堿和蒸汽高壓對小麥秸稈中粗纖維降解率的影響

白獻(xiàn)曉，王二柱，朱 群，常 娟，尹清強(qiáng)**，劉超齊，盧富山

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 畜牧獸醫(yī)研究所，河南 鄭州 450002； 2.河南德鄰生物制品有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000；3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 牧醫(yī)工程學(xué)院，河南 鄭州 450002； 4.河南普愛飼料股份有限公司，河南 周口466000)

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堿和蒸汽高壓對小麥秸稈中粗纖維降解率的影響

白獻(xiàn)曉1*，王二柱2*，朱 群2，常 娟3，尹清強(qiáng)3**，劉超齊3，盧富山4

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 畜牧獸醫(yī)研究所，河南 鄭州 450002； 2.河南德鄰生物制品有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000；3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 牧醫(yī)工程學(xué)院，河南 鄭州 450002； 4.河南普愛飼料股份有限公司，河南 周口466000)

為降低小麥秸稈中木質(zhì)素的含量，提高半纖維素和纖維素的利用率，應(yīng)用氫氧化鈉和蒸汽高壓聯(lián)合處理小麥秸稈。首先采用單因素試驗(yàn)研究氫氧化鈉質(zhì)量濃度、固液比和處理時間對降解木質(zhì)素效果的影響，然后通過正交試驗(yàn)研究降解木質(zhì)素的最佳處理?xiàng)l件。結(jié)果表明，降解木質(zhì)素的最佳條件為：氫氧化鈉質(zhì)量濃度11.67 mg/mL、固液比1∶9.0 (w/V)、121 ℃(0.15 MPa)處理45 min。在此條件下，半纖維素、纖維素、木質(zhì)素降解率分別達(dá)到78.07%、14.11%、80.33%。

氫氧化鈉； 蒸汽高壓； 小麥秸稈； 粗纖維降解率

我國是農(nóng)業(yè)大國，秸稈資源豐富，年產(chǎn)量高達(dá)7億t，居世界首位，其中小麥秸稈1.1億t，約占總秸稈量的16%[1]。農(nóng)業(yè)部發(fā)布的秸稈調(diào)查顯示，秸稈的利用率較低，大部分被焚燒和腐爛掉，只有少部分被用于動物飼料、造紙及其他領(lǐng)域[2]。當(dāng)前我國土地資源緊缺、人畜爭糧矛盾突出，在豐富的小麥秸稈資源有效利用問題備受全社會關(guān)注的情況下，如何充分挖掘小麥秸稈的潛能，破解小麥秸稈利用的技術(shù)難題，拉長農(nóng)牧產(chǎn)業(yè)鏈條，對于促進(jìn)我國畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義[3-5]。

小麥秸稈的主要成分為粗纖維，包括纖維素(35%～40%)、半纖維素(20%～30%)和木質(zhì)素(8%～15%)等組分，木質(zhì)素與半纖維素通過共價鍵相連將纖維素包圍其中，阻礙了微生物或酶對纖維素的降解。Moyson等[6]的研究表明，動物對秸稈的消化利用率隨著秸稈中木質(zhì)素的增加而降低。因此，降低小麥秸稈中木質(zhì)素含量、提高其降解率是將小麥秸稈應(yīng)用到飼料中的關(guān)鍵。為此，應(yīng)用氫氧化鈉與蒸汽高壓相結(jié)合的方法，降解小麥秸稈中的木質(zhì)素，以減少其對半纖維素和纖維素利用的抑制，為充分利用半纖維素和纖維素提供有利條件。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

