蒸汽爆破和化學處理對玉米秸稈化學成分的影響

韓浩然+常娟++尹清強++王平

摘要：為提高玉米秸稈的利用效率，研究了不同預處理方式對玉米秸稈化學成分的影響，并探討了玉米秸稈爆破處理的最優(yōu)條件。結果表明，常規(guī)2.0% NaOH溶液浸泡處理能顯著降低玉米秸稈中半纖維素和木質素的含量（P<0.05），同時能顯著提高纖維素的含量（P<0.05）。玉米秸稈經(jīng)2% H2SO4溶液預處理后再爆破，可使秸稈中纖維素、半纖維素、木質素含量大幅度降低（P<0.05）；在壓力2.5 MPa下，保壓200 s進行爆破處理，能使秸稈中纖維素、半纖維素、木質素含量分別比對照組減少26.44%、82.99%、35.12%（P<0.05）。研究結果為玉米秸稈的深加工利用奠定了基礎。

關鍵詞：玉米秸稈；化學處理；蒸汽爆破；纖維素；半纖維素；木質素

中圖分類號： S816.5文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）08-0166-03

谷物秸稈是自然界最主要的可再生資源，全世界每年的秸稈產(chǎn)量大約為70億t[1]。在中國，農作物秸稈的年產(chǎn)量為8.42億t，而且以1.3%的速度遞增，在農作物秸稈中玉米秸稈所占的比例最大，為24%[2]。目前國內秸稈總量中，直接用作飼料和工業(yè)生產(chǎn)的量只有30%左右，其余被廢棄或直接燃燒，這造成了極大的資源浪費和環(huán)境污染[3]。玉米秸稈主要由纖維素、半纖維素、木質素組成，秸稈中的木質素、半纖維素緊密結合形成有序的柱狀結構排列在纖維素的周圍，使傳統(tǒng)的降解纖維素方法，如水解和生物發(fā)酵等的效率降低。因此，木質素和半纖維素的降解在纖維的利用中發(fā)揮著重要作用[4]。

在秸稈資源的利用過程中，采用物理或化學方法對秸稈進行預處理，可以破壞秸稈的木質纖維素結構，提高酶或微生物對秸稈的利用效率，使秸稈在水解過程中能夠釋放出較多的糖類物質[5]。蒸汽爆破是采用飽和水蒸汽加熱原料至一定的壓力，然后驟然減至大氣壓，使秸稈的木質纖維素結構發(fā)生破壞的生物質預處理手段。蒸汽爆破和其他預處理方法相比，可以節(jié)省能耗和成本，生成較多的可溶性碳水化合物，是秸稈預處理的有效方法之一[6]。國內外的許多研究表明，蒸汽爆破預處理可以提高秸稈的營養(yǎng)價值和動物對谷物秸稈的消化率[7-8]。秸稈的化學預處理主要包括酸處理、堿處理、氧化劑處理，是應用較為廣泛的秸稈預處理方法。不同的化學預處理方法會造成不同的效果，氧化劑和堿處理能夠有效地去除秸稈中的木質素，稀酸預處理能夠有效地促進半纖維素轉化為糖類等物質[9]。目前，國內外將秸稈爆破處理和化學處理相結合的研究較少。

本研究首先探討不同的化學處理對玉米秸稈的降解作用，然后與蒸汽爆破相結合研究其對秸稈化學成分的影響，篩選出經(jīng)濟有效的玉米秸稈預處理方法，為后續(xù)微生物發(fā)酵提供參考，并為秸稈飼料資源的開發(fā)利用和節(jié)糧型畜牧業(yè)的發(fā)展開辟新的途徑。

1材料與方法

1.1試驗材料

玉米秸稈來自河南農業(yè)大學農業(yè)部能源研究重點實驗室，經(jīng)粉碎機粉碎后，過20目篩備用。

1.2試驗設備

秸稈爆破機QB-200由河南省鶴壁市正道重機廠生產(chǎn)，最高蒸汽壓力為6 MPa，加熱功率為8 kW，有效爆腔容積為0.405 L。

1.3試驗方法

1.3.1原料處理玉米秸稈的酸堿處理試驗分為7組，對照組為普通秸稈，試驗1—6組秸稈分別用濃度為0.5% H2SO4、1.0% H2SO4、2.0% H2SO4、0.5% NaOH、1.0% NaOH、2.0% NaOH溶液按照固液比1 ∶5浸泡24 h后，用蒸餾水沖洗至中性，烘干備用。

