辣椒秸秆高效利用的研究现状

申煜丽，牛欣璐，贾若蕴，周 欣*，李增友

（河北农业大学理工系，河北沧州 061000）

21 世纪是中国辣椒产业飞速发展阶段。据国家大宗蔬菜产业技术体系统计数据，近年来我国辣椒成为种植面积最大的蔬菜，占全国蔬菜总面积9.28%，总产量超过6400 万t，对农民收入贡献率达1.14%[1]。由此可见，我国辣椒产业的发展空间极为广阔。

辣椒是一种具有很高营养价值的鲜食蔬菜，富含维生素C、维生素E 和类胡萝卜素等多种营养成分。鲜辣椒保鲜期短，常常被加工制成辣椒粉等食品调味剂[2]。近年来有关辣椒药用价值的研究也被广泛报道，Sastry S.Jayanty 等[3]研究发现，辣椒中含有丰富的酚酸、类黄酮和辣椒素等功能性成分，这些化合物可以防止高胆固醇血症和肥胖症的发生。因此，辣椒不仅具有良好的食用价值，还具有较高的药用价值。

正是因为近年来我国辣椒种植面积不断扩大，我国出现了辣椒产量连续增长的现象。大量生产辣椒的同时，产出大量的辣椒秸秆，而辣椒秸秆含有丰富的纤维素、木质素以及有机物等营养成分，但是我国对辣椒秸秆的开发利用尚处于高污染、高消耗和低产出阶段。大部分地区处理辣椒秸秆的主要手段是直接丢弃或就地焚烧，该方法不仅会对土壤结构带来破坏，还会造成雾霾等一系列的环境污染问题[4]。由此可见，废弃生物质资源再利用问题受到了相关研究人员的广泛关注[5]。

基于辣椒秸秆的营养价值，对国内外辣椒秸秆的利用途径如堆肥还田、发酵饲料、培育植菌基质、制备工业材料和能源燃料等进行综述，旨在为合理开发辣椒秸秆、避免优质资源浪费，以及环境保护提供一定的理论指导。

1 辣椒秸秆的营养价值

辣椒秸秆为辣椒的主干部分，除去辣椒果实外，辣椒茎秆、叶片和根部总称为辣椒秸秆，是辣椒收获、生产和加工过程中的主要农副产品。因其含有丰富的碳、氮、矿物质等营养成分，所以被作为重要的生物质资源。辣椒叶的营养价值高，适于饲料化应用，而辣椒茎秆的纤维素、木质素和有机物含量丰富，且粗灰分少，适合进行肥料化、基质化、原料化和燃料化处理。

周卫东等[6]研究发现，全株辣椒秸秆含有丰富的粗蛋白、粗灰分和粗纤维，含量分别在14.79%～16.72%、11.20%～11.48%、28.55%～33.82%之间，其营养成分优于羊草、玉米秸秆和稻草，与优质饲料苜蓿接近。徐斌等[7]采用不同的方法对辣椒叶中各种营养成分进行分析，每100g 干辣椒叶中含量最高的是钙120.25mg，此外，维生素C 39.35mg、蛋白质22.72mg、铁16.98mg、钾44.95mg、钠29.72mg、镁17.20mg、锰13.87mg。时政等[8]测定分析了辣椒叶中总淀粉和总膳食纤维含量，结果表明，辣椒叶中总淀粉含量高于46.95%，总膳食纤维含量接近40%，且相较于水稻等农作物具有更高的膳食纤维。此外，Jalel Labidi 等[9]对辣椒茎秆中全纤维素、木质素、半纤维素的含量进行检测，研究表明，全纤维素、木质素、半纤维素含量分别为63.4%、25.6%、23.3%。

由此可见，辣椒秸秆中营养物质含量丰富，可通过科学处理，有效利用辣椒秸秆的营养价值，其中主要的辣椒秸秆高值转换的方式包括肥料化、饲料化、基料化、原料化和燃料化[10]。

2 辣椒秸秆的高效利用现状

目前，国内外提高秸秆利用价值的途径主要归纳于“五化”，每种利用途径包括多种高值转化技术。下面分别对辣椒秸秆的“五化”利用及其主要技术的最新进展进行详细归纳总结（如图1 所示）。

