不同因素對(duì)蔗渣堿化效果的影響

常國(guó)煒，吳兆鵬，韋家周，蟻細(xì)苗，譚文興，韋志堅(jiān)，張 宇，梁達(dá)奉*

（1廣州甘蔗糖業(yè)研究所 廣東省甘蔗改良與生物煉制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510316；2廣西農(nóng)墾綠姆山牛業(yè)有限公司，廣西南寧530042）

不同因素對(duì)蔗渣堿化效果的影響

常國(guó)煒1，吳兆鵬1，韋家周2，蟻細(xì)苗1，譚文興1，韋志堅(jiān)2，張 宇2，梁達(dá)奉1*

（1廣州甘蔗糖業(yè)研究所 廣東省甘蔗改良與生物煉制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510316；2廣西農(nóng)墾綠姆山牛業(yè)有限公司，廣西南寧530042）

堿化是蔗渣粗飼料化的主要處理方式，能大幅提高其利用率。本實(shí)驗(yàn)采用單因素實(shí)驗(yàn)研究不同堿化方式、除堿方式、蔗渣水分、堿濃度、堿化時(shí)間和堿化溫度等因素對(duì)蔗渣堿化效果的影響。結(jié)果表明：浸泡堿化和擠壓除堿是較優(yōu)的堿化方式和除堿方式；堿濃度在10%以內(nèi)，濃度越高，纖維破壞程度越大，降解產(chǎn)物越多；蔗渣水分在40%～70%時(shí)均能達(dá)到較好的堿化效果；堿化時(shí)間40 min、堿化溫度50℃時(shí)，能達(dá)到最佳的堿化效果。

飼料；堿化蔗渣；堿化工藝

0 前言

蔗渣是一種制糖工業(yè)的副產(chǎn)品，蔗渣產(chǎn)量巨大，其綜合利用一直為人們所重視。蔗渣最主要的成分是纖維素，約占40%～50%；其次是半纖維素和木質(zhì)素，分別約占25%～35%和15%～25%[1]，從成分上看無疑能作為一種反芻動(dòng)物的粗飼料使用。但由于蔗渣木質(zhì)化程度高、其質(zhì)地粗糙堅(jiān)硬，木質(zhì)素和半纖維素共價(jià)結(jié)合、纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)以及纖維素被木質(zhì)素和半纖維素包覆[2]，使得纖維表面對(duì)纖維素酶具有阻抗作用[3]。而且木質(zhì)素對(duì)生物酶存在吸附作用[4]，影響瘤胃消化能力，損害和擾亂消化系統(tǒng)。所以必須先對(duì)蔗渣進(jìn)行處理后才能作為飼料使用。

飼料用蔗渣的處理方法主要有膨化[5]、堿化[6]和生物發(fā)酵處理[7]等，也有復(fù)合上述若干種方法進(jìn)行處理[8]。其中，堿化處理能不同程度地改變纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)，降低其含量，破壞結(jié)晶構(gòu)造，打破它們之間的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，提高基質(zhì)孔隙率。堿化處理所用的堿主要有NaOH、Ca(OH)2等。經(jīng)堿化后的蔗渣質(zhì)地松軟，更重要的是可以提高酶的可及性，達(dá)到提高消化率的目的。

本文以NaOH為堿化試劑，將蔗渣堿化過程分為3道工序：堿化、除堿和干燥。通過單因素實(shí)驗(yàn)法，利用纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等指標(biāo)，研究堿化方式、除堿方式及堿化工序中蔗渣水分、堿濃度、堿化時(shí)間和堿化溫度對(duì)堿化效果的影響。通過探索不同因素對(duì)蔗渣堿化效果的影響，為蔗渣作肉牛粗飼料的可行性提供參考。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

甘蔗渣（水分為60%），廣州甘蔗糖業(yè)研究所提供；分析純氫氧化鈉，廣試；檢測(cè)過程中所用試劑均符合國(guó)標(biāo)或行標(biāo)規(guī)定。