酸堿處理玉米秸稈后再爆破試驗分為8組，對照組為普通秸稈，試驗1組為常規(guī)爆破秸稈，試驗2—7組分別用濃度為0.5% H2SO4、1.0% H2SO4、2.0% H2SO4、0.5% NaOH、1.0% NaOH、2.0% NaOH溶液浸泡24 h后的秸稈，在壓力2.8 MPa下保壓90 s，在0.008 75 s內突然釋放壓力，進行爆破處理，處理后的樣品，用H2SO4和NaOH溶液中和至pH值為 7.0，70 ℃烘干備用。

玉米秸稈不同爆破參數(shù)試驗，選用風干的秸稈樣品，分別在1.8、2.0、2.5 MPa的壓力下，保壓200 s，進行爆破試驗，爆破后的樣品70 ℃烘干備用。

1.3.2秸稈理化指標的測定秸稈成分的測定：各種處理秸稈樣品的成分測定采用范氏纖維測定法（Vansoest）[10]進行。秸稈pH值的測定：普通秸稈和蒸餾水按照1 ∶5浸泡24 h，濾紙過濾后，測定濾液的pH值；其他秸稈在不同的爆破條件下處理后，直接測定爆破樣品的pH值。

2結果與分析

2.1常規(guī)化學處理對秸稈成分的影響

由表1可知，H2SO4溶液浸泡處理后各組秸稈中的纖維素含量均顯著高于對照組（P<0.05），1.0% H2SO4溶液處理半纖維素含量顯著高于對照組，0.5% H2SO4溶液處理木質素含量顯著高于對照組，這可能與試驗各組用酸浸泡，并用蒸餾水沖洗有關。在沖洗過程中將溶于酸堿的部分物質沖洗掉，從而造成不同處理秸稈樣品的干物質基礎不同所致。另外，隨著酸濃度的升高，秸稈中纖維素、半纖維素的含量有增加的趨勢，但處理組間均差異不顯著（P>0.05），說明在此濃度范圍內酸處理對秸稈的降解無明顯不同。但從經(jīng)濟角度考慮，以選擇低濃度的酸處理為宜。在堿處理過程中，隨著堿濃度的增加，秸稈中纖維素的含量呈上升趨勢（P<0.05），秸稈中木質素、半纖維素含量卻顯著降低，并顯著低于對照組（P<0.05），這充分說明木質素和半纖維素的密切關系、分解的同步性及與纖維素降解的不同步性。在秸稈的組成物質中木質素、纖維素、半纖維素緊密結合，是限制秸稈利用的主要屏障。何艷峰等分別提取了未經(jīng)預處理和用6% NaOH溶液處理后稻草中的木質素，進行紅外光譜、輕質子核磁共振波譜及凝膠滲透色譜等分析，結果表明6% NaOH溶液預處理可以明顯破壞木質素結構，降低秸稈的平均分子量[11]。國內外的許多研究也表明，堿處理可以降低秸稈中的木質素、半纖維素含量[12-13]。本研究取得了與前人一致的結果，可能是堿處理過程中一部分半纖維素被分解，并且木質素在堿的作用下一部分變?yōu)榭扇苄阅举|素，在沖洗的過程中被除去。從而得出以下結論：常溫狀態(tài)下的酸處理不能提高秸稈中木質纖維成分的降解率，而用10%、2.0%堿處理更有利于秸稈中半纖維素、木質素的降解。

2.2物理化學綜合處理對秸稈成分的影響

常規(guī)爆破（風干樣品直接爆破）及酸堿預處理后再進行爆破對秸稈成分的影響見表2。除0.5%、1.0% NaOH溶液處理爆破組外，其余各處理組秸稈中纖維素含量均顯著低于對照組（P<0.05）。常規(guī)爆破組秸稈中纖維素含量比對照組降低26.44%（P<0.05），2.0% H2SO4溶液處理爆破的樣品纖維素含量最低，比對照組減少了52.54%（P<0.05）。試驗各組秸稈中的半纖維素含量均顯著低于對照組（P<0.05），其中常規(guī)爆破組秸稈中的半纖維素含量最低，比對照組減少82.99%（P<0.05）。各爆破處理均顯著降低了秸稈中的木

質素含量（P<0.05），其中2.0% H2SO4溶液處理爆破組秸稈的木質素含量顯著低于其余各組（P<0.05），比對照組降低了57.07%，常規(guī)爆破組秸稈中的木質素含量比對照組降低了35.12%（P<005）。