小麥秸稈采自河南省新鄉(xiāng)某農(nóng)場，自然風(fēng)干后，粉碎過孔徑為0.42 mm篩，保存于自封袋中備用。

1.2 試劑配制

中性洗滌劑(3%十二烷基硫酸鈉)：準(zhǔn)確稱取18.6 g乙二胺四乙酸二鈉(EDTA二鈉鹽，C10H14-O8Na2·2H2O)和6.8 g硼酸鈉(Na2B4O7·10H2O)放入燒杯中，加入少量蒸餾水，加熱溶解后，再加入30 g十二烷基硫酸鈉(C12H25NaSO4)和 10 mL乙二醇乙醚(C4H10O2)；稱取4.56 g無水磷酸氫二鈉(Na2HPO4)置于另一燒杯中，加蒸餾水加熱溶解，冷卻后將上述溶液轉(zhuǎn)入1 000 mL容量瓶并用水定容，其pH值為6.9～7.1。

酸性洗滌劑(2%十六烷三甲基溴化銨)：稱取20 g十六烷三甲基溴化銨(C19H42NBr，CTAB)溶于1 000 mL 1 mol/L的硫酸溶液中，攪拌溶解并過濾。

1.3 方法

用氫氧化鈉溶液浸泡小麥秸稈，并在121 ℃、0.15 MPa條件下處理。首先采用單因素試驗(yàn)研究氫氧化鈉質(zhì)量濃度、固液比和處理時間3個因素對木質(zhì)素降解率的影響，然后根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)，以期得到去除木質(zhì)素的最佳處理?xiàng)l件。

1.3.1 氫氧化鈉質(zhì)量濃度的確定 根據(jù)秸稈質(zhì)量分別配制不同質(zhì)量濃度的氫氧化鈉溶液(0、1.67、3.33、5.00、6.67、8.33、10.00 mg/mL)，按1∶3.0固液比(5 g小麥秸稈∶15 mL氫氧化鈉溶液)混合秸稈，在121 ℃、0.15 MPa條件下處理30 min，處理后的樣品于65 ℃鼓風(fēng)烘箱中烘干至恒質(zhì)量，以普通小麥秸稈為對照，測定半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的含量。每個處理3個重復(fù)。

1.3.2 固液比的確定 配制質(zhì)量濃度為6.67 mg/mL的氫氧化鈉溶液，分別按照不同的固液比(1∶0、1∶3.0、1∶4.5、1∶6.0、1∶7.5、1∶9.0、1∶10.5)混合秸稈，在121 ℃、0.15 MPa條件下處理30 min，其他處理同上。

1.3.3 處理時間的確定 配置質(zhì)量濃度為6.67 mg/mL的氫氧化鈉溶液，按1∶6.0固液比混合秸稈，在121 ℃、0.15 MPa條件下分別處理15、30、45、60 min，其他處理同上。

1.3.4 正交試驗(yàn) 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素和水平見表1。

表1 木質(zhì)素降解條件優(yōu)化的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4 粗纖維成分測定

樣品粗纖維成分的測定采用Van Soest分析方法[7-9]進(jìn)行。

木質(zhì)素降解率=(處理前木質(zhì)素含量-處理后木質(zhì)素含量)/處理前木質(zhì)素含量×100%，纖維素和半纖維素降解率計(jì)算方法同木質(zhì)素降解率。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，結(jié)果用SPSS 20.0軟件進(jìn)行方差分析，并采用Duncan氏新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較，P<0.05為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同質(zhì)量濃度氫氧化鈉處理對小麥秸稈中粗纖維成分的影響

由表2可知，氫氧化鈉質(zhì)量濃度在1.67～3.33 mg/mL時，小麥秸稈中木質(zhì)素含量與對照組相比差異不顯著；當(dāng)質(zhì)量濃度達(dá)到5.00 mg/mL時，木質(zhì)素含量與對照組相比差異顯著，降解率為9.08%；隨著氫氧化鈉質(zhì)量濃度的增加，木質(zhì)素含量進(jìn)一步降低，在氫氧化鈉質(zhì)量濃度為10.00 mg/mL時，降解率達(dá)到53.62%。在木質(zhì)素降解的同時， 半纖維素也