图1 辣椒秸秆的综合利用

2.1 肥料化

近年来，化肥的大量投入导致土壤质量下降，促进全球气候变暖，加剧温室气体（N2O、CH4、CO2）排放等一系列生态环境问题。而辣椒秸秆是高碳含量有机物料，将其归还到田间，不仅可以减小土壤的容重、抑制病原菌生长，还可以增加土壤有机质、氮、磷、钾以及各种微量元素的含量。因此，进行辣椒秸秆还田等肥料化应用，对控制化肥投入、减少温室气体的排放具有重要的意义。目前，我国辣椒秸秆还田方式主要有直接还田和间接还田，其中机械粉碎还田为直接还田的主要方式，间接还田以堆肥还田为主[11-13]。

直接还田具有便捷、快速、低成本、大面积培肥地力的优势，是一项较为成熟的技术。冯义等[14]研究发现，结合夏季大棚高温闷棚技术，使用旋耕机将辣椒青秆直接打碎还田，不仅可以节省劳力，促进下茬辣椒生长，还可以提高土壤肥力，减少环境污染。该技术为辣椒的大棚生产提供了有效参考。

辣椒秸秆含氮量少，直接还田过程中，微生物在消耗大量氧气的同时释放有毒有害气体，常常会出现妨碍耕作、烧苗、病虫害增加等现象。辣椒秸秆堆肥还田作为间接还田的一种方式，通过在辣椒秸秆中加入生物菌剂、畜禽粪便等腐熟物质进行人工堆积成肥，再将堆肥产物还田。高温好氧堆肥还田是堆肥还田最为常见的方法。辣椒秸秆可以在微生物产生的半纤维素酶和淀粉酶作用下，通过高温发酵对可降解的有机质进行生物转化，从而实现物料充分降解和完全腐熟，最终制成有机肥料[15]。

高温好氧堆肥被认为是一种固体废物无害化、资源化、减量化的有效手段[16]。因此，李彦明等[17]对辣椒秸秆快速高温好氧堆肥工艺进行探究，相比于直接以碳源作为调理剂，将辣椒秸秆和小麦秸秆以2∶1 干质量进行联合堆肥，添加鸡粪为辅料时，可以显著降低物料损失率。随后，该研究团队又对辣椒秸秆与番茄根结线虫的拮抗作用进行研究，结果表明，将辣椒秸秆与鸡粪联合，添加4%微生物菌剂进行3d 高温好氧堆肥处理，不仅可以促进作物生长，还能达到很好抑制番茄根结线虫生长的效果[18]。此外，杨冬艳[19]研究团队探究发现，相比于不施底肥种植的番茄，辣椒秸秆在100%堆肥条件下，结合高温堆肥技术种植的番茄生长情况更佳，且辣椒秸秆堆肥与50%化肥配施，肥料生产效率更高且品质稳定。而后，杨冬艳等[20]又对新鲜辣椒秸秆粉碎还田、晒干粉碎还田、堆肥后还田3 种还田方式对茄果类蔬菜幼苗生长情况的影响进行研究，发现堆肥还田最利于茄科蔬菜的生长，因此，堆肥还田为最佳的堆肥还田方式。

2.2 饲料化

随着人们对动物产品需求量的增高，也大大增加了饲料的消耗量。以粮食为主的饲料成本高、产量少、加工复杂，这对我国动物饲料行业带来了巨大挑战。辣椒秸秆中含有多种适于家畜生长的微量元素。因此，对农作物秸秆进行合理的饲料化利用，可以减少粮食的消耗和有机质资源的浪费，是促进我国养殖业发展和生态环境平衡的重要举措[21]。

辣椒秸秆饲料化利用作为“五化”利用途径之一，谷子林等[22]通过消化试验对比了以基础饲粮和85%基础饲粮+15%辣椒秸秆为原料进行饲喂的两组獭兔的营养价值利用率，结果表明，生长獭兔对辣椒秸秆中的粗脂肪、粗灰分、微量元素等营养成分具有良好的消化率。

