前言
本書以劉正初連續(xù)25年帶領(lǐng)創(chuàng)新團(tuán)隊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），使用的勞動工具（從象征體力勞動的魚網(wǎng)到象征腦力勞動的電腦），無一不含有纖維制品。人們賴以獲取知識和信息的書籍、報刊、通信工具多以纖維制品為主要載體。維護(hù)國家和個人信仰與尊嚴(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。考古發(fā)現(xiàn)，苧麻織物是我國秦、漢時期的主要日常衣料。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、造紙原料，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代淘汰的危險。
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)明是一項涉及產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命的成果，實現(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）�？梢钥隙ǎ�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，奠定了堅實基礎(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、課題項目組長、首席專家的創(chuàng)新團(tuán)隊，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項科研任務(wù)，緊扣草本纖維生物精制方法這個目標(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以外的各類科技計劃）、省部級、企業(yè)委托4個層面以及基礎(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)基金面上項目紅麻微生物脫膠機(jī)理研究，科技資源平臺專項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專項計劃重點(diǎn)項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)專項課題草本纖維作物生物加工技術(shù)研究與示范等。為實現(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個創(chuàng)新團(tuán)隊：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、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；構(gòu)建了6個相關(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)開放實驗室、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)實驗室、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)具有重大推動或借鑒作用；經(jīng)濟(jì)、社會、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。該成果評價標(biāo)志著劉正初帶領(lǐng)創(chuàng)新團(tuán)隊開展草本纖維生物精制科學(xué)與工程研究取得了劃時代意義的階段性成果。
本書寫作經(jīng)歷了一個艱苦而漫長的過程。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，因為專著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。因出版基金項目競爭激烈，未能獲準(zhǔn)。近十幾年，劉正初指導(dǎo)團(tuán)隊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，充實了科學(xué)的分量；同時，已設(shè)計并駐廠指導(dǎo)建成了5個高效節(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先生考察本實驗室期間，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10個月，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），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)成果獎二等獎）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實基礎(chǔ)，同時，孫先生開拓進(jìn)取的創(chuàng)業(yè)精神，求真務(wù)實的科研態(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