摘要：本试验以玉米秸秆为原料，采用单因素试验设计，通过不同石灰浓度、固液比、温度和时间处理，来确定能木质素降解率高，纤维素、半纤维素保留率高的工艺条件。试验结果表明，玉米秸秆在12%的石灰浓度，固液比1:9，100℃处理75 min，纤维素的增加率达到3.27％，半纤维素降解率为21.61%，木质素降解率为42.47％，该条件为单一因素处理时的最优条件。(根据本次试验选择10%、12%、14%的石灰浓度，1：7、1：9、1：11的固液比，90、100、110℃的处理温度，60、75、90 min的处理时间进行后续的四因素三水平正交试验，以确定秸秆氧化钙处理的最优条件。)
关键词：玉米秸秆；纤维素；半纤维素；木质素；降解率
1、材料与方法
1.1试验时间、地点
本试验研究于2016年2月至4月在河南科技学院动物科学学院动物营养研究验室进行。
1.2主要仪器设备
电热恒温干燥器（浙江绍兴县医疗器械厂）；磁力加热搅拌器（79-1，常州国华电器有限公司）；冷凝装置；高压灭菌锅（LDZX-30KBS，上海申安医疗器械厂）；封闭电炉(北京中兴伟业仪器有限公司)；电子分析天平（AB204-N）；150mL烧杯；1000mL容量瓶；110mmX160mm自封袋；坩埚；茂福炉（SRTX-3-9）多功能电炉(DK-98-II型2000W单联立式)；滤纸袋（中国农业大学肉牛研究中心）；塑料封口器(SG-200)；飞利浦搅拌机(HR-1721)。
1.3试验材料
原料：秸秆为收获玉米后的优质、无霉变的秸秆，自然风干后粉碎过40目，保存备用。
试剂：氧化钙（分析纯）、硫酸（分析纯）、正辛醇（分析纯）、丙酮（分析纯）乙二胺四乙酸二钠(AR，国药集团化学试剂有限公司)、硼酸钠、无水磷酸氢二钠、无水亚硫酸钠、丙酮(AR，上海试一化学试剂有限公司)、十二烷基硫酸钠(AR，天津市永大化学试剂开发中心)、乙二醇乙醚(AR，无锡市民丰试剂厂)、十六烷基三甲基溴化铵(BR，北京奥博星生物技术责任有限公司)、浓硫酸(AR，湖南师大试剂有限责任公司)。
中性洗涤剂（3%十二烷基硫酸钠溶液）：称取18.6g乙二胺四乙酸二钠和6.8g四硼酸钠，放入100ml烧杯中，加适量蒸馏水溶解(可加热)，再加入30g十二烷基硫酸钠和10ml乙二醇乙醚；称取4.56g无水磷酸氢二钠置于另一烧杯中，加蒸馏水加热溶解，冷却后将上述两溶液转入1000ml容量瓶并用蒸馏水定容。此溶液pH值6.9~7.1（pH值一般不用调整）。
酸性洗涤剂（2%十六烷基三甲基溴化铵溶液）：称取20g十六烷基溴化铵溶于1000ml1.00mol/L溶液中，搅拌溶解，必要时过滤。
1.00mol/L硫酸溶液：将27.87ml硫酸慢慢倒入内装500ml水的烧杯中，搅拌冷却后用水定容至1000ml，必要时可用1mol/L氢氧化钠标准溶液标定（GB/T601）。
12.0mol/L硫酸洗涤溶液：准确移取666.0mL硫酸慢慢倒入内装300ml蒸馏水的烧杯内，注意不断搅拌和冷却，并用蒸馏水定容至1000ml，必要时用标准氢氧化钠溶液标定（GB/T601）。
1.4实验方法
1.4.1实验设计
采用单因素试验设计选择木质素降解率，纤维素和半纤维素的保留率最高的浓度、固液比、时间和温度的组合，因素水平。
1.4.2最佳石灰浓度处理
取5.0000g玉米秸秆，按照秸秆重的百分数计，分别加入2%，4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%的石灰，按照秸秆：水=1:5加入蒸馏水，搅拌均匀，121℃高压处理30min。将处理过的秸秆105℃烘干，粉碎备用，每组3个重复。
1.4.3最佳固液比处理
取5.0000g玉米秸秆，按最佳浓度加入石灰，按固液比1:1,1:3，1:5，1:7，1:9,1:11,1:13加入蒸馏水，121℃高压处理30min。将处理过的秸秆105℃烘干，粉碎备用，每组3个重复。
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1.4.4最佳处理温度处理
取5.0000g玉米秸秆，按最佳石灰浓度和固液比加入石灰和水，分别在60℃，70℃，80℃，90℃，100℃，110℃，121℃高压处理30min。将处理过的秸秆105℃烘干,粉碎备用,每组3个重复。
