碱和蒸汽高压对小麦秸秆中粗纤维降解率的影响

白献晓，王二柱，朱 群，常 娟，尹清强**，刘超齐，卢富山

(1.河南省农业科学院 畜牧兽医研究所，河南 郑州 450002； 2.河南德邻生物制品有限公司，河南 新乡 453000；3.河南农业大学 牧医工程学院，河南 郑州 450002； 4.河南普爱饲料股份有限公司，河南 周口466000)



碱和蒸汽高压对小麦秸秆中粗纤维降解率的影响

白献晓1*，王二柱2*，朱 群2，常 娟3，尹清强3**，刘超齐3，卢富山4

(1.河南省农业科学院 畜牧兽医研究所，河南 郑州 450002； 2.河南德邻生物制品有限公司，河南 新乡 453000；3.河南农业大学 牧医工程学院，河南 郑州 450002； 4.河南普爱饲料股份有限公司，河南 周口466000)

为降低小麦秸秆中木质素的含量，提高半纤维素和纤维素的利用率，应用氢氧化钠和蒸汽高压联合处理小麦秸秆。首先采用单因素试验研究氢氧化钠质量浓度、固液比和处理时间对降解木质素效果的影响，然后通过正交试验研究降解木质素的最佳处理条件。结果表明，降解木质素的最佳条件为：氢氧化钠质量浓度11.67 mg/mL、固液比1∶9.0 (w/V)、121 ℃(0.15 MPa)处理45 min。在此条件下，半纤维素、纤维素、木质素降解率分别达到78.07%、14.11%、80.33%。

氢氧化钠； 蒸汽高压； 小麦秸秆； 粗纤维降解率

我国是农业大国，秸秆资源丰富，年产量高达7亿t，居世界首位，其中小麦秸秆1.1亿t，约占总秸秆量的16%[1]。农业部发布的秸秆调查显示，秸秆的利用率较低，大部分被焚烧和腐烂掉，只有少部分被用于动物饲料、造纸及其他领域[2]。当前我国土地资源紧缺、人畜争粮矛盾突出，在丰富的小麦秸秆资源有效利用问题备受全社会关注的情况下，如何充分挖掘小麦秸秆的潜能，破解小麦秸秆利用的技术难题，拉长农牧产业链条，对于促进我国畜牧业的可持续发展具有重要的战略意义[3-5]。

小麦秸秆的主要成分为粗纤维，包括纤维素(35%～40%)、半纤维素(20%～30%)和木质素(8%～15%)等组分，木质素与半纤维素通过共价键相连将纤维素包围其中，阻碍了微生物或酶对纤维素的降解。Moyson等[6]的研究表明，动物对秸秆的消化利用率随着秸秆中木质素的增加而降低。因此，降低小麦秸秆中木质素含量、提高其降解率是将小麦秸秆应用到饲料中的关键。为此，应用氢氧化钠与蒸汽高压相结合的方法，降解小麦秸秆中的木质素，以减少其对半纤维素和纤维素利用的抑制，为充分利用半纤维素和纤维素提供有利条件。

1 材料和方法

1.1 试验材料

小麦秸秆采自河南省新乡某农场，自然风干后，粉碎过孔径为0.42 mm筛，保存于自封袋中备用。

1.2 试剂配制

中性洗涤剂(3%十二烷基硫酸钠)：准确称取18.6 g乙二胺四乙酸二钠(EDTA二钠盐，C10H14-O8Na2·2H2O)和6.8 g硼酸钠(Na2B4O7·10H2O)放入烧杯中，加入少量蒸馏水，加热溶解后，再加入30 g十二烷基硫酸钠(C12H25NaSO4)和 10 mL乙二醇乙醚(C4H10O2)；称取4.56 g无水磷酸氢二钠(Na2HPO4)置于另一烧杯中，加蒸馏水加热溶解，冷却后将上述溶液转入1 000 mL容量瓶并用水定容，其pH值为6.9～7.1。

酸性洗涤剂(2%十六烷三甲基溴化铵)：称取20 g十六烷三甲基溴化铵(C19H42NBr，CTAB)溶于1 000 mL 1 mol/L的硫酸溶液中，搅拌溶解并过滤。

1.3 方法

用氢氧化钠溶液浸泡小麦秸秆，并在121 ℃、0.15 MPa条件下处理。首先采用单因素试验研究氢氧化钠质量浓度、固液比和处理时间3个因素对木质素降解率的影响，然后根据单因素试验结果设计三因素三水平正交试验，以期得到去除木质素的最佳处理条件。

1.3.1 氢氧化钠质量浓度的确定 根据秸秆质量分别配制不同质量浓度的氢氧化钠溶液(0、1.67、3.33、5.00、6.67、8.33、10.00 mg/mL)，按1∶3.0固液比(5 g小麦秸秆∶15 mL氢氧化钠溶液)混合秸秆，在121 ℃、0.15 MPa条件下处理30 min，处理后的样品于65 ℃鼓风烘箱中烘干至恒质量，以普通小麦秸秆为对照，测定半纤维素、纤维素和木质素的含量。每个处理3个重复。