表2 不同質(zhì)量濃度氫氧化鈉處理對小麥秸稈中粗纖維成分的影響 %

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

發(fā)生降解，且隨著氫氧化鈉質(zhì)量濃度的增加，降解率逐漸增大，降解率最高達(dá)45.99%。在堿處理過程中，纖維素含量沒有發(fā)生較大的變化，降解率均在5%以下。綜合考慮各種因素，將下一步正交試驗(yàn)氫氧化鈉質(zhì)量濃度的3個水平定為8.33、10.00、11.67 mg/mL。

2.2 不同固液比處理對小麥秸稈中粗纖維成分的影響

由表3可知，隨著固液比的增加，小麥秸稈中木質(zhì)素的含量逐漸減少，在固液比達(dá)到1∶7.5時，木質(zhì)素含量達(dá)到較低水平，降解率為50.13%，之后再增加固液比對木質(zhì)素的降解沒有顯著影響。因此，將固液比因素的3個水平定為1∶6.0、1∶7.5、1∶9.0。在木質(zhì)素降解的同時還伴隨著大量半纖維素的降解，隨著固液比的增加，半纖維素的降解率也逐漸增大，在固液比為1∶9.0時，半纖維素降解率達(dá)57.54%。隨著固液比的增加，纖維素的降解率有增大趨勢，在固液比為1∶10.5時，纖維素降解率達(dá)到10.46%。

表3 不同固液比處理對小麥秸稈中粗纖維成分的影響 %

2.3 不同處理時間對小麥秸稈中粗纖維成分的影響

由表4可知，在處理時間為15 min時，木質(zhì)素和半纖維素含量即發(fā)生顯著性變化，降解率分別為36.47%和54.12%；延長處理時間至30 min，木質(zhì)素含量較15 min處理有顯著降低；但繼續(xù)延長處理時間，木質(zhì)素含量不再發(fā)生顯著性變化，所以將處理時間的3個水平定為15、30、45 min。

表4 不同處理時間對小麥秸稈中粗纖維成分的影響 %

2.4 木質(zhì)素降解條件優(yōu)化的正交試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，氫氧化鈉和蒸汽壓力降解小麥秸稈中木質(zhì)素效果最好的條件為：氫氧化鈉質(zhì)量濃度11.67 mg/mL、固液比1∶9.0、處理時間45 min。R值的大小順序依次為氫氧化鈉質(zhì)量濃度>固液比>處理時間，表明氫氧化鈉質(zhì)量濃度的變化對木質(zhì)素的降解影響最大，其次是固液比，處理時間的變化對木質(zhì)素的降解影響相對較小。正交試驗(yàn)中木質(zhì)素降解率最大的處理組為第9組，此時木質(zhì)素的降解率為64.69%。

表5 木質(zhì)素降解條件優(yōu)化的正交試驗(yàn)結(jié)果

2.5 最優(yōu)處理組合的驗(yàn)證結(jié)果

由表6可知，在正交試驗(yàn)得出的最佳處理組合(即氫氧化鈉質(zhì)量濃度11.67 mg/mL、固液比1∶9.0、處理時間45 min)條件下，半纖維素、纖維素、木質(zhì)素的降解率分別為78.07%、14.11%、80.33%，其木質(zhì)素的含量顯著低于正交試驗(yàn)的第9處理組。