如果将辣椒秸秆直接用作饲料，常常存在消化率低、营养成分不均匀、口感差等诸多问题，微生物发酵技术可以很好地解决这些问题，也是提高辣椒秸秆饲料营养价值最安全的方法[23]。因此，陶宇航等[24]首先比较了辣椒秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆、稻草4 种作物秸秆与鲜牛粪发酵后养殖蚯蚓的效果，结果表明，不同农作物秸秆种类对养殖效果没有明显差异。而后，对秸秆添加量进行分析，研究发现，当秸秆添加量为15%左右时，蚯蚓产量最佳。

近年来，青贮饲料在畜牧业备受关注。青贮饲料是将青绿秸秆切碎，通过乳酸菌厌氧发酵制成的一种可以降低病虫害、适口性好、消化率高的饲料。陈本建等[25]通过比较不同水分含量和添加剂对辣椒秸秆青贮发酵品质的影响，确定了辣椒秸秆青贮的最优含水量为75%左右，且马铃薯渣为最合适的青贮添加剂。

2.3 基料化

在农业生产中，蔬菜育苗基质离不开大量的草炭。草炭作为一种不可再生资源，日益枯竭，因此，如何减少对草炭的消耗成为我国亟待解决的实际问题。近年来，研究发现，辣椒秸秆经过粉碎和微生物发酵可以转化其中的纤维素和其他营养物质，进而可以作为草炭和泥炭资源的良好替代品。将辣椒秸秆用于制作育苗基质，不仅可减少草炭资源的消耗，显著提高农作物产量，而且可以很好地解决辣椒秸秆资源浪费的问题。

何圣米等[26]将废弃辣椒秸秆经高温发酵处理后按不同比例加入草炭中，制备了一种无土栽培育苗基质，并研究了不同基质对黄瓜出苗和成长的影响。结果表明，相比于纯草木灰，辣椒秸秆含量为20%～40%时更利于黄瓜育苗。而后，又研究比较得出了最适合栽培辣椒基质的辣椒秸秆加入量，结果表明，将20%经高温发酵处理过的辣椒秸秆加入到草炭中制备的栽培基质最适合辣椒生长[27]。

辣椒秸秆作为栽培基质的另一个用途是制备食用菌基质。用辣椒秸秆代替木材制备食用菌基质，节约木材的同时提高了食用菌的产量。其中，黄鹏等[28]对5种供试配方下袋栽香菇的菌丝生长情况进行比较，结果表明，当配方为辣椒秸秆屑75%、栎木屑15%、麸皮6%或辣椒秸秆屑70%、栎木屑20%、麸皮6%时，最适合香菇袋栽。

2.4 原料化

材料工业是国民经济的基础产业，新材料是材料工业发展的先导，是重要的战略新兴产业[29]。随着人们对木材需求量的不断增大，辣椒秸秆基人造木板的应用使木材的开发大大减少。另外，利用辣椒秸秆制备活性炭和生物炭，也可以减少木材的使用。

2.4.1 制备人造板材。近年来，受经济和环境问题的影响，非木材纤维的使用成为了当今我国的研究热点。秸秆人造板作为一种新型的板材，是木质人造板的良好替代品，安全环保，且价格低廉。其中，Ergun Guntekin[30]利用辣椒秸秆为原料，尿素甲醛和三聚氰胺尿素甲醛为胶粘剂，在干燥条件下制备了家具级刨花板。该技术的研发解决了刨花板工业原料短缺的问题。

2.4.2 制备活性炭。辣椒秸秆粗灰分和硫含量低，成分以纤维素、木质素为主，含有大量的C、H、O 元素。与其他活性炭相比，辣椒秸秆基活性炭具有孔隙发达、表面积大、吸附性强等特点，因此，常将其作为吸附材料和电极材料。用辣椒秸秆制备活性炭既可以减少木材和煤的开发，又可以为辣椒秸秆的零污染化处理提供新的解决方法。