1.5指标测定
木质素、纤维素和半纤维素的测定：采用滤袋法。中性洗涤纤维（NDF）：采用国标GB/T20806-2006；酸性洗涤纤维(ADF)：采用VanSoest测定法；酸性洗涤木质素(ADL)：采用国标GB/T20805-2006；纤维素=ADF-ADL-灰分；半纤维素=NDF-ADF；
计算方法：纤维素增加率/%==（处理前样品中总含量-处理后样品中总的含量）/处理后样品中总含量;半纤维素和木质素降解率/%=（处理前样品中总含量-处理后样品中总的含量）/处理前样品中总含量;物料增重/g=处理后样品的重量-处理前（秸秆+石灰）重量
1.6数据统计分析
试验数据经MicrosoftExcel初步整理后，采用SPASS20统计分析软件对各数据进行方差分析和Duncan多重比较，所有结果均以平均值±标准差表示。
2、结果与分析
2.1不同石灰浓度对木质素降解率的影响
不同石灰浓度预处理的玉米秸秆，纤维素增加率、半纤维素降解率、木质素降解率和处理后物料增重随石灰浓度增大而增加，且在18%时纤维素增加率达到15.95%（p<0.05)；14%时半纤维素降解率达到42.58%（p<0.05)；20%时木质素降解率达到44.61%（p<0.05)。生石灰浓度小于10%时，对木质素无脱除效果；在12%～16%时，纤维素增加率和木质素降解率无显著变化。在后续的饲料加工和使用时，石灰浓度的高低限制处理秸秆在饲料中的添加量，因此综合考虑生石灰最佳浓度为12%。
2.2不同固液比对木质素降解率的影响
不同固液比对木质素降解率的影响，物料增重随水分的增大而减小；纤维素的增加率和半纤维素的降解率在1:9时达到最大(P<0.05)，随后差异不显著；木质素降解率随水分的增加而显著增加(P<0.05)，且在1:13时达到最高。从实际操作观察，在1:11时已经有水浸出；在1:13时，秸秆呈悬浮状态。考虑到水分越多对后期烘干造成的难度，所以综合考虑当固液比为1:9最佳。
2.3不同温度对木质素降解率的影响
不同温度对木质素降解率的影响，随着温度的升高物料增重减少；随着温度的增加，纤维素的增加率和木质素的降解率呈增加趋势，木质素的降解率在100℃时达到最高(P<0.05)，继续升高温度无显著变化；半纤维素的降解率差异不显著，综合考虑以100℃最佳。
3、讨论
碱化能使木质素与碳水化合物间的结构链分离，破坏木质素结构。曹春梅等研究表明，熟石灰浓度低于4%时，对木质素的去除不明显，处理剂量为8%～12%时，降解率达18.11%～25.65%，且生石灰的对秸秆的处理效果优于熟石灰。本研究结果显示，在石灰浓度为12%时，木质素的降解率达37.79%。
水分含量的大小决定碱与秸秆的接触面积的大小，从而影响降解反应。水分含量少，反应体系中玉米秸秆不能与碱充分接触。许多研究报道固液比均在1:10以上。本研究结果显示，随着水分的增加木质素降解率显著提高。结合实际应用，水分越多对后期应用难度加大，所以综合考虑当固液比为1:9最佳，且木质素的降解率达37.01%。
在纤维素、半纤维素和木质素三者中，半纤维素对热化学反应最为敏感在热化学预处理中半纤维素的支链首先发生反应，然后主链发生反应。所以在热碱处理时，半纤维素不可避免地发生了降解。高温能够加速木质素和半纤维素的降解，但是温度过高，使半纤维素的降解生成的木糖进一步脱水生成糠醛等副产物。本研究结果显示，温度小于或等于121℃对半纤维素的降解无显著影响，木质素在100℃时降解率达45.78%。
4、结论
综上所述玉米秸秆在12%的石灰浓度，固液比1:9，100℃处理75min，纤维素的增加率达到3.27％，半纤维素降解率为21.61%，木质素降解率为42.47％。是玉米秸秆碱处理的最优条件。
参考文献
[1]薛惠琴,杭怡琼,陈谊.稻草秸秆中木质素、纤维素测定方法的研讨[J].上海畜牧兽医通讯.2001(02)：15.
论文作者:谢兵 马静文
论文发表刊物:《知识-力量》2019年11月51期
论文发表时间:2019/12/6
标签：木质素论文; 纤维素论文; 秸秆论文; 浓度论文; 石灰论文; 玉米论文; 溶液论文; 《知识-力量》2019年11月51期论文;