前言
本書以劉正初連續(xù)25年帶領(lǐng)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)成員和研究生不斷努力，圍繞草本纖維生物精制科學(xué)與工程開展研究的歷程，總結(jié)所創(chuàng)農(nóng)產(chǎn)品加工微生物遺傳改良與應(yīng)用這個(gè)新興、交叉學(xué)科的學(xué)術(shù)思路和研究方法，描繪和打造草本纖維生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)這個(gè)未來人類生活必需品支柱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展藍(lán)圖、主攻方向，為進(jìn)一步選育廣譜性高效菌株、更加廣泛開展草本纖維生物精制工藝研究，提供原始創(chuàng)新平臺；為推動(dòng)我國生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，緩解我國森林和石油資源短缺矛盾，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供重大科學(xué)依據(jù)。
纖維是僅次于食物的第二大人類生活必需品，涉及衣、食、住、行、知、信、康、樂等人類生活要素的方方面面。例如，用于護(hù)體、保暖、打扮的服飾及家紡產(chǎn)品，是纖維制作的。食品的包裝、儲(chǔ)運(yùn)以及衛(wèi)生餐具離不開纖維。纖維在建筑材料、室內(nèi)裝飾材料、清潔衛(wèi)生用品等方面的用途不勝枚舉。人們出行所攜帶的晴雨傘、箱包等用品，乘坐用的交通工具（包括飛機(jī)、火車、汽車、自行車、輪船），使用的勞動(dòng)工具（從象征體力勞動(dòng)的魚網(wǎng)到象征腦力勞動(dòng)的電腦），無一不含有纖維制品。人們賴以獲取知識和信息的書籍、報(bào)刊、通信工具多以纖維制品為主要載體。維護(hù)國家和個(gè)人信仰與尊嚴(yán)的國防裝備、宣傳輿論工具不乏纖維制品。保護(hù)人類健康的環(huán)保設(shè)施、消防器材、搶險(xiǎn)物資、醫(yī)療器械或用品中纖維成分也很普遍。各類娛樂設(shè)施幾乎都含有纖維，甚至用的是完整的纖維制品。
伴隨人類社會(huì)發(fā)展與石油、森林及土地資源短缺矛盾日益突出，世界各國越來越關(guān)注草本纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。草本纖維來自以收獲纖維素纖維為主的苧麻、紅麻、黃麻、大麻、亞麻、劍麻、蕉麻、菠蘿麻、羅布麻、蘆葦、芒草、龍須草等草本纖維作物農(nóng)產(chǎn)品（如經(jīng)過農(nóng)機(jī)具初加工的苧麻、紅麻、黃麻、大麻韌皮，未經(jīng)初加工的亞麻原莖、蘆葦莖稈）以及纖維素含量超過25％的農(nóng)作物秸稈（如麥稈）或類似廢棄物（如蔗渣）。草本纖維作物適應(yīng)性強(qiáng)（可利用荒山、山坡地、鹽堿地、灘頭、沙漠等邊際土地種植，不與糧食作物爭地）、纖維產(chǎn)量高（4��5t/hm2，尤其是可通過遺傳改良提高營養(yǎng)體產(chǎn)量的潛力大），兼有防止水土流失（如苧麻、龍須草等多年生植物）、凈化空氣（消耗CO225t/hm2）等環(huán)保功能，被認(rèn)為是極具發(fā)展?jié)摿Φ乃偕�、高產(chǎn)天然纖維資源。近30年，全球迅速掀起生物質(zhì)降解研究的熱潮，草本纖維生物質(zhì)加工業(yè)已發(fā)展成為覆蓋傳統(tǒng)輕紡工業(yè)和現(xiàn)代生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的制造業(yè)集群，利用草本纖維開發(fā)出許多替代石油、森林資源的新產(chǎn)品，包括各類紡織品、紙品、環(huán)保型纖維質(zhì)材料、纖維質(zhì)燃料等。有鑒于此，可以預(yù)測，草本纖維生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)可能成為人類生活和社會(huì)發(fā)展必需，類似于現(xiàn)行石油、鋼材行業(yè)等支柱產(chǎn)業(yè)。
草本纖維伴生著25%以上的非纖維素，必須采用適當(dāng)方法予以剝離，方可獲得天然纖維素纖維，廣泛用作紡織、造紙、生物質(zhì)材料、生物質(zhì)能源等制造業(yè)的基礎(chǔ)材料。其中，部分組織型非纖維素（如苧麻、紅麻、黃麻、大麻的麻骨，劍麻的葉肉）可以通過農(nóng)機(jī)具初加工予以剝離；水溶型非纖維素（蛋白質(zhì)、各種單糖及淀粉類多糖）可以通過吸水溶脹方式除去；以化學(xué)鍵直接或間接與纖維素相連的鍵合型非纖維素（包括果膠、半纖維素、木質(zhì)素等），必須通過十分復(fù)雜的化學(xué)或生物化學(xué)反應(yīng)過程方可剝離。本書作者將剝離草本纖維生物質(zhì)中非纖維素而獲得直接用作纖維類制造業(yè)基礎(chǔ)材料的加工過程統(tǒng)稱為草本纖維精制。