目前，关于用辣椒秸秆制备活性炭用作吸附材料的研究被广泛报道。2017 年李海红等[31]采用K2CO3活化法，制备了以辣椒秸秆为原料的活性炭，并确定其最优炭化工艺：炭化温度为400℃，炭化时间为50min，升温速率为5℃/min。在优化条件下，该吸附剂的炭得率为39.90%，吸附总孔容为0.544cm3/g。而后，他们又进一步将K2CO3作为活化剂，制备辣椒秸秆活性炭，并对优化条件下，不同活化因素对活性炭孔结构的影响和不同活化制度对活性炭制备工艺的影响进行了探究。结果表明，当最佳工艺条件分别为：活化温度800℃、活化时间120 min、浸渍比2∶1、浸渍时间24h 和活化温度835℃、活化时间1.95h、升温速率4.5℃/min 时，制备的活性炭的吸附性能最强[32-33]。KOH 活化法作为另一种活性炭制备方法，李海红团队[34]采用该活化法制备了辣椒秸秆基活性炭，结果表明，当活化温度800℃、活化时间100 min、炭剂比3∶1、浸渍时间20 h时，制得的活性炭性能最好。此外，刘建奇等[35]也通过正交试验，分析了以KOH/NaOH 为活化剂制备辣椒秸秆生物质活性炭过程中各因素对其吸附性能的影响。结果表明，活化温度对活性炭的吸附能力影响最大，炭化温度对其吸附能力影响最小，且最佳条件下，该活性炭的比表面积高达3217.237m/g，吸附平均孔径为3.590nm。寿建昕[36]以KOH 为催化剂，采用化学活化法制备了辣椒秸秆基活性炭。然后，将其作为吸附剂用于去除水溶液中染料亚甲基蓝，其最大吸附容量为34.12mg/g。随后，该研究团队以同样的方法制备辣椒秸秆基活性炭，用于去除水溶液中的重金属铜离子，结果表明，其最大吸附容量为21.93mg/g[37]，为辣椒秸秆基活性炭对重金属的吸附提供了一定的科学依据。

近年来，将辣椒秸秆基生物质炭材料用于电极材料的研究越来越多，李海红[19]研究团队在辣椒秸秆基生物质炭材料方面也取得了不错的研究进展。2019年，他们采用辣椒秸秆基活性炭为前驱体，Ni（NO3）2·6H2O 为催化剂，得到了石墨化活性炭电极吸附材料，研究发现，当活性炭与Ni 的质量分数为0.2%、热处理温度700℃时，可以有效提高活性炭的活性面积，改善活性炭电极的电化学性能[38]。而后，他们又以草酸钾为活化剂，制备了辣椒秸秆基碳电极材料，得到其最佳工艺条件：浸渍为比1.5∶1、浸渍时间为18h、活化温度为850℃、活化时间为120 min。在优化条件下，制备的活性炭微孔比表面积为956.21m2/g，该研究为我国电极吸附材料的制备提供了理论参考[39]。

2.4.3 制备生物炭。秸秆基生物炭是通过将秸秆在限制氧的条件下进行热解而产生的，相比于其他农作物秸秆，辣椒秸秆的木质化程度高，具有多孔的结构、丰富的活性官能团和类石墨芳香结构[40]，是一种制备生物炭的理想材料。辛言君[41]采用慢速热解法制备了辣椒秸秆基生物炭，又通过水热法将其与CuFeO2相结合，得到了CuFeO2/生物炭磁性复合材料，将其作为吸附剂用于水中四环素类抗生素的测定。最优条件下，其最大吸附容量为39.15mg/g。宋洋等[42]研究了辣椒秸秆在不同热解温度下热解成生物炭的过程。并首次探究了辣椒秸秆基生物炭作为吸附剂对3 种邻苯二甲酸酯的吸附性能。结果表明，在500℃下热解的生物炭具有最大的吸附能力。

同时，辣椒秸秆生物炭在农业领域也有所应用。李贞霞等[43]通过高温热解的方法制备成辣椒秸秆生物炭，将其与酸化土壤一起培养。研究发现，当生物炭添加量为1.5%和2.0%时，土壤酶含量明显高于0%和5%的土壤酶含量，因此辣椒秸秆基生物炭可以有效改善酸化土壤质量。