YP6001N電子天平，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；擠壓設(shè)備；DH6-9143B5-Ⅲ電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；501超級(jí)恒溫水箱，常州澳華儀器有限公司；HB43-S鹵素水分測(cè)定儀，瑞士Mettler Toledo；檢測(cè)過程中所用儀器均符合國(guó)標(biāo)或行標(biāo)規(guī)定。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1比較堿化方式（浸泡與噴淋）對(duì)堿化效果的影響

取2份175 g蔗渣分別放入棉布袋中。1份浸泡在堿液（100 g氫氧化鈉+1795 g水，即考慮蔗渣水分后NaOH終濃度為5%(w/w，下同)）中，另1份用噴霧器噴12.5%NaOH溶液70 g到蔗渣中（考慮蔗渣水分后NaOH終濃度亦為5%），邊噴邊攪拌。在15℃下浸泡或靜置40 min后，用擠壓設(shè)備壓出堿液，將堿化蔗渣和原樣放入干燥箱中65℃烘干。烘干后分別按照GB/T 20806-2006[9]、NY/T 1459-2007[10]、GB/T 20805-2006[11]和GB/T 13885-2003[12]測(cè)定堿化蔗渣和原樣中的中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維、酸性洗滌木質(zhì)素和鈉元素含量，從而計(jì)算出纖維素C、半纖維素HC和氫氧化鈉WNaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。計(jì)算公式如下（假定鈉均以氫氧化鈉的形式殘留）：C=ADF-ADL，HC=NDF-ADF，WNaOH=WNa/ArNa×MrNaOH。

式中：ADF為酸性洗滌纖維，ADL為酸性洗滌木質(zhì)素，NDF為中性洗滌纖維，WNa為Na的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，ArNa為Na的相對(duì)原子質(zhì)量，MrNaOH為NaOH的相對(duì)分子質(zhì)量。

1.2.2比較除堿方式（擠壓與用大量水沖洗）對(duì)堿化效果的影響

取2份175 g蔗渣分別放入棉布袋中，分別在15℃的堿液（配制方法如1.2.1小節(jié)）中浸泡40 min后，1份用擠壓設(shè)備壓出堿液，另1份用大量水沖洗至中性后用手壓至無水滴滴出。后續(xù)步驟參照

1.2.1小節(jié)（加測(cè)除堿后的水分）。

1.2.3比較蔗渣水分對(duì)堿化效果的影響

通過日照或加水的方式調(diào)節(jié)蔗渣水分，取一定量的蔗渣（保證干物質(zhì)量相同，為70 g）放入棉布袋中，在15℃的堿液（保證NaOH終濃度相同，為5%）中浸泡40 min，后續(xù)步驟參照1.2.1小節(jié)。蔗渣量和堿液配制方法如表1。

表1　不同試驗(yàn)的蔗渣量和堿液配制方法

1.2.4比較NaOH濃度對(duì)堿化效果的影響

取4份175 g蔗渣分別放入棉布袋中，分別在15℃的不同濃度堿液中浸泡40 min，4個(gè)濃度的堿液配制方法如表2。后續(xù)步驟參照1.2.1小節(jié)。

1.2.5比較堿化時(shí)間對(duì)堿化效果的影響

取4份175 g蔗渣分別放入棉布袋中，分別在15℃的堿液中浸泡20、40、60、80 min。后續(xù)步驟參照1.2.1小節(jié)（不測(cè)鈉含量）。

1.2.6比較溫度對(duì)堿化效果的影響

取6份175 g蔗渣分別放入棉布袋中，分別在15、20、30、40、50℃的堿液中浸泡40 min。后續(xù)步驟參照1.2.1小節(jié)（不測(cè)鈉含量）。

