草本纤维生物精制科学与工程_刘正初，孙庆祥_9787511630919

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*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国内外的研究概况，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。

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CO225t/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解放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专利技术，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

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