包括此前，紡織行業(yè)稱之為草本纖維作物脫膠，造紙行業(yè)稱之為草料制漿，生物質(zhì)材料產(chǎn)業(yè)稱之為原料預(yù)處理，生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)稱之為生物質(zhì)糖化等。草本纖維精制方法是推動(dòng)或制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸。早在數(shù)千年以前，我們的祖先發(fā)明了以天然菌群隨機(jī)性降解非纖維素為本質(zhì)的漚麻方法�？脊虐l(fā)現(xiàn)，苧麻織物是我國秦、漢時(shí)期的主要日常衣料。江蘇六合東周墓（約2800年前）出土的苧麻布，經(jīng)紗密度24根/cm，緯紗密度20根/cm。湖南長沙馬王堆1號西漢墓（2 200多年前）出土的苧麻布，經(jīng)紗密度37根/cm，緯紗密度44根/cm，可與絲帛媲美。這些史料至少可以說明：漚麻這種古老的草本纖維精制方法，是以作坊生產(chǎn)方式把草本纖維變成了重要紡織、造紙?jiān)�料，對于人類利用草本植物纖維開發(fā)生活必需品具有不可磨滅的歷史性貢獻(xiàn)。然而，由于存在不適宜工業(yè)化生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、與水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)爭奪水資源等問題，天然水漚制方法面臨被時(shí)代淘汰的危險(xiǎn)。
酆云鶴先生（1935）發(fā)明了以化學(xué)試劑差異化水解非纖維素為中心的化學(xué)脫膠方法，現(xiàn)已延伸到造紙行業(yè)的化學(xué)制漿、生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的化學(xué)精煉或化學(xué)糖化。在改革開放浪潮推動(dòng)和化學(xué)脫膠技術(shù)支撐下，我國苧麻加工企業(yè)由解放前的幾家小廠和幾十個(gè)作坊發(fā)展到高峰期的580多家，其中，脫膠能力在1 000t/年以上的大、中型苧麻加工企業(yè)達(dá)到175家，紡紗能力達(dá)到120萬錠。苧麻纖維制品達(dá)到九大系列300多個(gè)品種，除了聞名世界流傳了數(shù)千年之久的夏布之外，多為苧麻纖維純紡或與其他纖維混紡、交織產(chǎn)品，包括紗（線）、帶、繩、機(jī)織物、無紡布和針織物。不僅如此，造紙行業(yè)、新興生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)通過借用或改良類似方法，使我國草本纖維制造業(yè)獲得了同步發(fā)展與壯大。毋庸置疑，化學(xué)脫膠方法的發(fā)明是一項(xiàng)涉及產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命的成果，實(shí)現(xiàn)了草本纖維制造業(yè)由作坊式向工廠化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變。但是，存在消耗大量化學(xué)試劑和能源、環(huán)境污染嚴(yán)重，對纖維產(chǎn)生淬火變性而影響產(chǎn)品升級等負(fù)作用，該方法的應(yīng)用前景受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，我國目前數(shù)以百計(jì)的中小企業(yè)因化學(xué)脫膠、化學(xué)制漿方法的污染問題而被迫關(guān)閉。近30年，美國、韓國、日本等國家發(fā)明了一些物理化學(xué)耦合精煉專利技術(shù)，可以剝離部分組織型非纖維素和鍵合型非纖維素，但是，所獲得的產(chǎn)品僅能滿足生產(chǎn)可降解生物質(zhì)材料的需要。
Hauman等（1902）從浸漬亞麻莖上分離到一些細(xì)菌以及英國牛津大學(xué)A�盋�盩hayson 和H�盝�盉unker（1927）提出纖維素半纖維素果膠及膠質(zhì)的微生物學(xué)這個(gè)概念以后，國內(nèi)外科學(xué)家前赴后繼致力于菌種選育或復(fù)合酶制劑研究，試圖找到一種以生物降解為特征的快速、高效草本纖維精制方法，擺脫漚麻這種落后的生產(chǎn)方式。環(huán)境友好、資源節(jié)約型草本纖維精制方法已成為全球共同關(guān)注的重大課題。直到1985年，孫慶祥等才發(fā)明過渡型苧麻細(xì)菌化學(xué)聯(lián)合脫膠技術(shù)，后拓展為生物化學(xué)聯(lián)合脫膠/制漿/糖化方法（生物處理所剝離的鍵合型非纖維素不足50%，沒有成為草本纖維精制的主體）。可以肯定，發(fā)明生物化學(xué)聯(lián)合脫膠方法的重大貢獻(xiàn)，在于把現(xiàn)代生物技術(shù)引入草本纖維精制方法的研究與應(yīng)用領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)草本纖維精制方法由化學(xué)領(lǐng)域向現(xiàn)代生物技術(shù)領(lǐng)域的跨越，奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。