表2　不同濃度的堿液配制方法

2 結(jié)果與分析

2.1浸泡與噴淋對(duì)堿化效果的影響

2種堿化方法的區(qū)別在于堿液在蔗渣中的分布情況。浸泡時(shí)蔗渣完全浸沒在堿液之中，堿液量大，堿液容易滲入到蔗渣之中，達(dá)到堿濃度平衡；而噴淋時(shí)，高濃度堿液噴淋在蔗渣表面，堿液量小，堿液不容易滲入蔗渣之中，造成堿濃度不平衡。表3是不同堿化方式處理后各組分含量對(duì)比數(shù)據(jù)。通過鈉含量可以看出，噴淋組的鈉含量明顯低于浸泡組，說明噴淋組的堿液只停留在蔗渣表面，通過擠壓較容易壓出。從纖維素的含量來看，浸泡組比原樣提高了7.7%，而噴淋組卻下降了9.4%，這可能是因?yàn)榻萁M蔗渣中堿濃度較平衡，均在5%左右，在這個(gè)濃度下纖維素的反應(yīng)性較半纖維素和木質(zhì)素低，所以纖維素含量反而升高了；而噴淋組的蔗渣表面濃度可達(dá)12.5%，在這個(gè)濃度下纖維素的反應(yīng)性可能更強(qiáng)，所以纖維素含量下降了。從木質(zhì)素的含量來看，浸泡組比原樣下降了34.95%，而噴淋組卻上升了4.0%，原因可能如上所述，而木質(zhì)素含量上升對(duì)于蔗渣粗飼料化是不利的。綜上所述，浸泡堿化比噴淋堿化更優(yōu)。

表3　不同堿化方式處理后各組分含量對(duì)比

2.2擠壓與用大量水沖洗除堿對(duì)堿化效果的影響

2種除堿方式的區(qū)別在于是否較徹底地去除堿化后的殘留堿。大量水沖洗后蔗渣殘留堿濃度低，在干燥過程中幾乎不會(huì)繼續(xù)反應(yīng)，而擠壓后蔗渣中還殘留大量堿，所以干燥過程中蔗渣處于高溫、強(qiáng)堿的環(huán)境中，半纖維素和木質(zhì)素會(huì)繼續(xù)降解。表4是不同除堿方式處理后各組分含量對(duì)比數(shù)據(jù)，可以看出，水洗組的酸性洗滌木質(zhì)素和半纖維素降幅為8.0%和24.4%，而擠壓組則為43.0%和50.2%。擠壓組的酸性洗滌木質(zhì)素含量的降幅遠(yuǎn)大于水洗組，這必將有利于反芻動(dòng)物對(duì)纖維的消化。而綜合3大組分的數(shù)據(jù)也一定程度上說明擠壓組對(duì)纖維的破壞比水洗組更強(qiáng)，更好地達(dá)到堿化的目的。

在能耗和環(huán)保方面，由于擠壓后水分比較低，用于干燥的能量必然比水洗組少，而且擠壓出的堿液可以直接重新利用，可以盡量減少化學(xué)試劑帶來的污染。而水洗組不僅需要浪費(fèi)大量水來沖洗蔗渣，而且會(huì)產(chǎn)生大量難以處理的低濃度堿液。綜上所述，擠壓除堿會(huì)比水洗除堿更優(yōu)。