試驗中隨著酸濃度的增加，爆破后玉米秸稈中纖維素、半纖維素、木質素的含量明顯減少；隨著堿濃度的增加半纖維素、木質素的含量也明顯較少。說明在酸堿預處理爆破中，酸堿濃度的增加有助于木質纖維成分的降解。2.0% H2SO4溶液預處理爆破組在降低秸稈中半纖維素、木質素方面效果最好，同時也顯著降低了秸稈中的纖維素含量。Karimi等試驗結果也表明，稀酸在高溫和長時間的水解過程中更容易產(chǎn)生一些酸、醛、酮等不利于后續(xù)發(fā)酵的物質[14]。2.0% NaOH溶液處理組在降低秸稈中木質素含量方面優(yōu)于常規(guī)爆破組，這與常規(guī)堿處理能顯著降低秸稈中木質素含量的結果相一致，但20% NaOH溶液預處理爆破組秸稈中的半纖維素含量顯著高于常規(guī)爆破秸稈組（P<0.05），并且經(jīng)酸堿預處理爆破的秸稈，其產(chǎn)物的pH值均較低或較高，在后續(xù)的微生物發(fā)酵中需要添加較多的堿或酸來調整pH值，對環(huán)境或動物生產(chǎn)會產(chǎn)生負面影響。

風干秸稈樣品進行常規(guī)爆破處理后，其中半纖維素含量顯著低于酸堿處理組和對照組（P<0.05）。其原因可能與酸堿處理組秸稈未經(jīng)烘干，在蒸汽高壓處理及爆破過程中，不利于蒸汽對秸稈細胞壁的沖擊及剪切作用，導致酸堿處理組并未表現(xiàn)出明顯優(yōu)于常規(guī)爆破組的特性。綜合分析表明，2.0% H2SO4溶液預處理與爆破相結合可顯著提高玉米秸稈中纖維素、半纖維素、木質素的降解率，高濃度的酸堿預處理與爆破相結合可明顯地提高玉米秸稈中纖維素和木質素的降解率（P<005），這對于秸稈類物質的深加工具有非常重要的意義。

2.3不同條件爆破處理對秸稈成分的影響

不同壓力爆破處理對秸稈成分的影響見表3。不同壓力的爆破處理均顯著降低了秸稈中的中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量（P<0.05），并且隨著爆破壓力的增加，秸稈中的中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量呈下降趨勢。

本試驗中，爆破1組在較低壓力下（1.8 MPa），秸稈中的纖維素、半纖維素、木質素和對照組相比并沒有明顯的降低（P>0.05），這與Zhang等的結果[15]不完全一致。而在相對較高壓力下（爆破2組、爆破3組），秸稈中的中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維、纖維素、半纖維素、木質素含量均顯著低于爆破1組（P<0.05）。爆破秸稈2組中的中性洗滌纖維、半纖維素含量顯著高于爆破秸稈3組（P<0.05），其余各成分的含量差異不顯著（P>0.05），說明在2.0～2.5 MPa壓力下，保壓200 s進行爆破處理可以顯著促進秸稈成分的降解。該結果與Viola等研究得出蒸汽爆破提高反芻動物瘤胃消化率的最優(yōu)條件為200 ℃、1.2 min至200 ℃、3.4 min的結論[7]比較相近。另外，王許濤等的研究結果也表明，爆破后的秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣量最高的壓力條件是2.5 MPa[16]。

蒸汽爆破的目的是通過打破木質素和有機物質之間的化學鍵使較多的碳水化合物釋放出來。爆破處理是一個復雜的理化過程，在水解反應的同時伴隨著脫水、濃縮等反應，最終導致生物的降解。合理的爆破條件應該保證碳水化合物最少的降解，Moyson等的研究結果表明，動物對玉米秸稈的消化率隨著秸稈中木質素的降低而增加[17]。本試驗中爆破處理的壓力越高，秸稈中的木質素就降低越多。因此，2.5 MPa壓力下，保壓200 s進行爆破使秸稈中的纖維素、半纖維素、木質素比對照組分別減少26.44%、82.99%、35.12%，更有利于秸稈的降解。

目前，國內外利用蒸汽爆破生產(chǎn)動物飼料大多數(shù)處于實驗室研究階段，工業(yè)化生產(chǎn)的相關數(shù)據(jù)和資料較少。本試驗選用2.5 MPa的壓力、保壓200 s在實際爆破中是可行的，為后續(xù)的微生物發(fā)酵及在實際生產(chǎn)中的應用奠定了基礎。

3結論與討論

常溫狀態(tài)下，1.0%和2.0% NaOH溶液浸泡處理顯著降低了玉米秸稈中半纖維素和木質素的含量。玉米秸稈經(jīng) 2.0% H2SO4溶液預處理后再爆破，可使秸稈中纖維素、半纖維素、木質素含量顯著降低，為秸稈的深加工利用奠定了基礎。在壓力2.5 MPa下，保壓200 s進行爆破處理，可顯著提高玉米秸稈中纖維素、半纖維素、木質素的降解率。選擇該條件在實際爆破中是可行的，為后續(xù)微生物發(fā)酵及在實際生產(chǎn)中的應用提供了依據(jù)。

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