因兩種作用機(jī)制并存，除不同程度存在污染嚴(yán)重等問題以外，還有工藝復(fù)雜、菌劑制備流程長或酶制劑成本高等弊端，以至于該方法難以轉(zhuǎn)化為大規(guī)模生產(chǎn)力。綜合分析110多年有關(guān)以生物降解為特征的快速、高效草本纖維精制方法的研究歷程，發(fā)現(xiàn)一個(gè)制約其研究進(jìn)展的關(guān)鍵科學(xué)問題，即缺乏功能齊全的菌株和怎樣闡明復(fù)合酶剝離非纖維素的作用機(jī)理，以至于菌種選育和酶制劑復(fù)配缺乏科學(xué)依據(jù)。
在前人工作基礎(chǔ)上，以劉正初為主持人、課題項(xiàng)目組長、首席專家的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，針對上述關(guān)鍵科學(xué)問題，圍繞高效菌株復(fù)合酶協(xié)同作用機(jī)理工廠化應(yīng)用生物精制工藝與設(shè)備這條主線，經(jīng)過25年連續(xù)不斷的創(chuàng)新與完善，在國內(nèi)外率先創(chuàng)立了以關(guān)鍵酶專一性裂解非纖維素為特征的高效節(jié)能清潔型工廠化草本纖維生物精制方法（不添加化學(xué)試劑），取得了現(xiàn)代生物技術(shù)在草本纖維精制方法上應(yīng)用的突破性進(jìn)展。從整體學(xué)術(shù)思路來看，劉正初主持承擔(dān)的39項(xiàng)科研任務(wù)，緊扣草本纖維生物精制方法這個(gè)目標(biāo)，全方位開展了微生物資源、微生物遺傳改良、生物制劑制備、復(fù)合酶催化多底物降解機(jī)理、草本纖維生物精制工藝技術(shù)與裝備、工業(yè)三廢綜合利用及其污染治理方法、生物精制纖維性能評價(jià)與利用等創(chuàng)新性研究。這些科研任務(wù)涵蓋了國際合作、國家級（除973以外的各類科技計(jì)劃）、省部級、企業(yè)委托4個(gè)層面以及基礎(chǔ)、應(yīng)用基礎(chǔ)和應(yīng)用研究三大領(lǐng)域的科技計(jì)劃。在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，主持了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目紅麻微生物脫膠機(jī)理研究，科技資源平臺專項(xiàng)課題草本纖維作物脫膠與草類制漿微生物資源整理整合與共享。在應(yīng)用基礎(chǔ)和應(yīng)用研究領(lǐng)域，主持了國家863計(jì)劃目標(biāo)導(dǎo)向課題天然可降解草本纖維生物提取及其新產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)研究，科技支撐計(jì)劃專題清潔型草本纖維作物生物脫膠酶制劑研制與開發(fā)利用，948專項(xiàng)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目黃麻和紅麻快速脫膠技術(shù)引進(jìn)與消化，高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)課題苧麻生物脫膠新工藝新設(shè)備研究，公益性行業(yè)專項(xiàng)課題草本纖維作物生物加工技術(shù)研究與示范等。為實(shí)現(xiàn)這些研究目標(biāo)，在麻類研究所歷屆領(lǐng)導(dǎo)關(guān)心和支持下，劉正初為首席科學(xué)家（專家），組建了2個(gè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)：國家農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程農(nóng)產(chǎn)品加工微生物遺傳改良與應(yīng)用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻產(chǎn)品加工重點(diǎn)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)；構(gòu)建了6個(gè)相關(guān)創(chuàng)新平臺：農(nóng)業(yè)部草本纖維作物生物學(xué)與加工重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室、湖南省草本纖維作物工程技術(shù)研究中心、湖南省草本纖維作物作物遺傳育種與麻產(chǎn)品生物加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工微生物資源保藏中心、草本纖維作物工程技術(shù)研究中心、草本纖維作物加工酶制劑中試車間。