1.3.2 固液比的确定 配制质量浓度为6.67 mg/mL的氢氧化钠溶液，分别按照不同的固液比(1∶0、1∶3.0、1∶4.5、1∶6.0、1∶7.5、1∶9.0、1∶10.5)混合秸秆，在121 ℃、0.15 MPa条件下处理30 min，其他处理同上。

1.3.3 处理时间的确定 配置质量浓度为6.67 mg/mL的氢氧化钠溶液，按1∶6.0固液比混合秸秆，在121 ℃、0.15 MPa条件下分别处理15、30、45、60 min，其他处理同上。

1.3.4 正交试验 根据单因素试验结果，进行三因素三水平的正交试验，正交试验设计的因素和水平见表1。

表1 木质素降解条件优化的正交试验设计

1.4 粗纤维成分测定

样品粗纤维成分的测定采用Van Soest分析方法[7-9]进行。

木质素降解率=(处理前木质素含量-处理后木质素含量)/处理前木质素含量×100%，纤维素和半纤维素降解率计算方法同木质素降解率。

1.5 数据处理

试验数据均以平均值±标准差表示，结果用SPSS 20.0软件进行方差分析，并采用Duncan氏新复极差法进行多重比较，P<0.05为差异显著。

2 结果与分析

2.1 不同质量浓度氢氧化钠处理对小麦秸秆中粗纤维成分的影响

由表2可知，氢氧化钠质量浓度在1.67～3.33 mg/mL时，小麦秸秆中木质素含量与对照组相比差异不显著；当质量浓度达到5.00 mg/mL时，木质素含量与对照组相比差异显著，降解率为9.08%；随着氢氧化钠质量浓度的增加，木质素含量进一步降低，在氢氧化钠质量浓度为10.00 mg/mL时，降解率达到53.62%。在木质素降解的同时， 半纤维素也

表2 不同质量浓度氢氧化钠处理对小麦秸秆中粗纤维成分的影响 %

注：同列不同字母表示差异显著(P<0.05)，下同。

发生降解，且随着氢氧化钠质量浓度的增加，降解率逐渐增大，降解率最高达45.99%。在碱处理过程中，纤维素含量没有发生较大的变化，降解率均在5%以下。综合考虑各种因素，将下一步正交试验氢氧化钠质量浓度的3个水平定为8.33、10.00、11.67 mg/mL。

2.2 不同固液比处理对小麦秸秆中粗纤维成分的影响

由表3可知，随着固液比的增加，小麦秸秆中木质素的含量逐渐减少，在固液比达到1∶7.5时，木质素含量达到较低水平，降解率为50.13%，之后再增加固液比对木质素的降解没有显著影响。因此，将固液比因素的3个水平定为1∶6.0、1∶7.5、1∶9.0。在木质素降解的同时还伴随着大量半纤维素的降解，随着固液比的增加，半纤维素的降解率也逐渐增大，在固液比为1∶9.0时，半纤维素降解率达57.54%。随着固液比的增加，纤维素的降解率有增大趋势，在固液比为1∶10.5时，纤维素降解率达到10.46%。

表3 不同固液比处理对小麦秸秆中粗纤维成分的影响 %

2.3 不同处理时间对小麦秸秆中粗纤维成分的影响

由表4可知，在处理时间为15 min时，木质素和半纤维素含量即发生显著性变化，降解率分别为36.47%和54.12%；延长处理时间至30 min，木质素含量较15 min处理有显著降低；但继续延长处理时间，木质素含量不再发生显著性变化，所以将处理时间的3个水平定为15、30、45 min。

表4 不同处理时间对小麦秸秆中粗纤维成分的影响 %

2.4 木质素降解条件优化的正交试验结果

由表5可知，氢氧化钠和蒸汽压力降解小麦秸秆中木质素效果最好的条件为：氢氧化钠质量浓度11.67 mg/mL、固液比1∶9.0、处理时间45 min。R值的大小顺序依次为氢氧化钠质量浓度>固液比>处理时间，表明氢氧化钠质量浓度的变化对木质素的降解影响最大，其次是固液比，处理时间的变化对木质素的降解影响相对较小。正交试验中木质素降解率最大的处理组为第9组，此时木质素的降解率为64.69%。

表5 木质素降解条件优化的正交试验结果

2.5 最优处理组合的验证结果

由表6可知，在正交试验得出的最佳处理组合(即氢氧化钠质量浓度11.67 mg/mL、固液比1∶9.0、处理时间45 min)条件下，半纤维素、纤维素、木质素的降解率分别为78.07%、14.11%、80.33%，其木质素的含量显著低于正交试验的第9处理组。