2.4.4 其他。此外，不同于上述利用方式，近年来将辣椒秸秆直接作为吸附剂也表现出良好的吸附效果。李小敏等[44]探究了辣椒秸秆作为吸附剂对刚果红染料进行吸附时的最佳工艺条件，结果表明，辣椒秸秆1.20g，刚果红质量浓度300mg/L，吸附温度70℃、时间240 min 时吸附效果最好。刘峰等[45]以辣椒秸秆为原料制备生物吸附剂，并探究其对重金属铬的吸附性能，结果表明，其最佳工艺条件为：初始溶液浓度160mg/L、吸附剂用量12.5g/L、吸附温度40℃、pH 值2.0。最优条件下，辣椒秸秆对铬的吸附量可达12.1mg/g。

2.5 燃料化

能源是人类赖以生存和发展的重要资源。然而，随着我国化石能源的枯竭和环境危机，能源供应问题受到了严峻的考验[46]。为了应对能源危机和日益恶化的环境污染问题，获得清洁和低廉的能源成为当前我国研究的重点。秸秆燃料化利用技术是近年来发展起来的生物质能利用新技术。我国辣椒秸秆资源丰富，辣椒秸秆含有大量木质素、纤维素和半纤维素，可以为燃料提供丰富的可再生资源，对解决环境污染和优化能源结构具有重要的意义。

近年来，辣椒秸秆的燃料化应用主要体现在将其生物碳化用于制备燃料。其中，杨乃涛等[47]从辣椒秸秆中提取了生物炭作为直接碳固体氧化物燃料电池（DC-SOFC）的燃料，并详细分析了辣椒秸秆的组成和微观结构对微管型DC-SOFC 电化学性能的影响。研究结果表明，在100mA 放电电流下，DC-SOFC 的使用寿命达到21h，燃料利用率为44.4%。因此，该生物炭可以作为DC-SOFC 发电系统燃料的同时，也为辣椒秸秆炭的高效利用提供了一条新的绿色途径。

辣椒秸秆燃料化处理在解决我国辣椒秸秆污染方面有着良好发展前景，但是，受技术和原料质量等因素的影响，我国对辣椒秸秆燃料化的研究并未取得太大进展。因此，进一步加大辣椒秸秆的能源化研究，对提高辣椒秸秆的综合利用价值具有重要意义。

3 总结与展望

目前，农作物秸秆处理及利用方式越来越为人们所认知和重视。针对辣椒副产物开发不足的问题，本研究从还田、饲料、栽培基质、食用菌基质、碳材料，燃料电池燃料等角度对辣椒秸秆的高效高值转化技术进行归纳总结，为我国辣椒副产品的进一步开发利用提供理论依据和技术参考。

近年来，我国辣椒秸秆综合利用问题取得了不错发展，但是还存在一些问题亟待解决。一是我国虽然已实现利用辣椒秸秆代替传统有机肥进行堆肥还田，但辣椒秸秆的还田量、秸秆与化肥添加量的最优配比、加入辣椒秸秆后对作物的品质和土壤质量的影响等问题还有待进一步研究；二是我国尚未实现辣椒秸秆“五化”的联合利用，例如，将辣椒秸秆青贮等饲料化转化技术与秸秆过腹还田技术相结合，辣椒秸秆作为动物饲料的同时间接保护了土壤环境；三是积极推广秸秆发电、气化、沼气等燃料化利用，不仅可以节约能源还可以保护环境。

此外，辣椒秸秆因含有丰富的纤维素和木质素可以作为环境污染物吸附剂，而石墨烯成本高、对环境不友好且难制备。因此，用辣椒秸秆来替代石墨烯用于环境污染物的吸附是解决上述问题的一种途径。目前，以辣椒秸秆为原料制备石墨烯的相关研究还未见报道，但Liu 等[48]以玉米秸秆芯和氧化石墨烯为原料合成了一种3D 生物吸附剂，用于水中亚甲基蓝的吸附。战友等[49]制备了玉米秸秆/石墨烯多孔炭复合材料用于废水中苯酚的吸附。这为辣椒秸秆与石墨烯结合生产新型的吸附剂提供了研究思路。