通過高效菌株選育、復(fù)合酶協(xié)同作用機(jī)理和生物脫膠工藝技術(shù)與設(shè)備等一系列創(chuàng)新性研究，形成了整體技術(shù)發(fā)明成果高效節(jié)能清潔型麻類工廠化生物脫膠技術(shù)。2014年11月，農(nóng)業(yè)部科技發(fā)展中心，組織以中國工程院副院長劉旭院士為組長、羅錫文院士為副組長的專家組對該技術(shù)發(fā)明成果進(jìn)行評價(jià)認(rèn)定：該成果在生物脫膠技術(shù)原理、工藝流程、技術(shù)參數(shù)和工藝裝備等方面取得了重大突破，實(shí)現(xiàn)了脫膠生產(chǎn)方式的重大轉(zhuǎn)變，從根本上解決了產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)難題，對于我國以草本纖維為原料的紡織、造紙、生物質(zhì)材料等產(chǎn)業(yè)具有重大推動(dòng)或借鑒作用；經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)效益顯著；高效菌株的選育、復(fù)合酶催化機(jī)理等方面處于同類研究國際領(lǐng)先水平。該成果評價(jià)標(biāo)志著劉正初帶領(lǐng)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)開展草本纖維生物精制科學(xué)與工程研究取得了劃時(shí)代意義的階段性成果。
本書寫作經(jīng)歷了一個(gè)艱苦而漫長的過程。20世紀(jì)90年代中后期，劉正初為申請中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院出版基金（院長基金之一），草擬了一份與孫慶祥先生合著一書的編寫提綱，因?yàn)閷Ｖ�的名稱和素材等難以取舍，幾乎沒有形成整章整節(jié)的書稿，結(jié)果是不了了之。2004年，為申請國家出版基金，在馮湘沅、鄭科、段盛文協(xié)助（收集部分文字材料和圖片）下，劉正初突擊編寫了擬出版專著80%以上文稿，按要求提交給分子生物學(xué)家范云六院士、復(fù)合材料學(xué)家黃伯云院士和土壤肥料植物營養(yǎng)學(xué)家劉更另院士審閱。3位院士審閱書稿后，出具了建議出版草本纖維生物提取科學(xué)與工程的推薦意見。因出版基金項(xiàng)目競爭激烈，未能獲準(zhǔn)。近十幾年，劉正初指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)成員和研究生做了大量有關(guān)生物化學(xué)與分子生物學(xué)、酶學(xué)等研究方面的補(bǔ)充和完善，充實(shí)了科學(xué)的分量；同時(shí)，已設(shè)計(jì)并駐廠指導(dǎo)建成了5個(gè)高效節(jié)能清潔型草本纖維作物工廠化生物脫膠技術(shù)示范工程，加速成果轉(zhuǎn)化，擴(kuò)大了工程的影響力。此外，在國際天然纖維組織（International Natural Fiber Organization，F(xiàn)AO下設(shè)機(jī)構(gòu)）秘書長Dilip Tambyrajah先生考察本實(shí)驗(yàn)室期間，作者與其進(jìn)行專題學(xué)術(shù)交流，并決定采用Biorefinery（生物精制）國際專業(yè)術(shù)語來替代Bio�瞖xtracting（生物提�。�。以此為基礎(chǔ)，劉正初調(diào)整思路、確立科技內(nèi)涵、修訂專著文本，歷時(shí)10個(gè)月，形成了《草本纖維生物精制科學(xué)與工程》初稿。
本書的合作著者孫慶祥先生（本書主筆劉正初的碩士學(xué)位導(dǎo)師）自1971年在國內(nèi)率先啟動(dòng)麻類微生物脫膠技術(shù)全方位研究，發(fā)明了苧麻細(xì)菌化學(xué)聯(lián)合脫膠技術(shù)（1990年度國家發(fā)明三等獎(jiǎng)），形成了黃麻紅麻陸地濕潤脫膠技術(shù)（1994年度中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科學(xué)技術(shù)成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)）等成果。雖然出于嚴(yán)格的生物精制概念要求沒有把這些成果作為本書重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)介紹或描述，但是，孫先生20多年的工作積累，為本書研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)，孫先生開拓進(jìn)取的創(chuàng)業(yè)精神，求真務(wù)實(shí)的科研態(tài)度及對本專著的貢獻(xiàn)也是顯而易見的。
此外，本著集思廣益、確保專著質(zhì)量的愿望，作為主筆經(jīng)過廣泛征求意見，才確定了本書參加撰寫的人員名單，按學(xué)科專業(yè)，將初稿分章節(jié)提交撰寫人員，進(jìn)行認(rèn)真修訂，并整理成正稿。

劉正初2016年5月