過氧化氫和氫氧化鈣聯(lián)合預(yù)處理對小麥秸稈纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量的影響

王澤家，陳 煬，董媛媛

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院，山東 煙臺 264670）

中國作為傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，秸稈產(chǎn)量豐富。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國每年產(chǎn)生各類秸稈超過8 億t。其中有大部分被焚燒，這不僅造成了資源浪費(fèi)，而且污染環(huán)境，毀壞樹木和耕地，甚至造成火災(zāi)、交通事故等［1］。但作為一種能源物質(zhì)，通過厭氧消化技術(shù)可以使秸稈轉(zhuǎn)化產(chǎn)生甲烷，從而使其資源化利用，具有巨大的開發(fā)潛力和研究意義。

小麥秸稈主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素（三素）構(gòu)成，且三素以復(fù)合體的形式存在于秸稈中，難以被分解。這阻礙了厭氧消化過程中纖維素酶等對纖維素結(jié)構(gòu)的水解［2］。因此，水解階段被認(rèn)為是厭氧消化的限速步驟［3］。在厭氧消化前需要對秸稈進(jìn)行預(yù)處理，將難以分解的復(fù)合體分解成容易利用的可溶性糖。常用的預(yù)處理方法有化學(xué)法、物理法、生物法以及多種方法結(jié)合預(yù)處理。使用一定量的過氧化氫或者石灰預(yù)處理秸稈可以提高厭氧消化過程的速率，但是對二者的聯(lián)合效應(yīng)了解較少。本研究擬利用過氧化氫聯(lián)合氫氧化鈣并加以凍融處理的方式對小麥秸稈進(jìn)行預(yù)處理，以提高小麥秸稈的利用率，為農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究始于2018 年11 月，試驗(yàn)地點(diǎn)為中國農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地。小麥秸稈取自中國農(nóng)業(yè)大學(xué)種植基地。試驗(yàn)前將小麥秸稈打碎為3 mm 左右顆粒。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用過氧化氫和氧化鈣聯(lián)合預(yù)處理秸稈，分別改變過氧化氫和氫氧化鈣預(yù)處理濃度以及預(yù)處理時間，探究不同處理?xiàng)l件對小麥秸稈中木質(zhì)素、纖維素、半纖維素含量的影響。每個預(yù)處理組秸稈均為1 000 g，預(yù)處理總體積1 000 mL，凍融處理冷凍溫度為-10 ℃，融化溫度為100 ℃。過氧化氫添加量梯度分別為1、2、3、4、5 g，即過氧化氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%；氫氧化鈣添加量梯度分別為1、2、3 g，即氫氧化鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.2%、0.3%。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1 所示，預(yù)處理時間分別為1、2、3 d，同時研究凍融和非凍融處理對小麥秸稈的影響。

表1 預(yù)處理試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 方法

木質(zhì)素含量測定采用硫酸亞鐵銨滴定法［4］；纖維素含量測定采用硫酸亞鐵銨滴定法［5］；半纖維素含量測定采用硫代硫酸鈉滴定法［6］；干物質(zhì)（TS）測定采用共沸蒸餾法。

2 結(jié)果與分析

2.1 過氧化氫和氫氧化鈣濃度對小麥秸稈中木質(zhì)素、纖維素和半纖維素的影響

利用過氧化氫和氫氧化鈣2 種堿試劑對小麥秸稈進(jìn)行預(yù)處理，改變二者濃度，2 種堿對小麥秸稈聯(lián)合處理后纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量的影響見表2。由表2 可知，若控制過氧化氫濃度不變，依次增加氫氧化鈣濃度，纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量逐漸下降，但下降效果并不明顯。若控制氫氧化鈣濃度不變，僅增加過氧化氫濃度，纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量大幅下降。說明過氧化氫用量的增加對纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量的降低起顯著正效應(yīng)［7］?？紤]二者聯(lián)合作用及經(jīng)濟(jì)效益，T11 對降低木質(zhì)素含量效果最佳，較空白對照降低約42%；T12對降低纖維素含量效果最佳，較空白處理降低約40%；T11 對降低半纖維素含量效果最佳，較空白對照降低約71%。

表2 過氧化氫與氫氧化鈣聯(lián)合預(yù)處理對小麥秸稈中木質(zhì)素、纖維素和半纖維素含量的影響 （單位：%）

2.2 不同預(yù)處理時間對小麥秸稈中木質(zhì)素、纖維素、半纖維素含量的影響

由圖1 至圖3 可知，在室溫處理?xiàng)l件下，聯(lián)合預(yù)處理時間的增加對纖維素含量、半纖維素含量和木質(zhì)素含量的降低起著正效應(yīng)，隨著反應(yīng)時間的增長，效果逐漸明顯［8］。而T1 至T15 在室溫條件下處理3 d 時與處理2 d 時相比，纖維素、半纖維素、木質(zhì)素均相對較低，但差距不明顯，說明隨著反應(yīng)時間的增加，反應(yīng)已基本進(jìn)入平臺期，反應(yīng)接近平衡，因此，選擇預(yù)處理時間為2 d。

圖1 不同預(yù)處理時間對小麥秸稈木質(zhì)素含量的影響

圖2 不同預(yù)處理時間對小麥秸稈纖維素含量的影響

圖3 不同預(yù)處理時間對小麥秸稈半纖維素含量的影響

2.3 凍融聯(lián)合堿處理對小麥秸稈中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量的影響

由表3 可知，T1 至T15 分別在非凍融和凍融條件下處理2 d 時的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量的下降趨勢大體一致，但T1 至T15 在凍融條件下處理2 d 時與其在非凍融條件下處理2 d 時相比，纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量均較低，說明凍融處理對纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量的降低起著正效應(yīng)［9］，采用凍融處理能更好地促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。

3 小結(jié)

1）過氧化氫、氫氧化鈣以及凍融處理對小麥秸稈中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量的降低都起正效應(yīng)。

2）過氧化氫濃度為0.4%，氫氧化鈣濃度為0.2% 時，聯(lián)合處理后的效果相對接近最優(yōu)。因?yàn)榇藭r處理秸稈的試劑用量所起到的正效應(yīng)已接近反應(yīng)上限，但所用試劑量最少，經(jīng)濟(jì)效益最高。

3）凍融處理2 d 對小麥秸稈纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量的降低所起的正效應(yīng)接近最優(yōu)。因?yàn)殡S著處理時間的繼續(xù)增長，小麥秸稈中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量降低幅度很小，即處理時間對反應(yīng)的影響已接近上限，故處理2 d 效果最佳。

因此，在-10 ℃冷凍處理2 d，100 ℃融化，過氧化氫和氫氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.4% 和0.2% 時，小麥秸稈中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量降低最明顯，處理后纖維素含量為17.5%，半纖維素含量為6.8%，木質(zhì)素含量為7.8%。難以水解的三素轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬蹙菀桌玫目扇苄蕴牵瑢@著提高利用小麥秸稈產(chǎn)生沼氣的效率，為農(nóng)業(yè)廢棄物再利用提供了極大的便利。

表3 凍融聯(lián)合堿處理2 d 對小麥秸稈中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量的影響 （單位：%）