚麻茎上分离到一些细菌以及英国牛津大学ACThayson 和HJBunker（1927）提出“纤维素半纤维素果胶及胶质的微生物学”这个概念以后，国内外科学家前赴后继致力于菌种选育或复合酶制剂研究，试图找到一种以生物降解为特征的快速、高效草本纤维精制方法，摆脱沤麻这种落后的生产方式。环境友好、资源节约型草本纤维精制方法已成为全球共同关注的重大课题。直到1985年，孙庆祥等才发明过渡型苎麻细菌化学联合脱胶技术，后拓展为生物—化学联合脱胶/制浆/糖化方法（生物处理所剥离的键合型非纤维素不足50%，没有成为草本纤维精制的主体）。可以肯定，发明生物—化学联合脱胶方法的重大贡献，在于把现代生物技术引入草本纤维精制方法的研究与应用领域，为实现草本纤维精制方法由化学领域向现代生物技术领域的跨越，奠定了坚实基础。因两种作用机制并存，除不同程度存在污染严重等问题以外，还有工艺复杂、菌剂制备流程长或酶制剂成本高等弊端，以至于该方法难以转化为大规模生产力。综合分析110多年有关以生物降解为特征的快速、高效草本纤维精制方法的研究历程，发现一个制约其研究进展的关键科学问题，即缺乏功能齐全的菌株和怎样阐明复合酶剥离非纤维素的作用机理，以至于菌种选育和酶制剂复配缺乏科学依据。在前人工作基础上，以刘正初为主持人、课题项目组长、首席专家的创新团队，针对上述关键科学问题，围绕“高效菌株→复合酶协同作用机理→工厂化应用生物精制工艺与设备”这条主线，经过25年连续不断的创新与完善，在国内外率先创立了以“关键酶专一性裂解非纤维素”为特征的高效节能清洁型工厂化草本纤维生物精制方法（不添加化学试剂），取得了现代生物技术在草本纤维精制方法上应用的突破性进展。从整体学术思路来看，刘正初主持承担的39项科研任务，紧扣“草本纤维生物精制方法”这个目标，全方位开展了微生物资源、微生物遗传改良、生物制剂制备、复合酶催化多底物降解机理、草本纤维生物精制工艺技术与装备、工业“三废”综合利用及其污染治理方法、生物精制纤维性能评价与利用等创新性研究。这些科研任务涵盖了国际合作、国家级（除“973”以外的各类科技计划）、省部级、企业委托4个层面以及基础、应用基础和应用研究三大领域的科技计划。在基础研究领域，主持了国家自然科学基金面上项目“红麻微生物脱胶机理研究”，科技资源平台专项课题“草本纤维作物脱胶与草类制浆微生物资源整理整合与共享”。在应用基础和应用研究领域，主持了国家“863”计划目标导向课题“天然可降解草本纤维生物提取及其新产品开发技术研究”，科技支撑计划专题“清洁型草本纤维作物生物脱胶酶制剂研制与开发利用”，“948”专项计划重点项目“黄麻和红麻快速脱胶技术引进与消化”，高技术产业化专项课题“苎麻生物脱胶新工艺新设备研究”，公益性行业专项课题“草本纤维作物生物加工技术研究与示范”等。为实现这些研究目标，在麻类研究所历届领导关心和支持下，刘正初为首席科学家（专家），组建了2个创新团队：国家农业科技创新工程“农产品加工微生物遗传改良与应用”创新团队、中国农业科学院“麻产品加工”重点创新团队；构建了6个相关创新平台：农业部草本纤维作物生物学与加工重点开放实验室、湖南省草本纤维作物工程技术研究中心、湖南省草本纤维作物作物遗传育种与麻产品生物加工重点实验室、中国农业科学院农产品加工微生物资源保藏中心、草本纤维作物工程技术研究中心、草本纤维作物加工酶制剂中试车间。通过高效菌株选育、复合酶协同作用机理和生物脱胶工艺技术与设备等一系列创新性研究，形成了整体技术发明成果——高效节能清洁型麻类工厂化生物脱胶技术。2014年11月，农业部科技发展中心，组织以中国工程院副院长刘旭院士为组长、罗锡文院士为副组长的专家组对该技术发明成果进行评价认定：该成果在生物脱胶技术原理、工艺流程、技术参数和工艺装备等方面取得了重大突破，实现了脱胶生产方式的重大转变，从根本上解决了产业发展的技术难题，对于我国以草本纤维为原料的纺织、造纸、生物质材料等产业具有重大推动或借鉴作用；经济、社会、生态效益显著；高效菌株的选育、复合酶催化机理等方面处于同类研究国际领先水平。该成果评价标志着刘正初带领创新团队开展草本纤维生物精制科学与工程研究取得了划时代意义的阶段性成果。本书写作经历了一个艰苦而漫长的过程。20世纪90年代中后期，刘正初为申请中国农业科学院出版基金（院长基金之一），草拟了一份与孙庆祥先生合著一书的编写提纲，因为专著的名称和素材等难以取舍，几乎没有形成整章整节的书稿，结果是不了了之。2004年，为申请国家出版基金，在冯湘沅、郑科、段盛文协助（收集部分文字材料和图片）下，刘正初突击编写了拟出版专著80%以上文稿，按要求提交给分子生物学家范云六院士、复合材料学家黄伯云院士和土壤肥料植物营养学家刘更另院士审阅。3位院士审阅书稿后，出具了建议出版“草本纤维生物提取科学与工程”的推荐意见。因出版基金项目竞争激烈，未能获准。近十几年，刘正初指导团队成员和研究生做了大量有关生物化学与分子生物学、酶学等研究方面的补充和完善，充实了“科学”的分量；同时，已设计并驻厂指导建成了5个“高效节能清洁型草本纤维作物工厂化生物脱胶技术”示范工程，加速成果转化，扩大了“工程”的影响力。此外，在国际天然纤维组织（International Natural Fiber Organization，FAO下设机构）秘书长Dilip Tambyrajah先生考察本实验室期间，作者与其进行专题学术交流，并决定采用Biorefinery（生物精制）国际专业术语来替代Bioextracting（生物提取）。以此为基础，刘正初调整思路、确立科技内涵、修订专著文本，历时10个月，形成了《草本纤维生物精制科学与工程》初稿。本书的合作著者——孙庆祥先生（本书主笔刘正初的硕士学位导师）自1971年在国内率先启动“麻类微生物脱胶技术”全方位研究，发明了“苎麻细菌化学联合脱胶技术”（1990年度国家发明三等奖），形成了“黄麻红麻陆地湿润脱胶技术”（1994年度中国农业科学院科学技术成果奖二等奖）等成果。虽然出于严格的“生物精制”概念要求没有把这些成果作为本书重点内容进行详细介绍或描述，但是，孙先生20多年的工作积累，为本书研究奠定了坚实基础，同时，孙先生开拓进取的创业精神，求真务实的科研态度及对本专著的贡献也是显而易见的。此外，本着集思广益、确保专著质量的愿望，作为主笔经过广泛征求意见，才确定了本书参加撰写的人员名单，按学科专业，将初稿分章节提交撰写人员，进行认真修订，并整理成正稿。刘正初2016年5月