表6 正交试验最佳组合的验证结果 %

3 结论与讨论

小麦秸秆主要是由纤维素、半纤维素和木质素等大分子物质聚合而成，在其表层附着了一层光滑的蜡质层(主要成分为二氧化硅)以保护小麦秸秆不受自然界中微生物的降解[10]。研究表明，氢氧化钠预处理可以降解粗纤维是因为氢氧化钠能与二氧化硅发生反应生成硅酸钠，破坏秸秆表层的保护膜并使其表面呈亲水性[11]。从本研究结果可以推测，在高温条件下，氢氧化钠溶液能够进一步破坏木质素、半纤维素与纤维素之间的连接键，有利于秸秆的降解。Guo等[12]研究了碱处理对玉米秸秆粗纤维成分的降解，结果表明，用1.5%的氢氧化钠溶液100 ℃处理1.5 h，半纤维素和木质素的降解率分别为67.92%和76.54%，对纤维素没有显著降解作用。Sindhu等[13]的研究表明，用30 mg/mL的氢氧化钠溶液在121 ℃对甘蔗叶处理60 min，约有90%的木质素被降解。尽管不同的研究人员所用的生物质不同，但结论基本一致，即碱与热处理结合有利于作物秸秆中木质素和半纤维素的降解。

本研究首先通过单因素试验，测定了氢氧化钠质量浓度、固液比和处理时间对木质素的影响，然后通过正交试验获得氢氧化钠质量浓度、固液比及处理时间的最佳处理组合，在此条件下纤维素、半纤维和木质素的降解率大幅度提高，取得了理想的结果。郑明霞等[14]用不同质量浓度的氢氧化钠溶液对玉米秸秆进行堆沤处理，研究纤维素结构和结晶度的变化，结果表明，氢氧化钠堆沤处理后，纤维素的形态结构发生了变化，部分分子间氢键断裂，部分酯键消失，随着碱用量的增加，纤维素被破坏的程度越大。这与本研究结果一致，即随着氢氧化钠质量浓度和固液比的增加，秸秆中木质素和半纤维素被有效降解，纤维素的保护屏障被破坏，这为纤维素的充分利用创造了有利的条件。

[1] 曾晶,龚大春,田毅红,等.碱法—酶法处理麦秆木质纤维素的工艺研究[J].农产品加工学刊,2007(10):7-9,21.

[2] 农业部科技教育司.全国农作物秸秆资源调查与评价报告[J].农业工程技术(新能源产业),2011(2) :2-5.

[3] Galbe M,Zacchi G.A review of the production of ethanol from softwood[J].Applied Microbiology and Biotechnology,2002,59(6):618-628.

[4] 管小冬.农作物秸秆资源利用浅析[J].农业工程学报,2006,22(S1):104-106.

[5] Wyman C E.Biomass ethanol:Technical progress,opportunities and commercial challenges[J].Annual Review of Energy and the Environment,1999,24(1):189-222.

[6] Moyson E,Verachtert H.Growth of higher fungi on wheat straw and their impact on the digestibility of the substrate[J].Applied Microbiology and Biotechnology,1991,36(3):421-424.

[7] 杨凤.动物营养学[M].北京:农业出版社,1993:5-7.

[8] 中国国家标准化管理委员会.饲料中中性洗涤纤维(NDF)的测定:GB/T 20806—2006[S].北京:中国标准出版社,2006

[9] 中国国家标准化管理委员会.饲料中酸性洗涤木质素(ADL)的测定:GB/T 20805—2006 [S].北京:中国标准出版社,2006.

[10] 姚杰,徐信武,冯玉英.用红外光谱法研究麦秸各层面的化学组成[J].光谱学与光谱分析,2003,23(1):58-60.

[11] 左迎峰,易顺民,郝健,等.麦秸表面碱处理及其表征[C]//中国林学会生物质材料科学分会.第五届全国生物质材料科学与技术学会研讨会论文集.福州:[出版者不详],2013:291-294.

[12] Guo H W,Chang J,Yin Q Q,etal.Effect of the combined physical and chemical treatments with microbial fermentation on corn straw degradation[J].Bioresource Technology,2013,148:361-365.

[13] Sindhu R,Kuttiraja M,Binod P,etal.Physicochemical characterization of alkali pretreated sugarcane tops and optimization of enzymatic saccharification using response surface methodology[J].Renewable Energy,2014,62:362-368.

[14] 郑明霞,李来庆,郑明月,等.碱处理对玉米秸秆纤维素结构的影响[J].环境科学与技术,2012,35(6)：27-31.

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

国家科技部星火计划项目(2015GA750012)

白献晓(1963-)，男，河南南阳人，研究员，主要从事畜牧研究工作。E-mail:bxx388@sina.com *为同等贡献者

**通讯作者：尹清强(1964-)，男，河南南阳人，教授，主要从事动物营养与生物工程研究。E-mail:qqy1964@126.com

S816

A

1004-3268(2016)11-0135-04