表6 正交試驗(yàn)最佳組合的驗(yàn)證結(jié)果 %

3 結(jié)論與討論

小麥秸稈主要是由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等大分子物質(zhì)聚合而成，在其表層附著了一層光滑的蠟質(zhì)層(主要成分為二氧化硅)以保護(hù)小麥秸稈不受自然界中微生物的降解[10]。研究表明，氫氧化鈉預(yù)處理可以降解粗纖維是因?yàn)闅溲趸c能與二氧化硅發(fā)生反應(yīng)生成硅酸鈉，破壞秸稈表層的保護(hù)膜并使其表面呈親水性[11]。從本研究結(jié)果可以推測，在高溫條件下，氫氧化鈉溶液能夠進(jìn)一步破壞木質(zhì)素、半纖維素與纖維素之間的連接鍵，有利于秸稈的降解。Guo等[12]研究了堿處理對玉米秸稈粗纖維成分的降解，結(jié)果表明，用1.5%的氫氧化鈉溶液100 ℃處理1.5 h，半纖維素和木質(zhì)素的降解率分別為67.92%和76.54%，對纖維素沒有顯著降解作用。Sindhu等[13]的研究表明，用30 mg/mL的氫氧化鈉溶液在121 ℃對甘蔗葉處理60 min，約有90%的木質(zhì)素被降解。盡管不同的研究人員所用的生物質(zhì)不同，但結(jié)論基本一致，即堿與熱處理結(jié)合有利于作物秸稈中木質(zhì)素和半纖維素的降解。

本研究首先通過單因素試驗(yàn)，測定了氫氧化鈉質(zhì)量濃度、固液比和處理時間對木質(zhì)素的影響，然后通過正交試驗(yàn)獲得氫氧化鈉質(zhì)量濃度、固液比及處理時間的最佳處理組合，在此條件下纖維素、半纖維和木質(zhì)素的降解率大幅度提高，取得了理想的結(jié)果。鄭明霞等[14]用不同質(zhì)量濃度的氫氧化鈉溶液對玉米秸稈進(jìn)行堆漚處理，研究纖維素結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度的變化，結(jié)果表明，氫氧化鈉堆漚處理后，纖維素的形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，部分分子間氫鍵斷裂，部分酯鍵消失，隨著堿用量的增加，纖維素被破壞的程度越大。這與本研究結(jié)果一致，即隨著氫氧化鈉質(zhì)量濃度和固液比的增加，秸稈中木質(zhì)素和半纖維素被有效降解，纖維素的保護(hù)屏障被破壞，這為纖維素的充分利用創(chuàng)造了有利的條件。

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Effect of Alkali and Stream Pressure Treatments on Crude Fiber Degradation of Wheat Straw

BAI Xianxiao1*,WANG Erzhu2*,ZHU Qun2,CHANG Juan3,YIN Qingqiang3**,LIU Chaoqi3,LU Fushan4

(1.Institute of Animal Husbandry and Veterinary Science,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,China; 2.Henan Delin Biological Products Co.,Ltd.,Xinxiang 453000,China;3.College of Animal Science and Veterinary Medicine,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China; 4.Henan Puai Feed Co.,Ltd.,Zhoukou 466000,China)

In order to degrade the lignin in wheat straw,improve utili zation rate of hemicellulose and cellulose,sodium hydroxide and stream pressure were used together.The optimal levels of sodium hydroxide,solid-liquid ratio and pretreatment time were determined by single factor experiment respectively,and then the orthogonal experiment was used to get the optimal reaction condition.The result indicated that the optimal condition for lignin degradation was that wheat straw was soaked in 11.67 mg/mL NaOH at a solid-liquid ratio of 1∶9 (w/V),and autoclaved at 121 ℃(0.15 MPa)for 45 min.Under this condition,78.07% hemicellulose,14.11% cellulose and 80.33% lignin were degraded.

sodium hydroxide; stream pressure; wheat straw; crude fiber degradation

2016-06-12

國家科技部星火計(jì)劃項(xiàng)目(2015GA750012)

白獻(xiàn)曉(1963-)，男，河南南陽人，研究員，主要從事畜牧研究工作。E-mail:bxx388@sina.com *為同等貢獻(xiàn)者

**通訊作者：尹清強(qiáng)(1964-)，男，河南南陽人，教授，主要從事動物營養(yǎng)與生物工程研究。E-mail:qqy1964@126.com

S816

A

1004-3268(2016)11-0135-04