表4　不同除堿方式處理后各組分含量對(duì)比

2.3不同蔗渣水分對(duì)堿化效果的影響

不同水分的蔗渣由于其纖維的潤(rùn)脹程度不同，所以可能在堿化過程中存在不同的降解效果。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。從鈉含量可以看出，氫氧化鈉的殘留程度相當(dāng)，這可能說明在不同水分情況下，堿化過程的40 min內(nèi)，NaOH均可較均勻地滲入蔗渣之中并達(dá)到濃度平衡。通過對(duì)比試驗(yàn)組和原樣的3大組分含量可知，半纖維素和木質(zhì)素均大量降解，這是蔗渣浸泡在NaOH溶液時(shí)和干燥過程中高溫、強(qiáng)堿條件下對(duì)其造成的綜合結(jié)果。其中，水分為50%的試驗(yàn)組，中性洗滌纖維比原樣下降29.29%；水分為40%的試驗(yàn)組，木質(zhì)素比原樣下降36.59%，這都說明在不同水分均有較好的處理效果。但綜合各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，不同水分之間的處理效果比較接近，沒有明顯優(yōu)劣。所以蔗渣水分在40%～70%內(nèi)，該工藝能達(dá)到較好的堿化效果。

表5　不同水分的蔗渣處理后各組分含量對(duì)比

2.4不同NaOH濃度對(duì)堿化效果的影響

對(duì)于蔗渣的堿化處理，堿濃度無疑是一個(gè)重要影響因素。堿濃度越高，纖維各組分降解越劇烈。各試驗(yàn)數(shù)據(jù)和物質(zhì)含量變化趨勢(shì)見表6和圖1。隨著堿濃度增大，中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維、半纖維素含量的降幅均越來越大。其中，半纖維素的降幅分別為31.1%、43.2%、48.7%、65.2%，說明半纖維素對(duì)堿有較強(qiáng)的反應(yīng)性。而酸性洗滌木質(zhì)素的降幅分別為23.4%、34.9%、41.9%、30.1%，降解程度略低于半纖維素。當(dāng)堿濃度增加至10%時(shí)，酸性洗滌木質(zhì)素含量降幅趨緩，這很可能是因?yàn)榘肜w維素降解變得更劇烈而造成的。纖維素的含量則相對(duì)穩(wěn)定，說明其破壞程度有限，但并非沒有參與反應(yīng)。從3個(gè)組分總量來看，隨著堿濃度增加，3個(gè)組分總量不斷減小，說明干燥后蔗渣中存在相當(dāng)量的降解產(chǎn)物，包括各種糖類及其衍生物和木質(zhì)素降解產(chǎn)物，這些降解產(chǎn)物對(duì)反芻動(dòng)物的消化有何影響暫無定論。

表6　不同NaOH濃度處理后各組分含量對(duì)比

2.5不同堿化時(shí)間對(duì)堿化效果的影響

堿化時(shí)間影響著堿液在蔗渣里的擴(kuò)散情況和反應(yīng)程度。通過表7的數(shù)據(jù)分析，不同堿化時(shí)間均有較好的效果，這可能是因?yàn)閴A液能在較短時(shí)間內(nèi)滲入到蔗渣之中。其中，堿化40 min組，中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維均達(dá)到最低值，與原樣相比降幅分別為23.42%和12.06%。所以，浸泡時(shí)間在20～80 min內(nèi)均有較好堿化效果，其中堿化40 min時(shí)效果更佳。

2.6不同溫度對(duì)堿化效果的影響

堿化溫度也能影響堿液在蔗渣里的擴(kuò)散情況和反應(yīng)程度。通過表8的數(shù)據(jù)分析，堿化溫度在15～40℃時(shí)，各數(shù)據(jù)變化不大。而堿化溫度為50℃時(shí)，中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維和酸性洗滌木質(zhì)素均為5個(gè)水平中的最低值，與原樣相比降幅分別為28.60%、17.24%和59.40%，這很可能是由于高溫提高了各種反應(yīng)的反應(yīng)速率。但堿化溫度的上升必然導(dǎo)致能耗的增加，且對(duì)設(shè)備的要求也隨之提高，所以堿化溫度也應(yīng)控制在合適的范圍。綜上所述，在15～50℃的范圍內(nèi)，50℃是較佳堿化溫度。

圖1　各物質(zhì)含量變化趨勢(shì)

表7　不同堿化時(shí)間處理后各組分含量對(duì)比

表8　不同溫度處理后各組分含量對(duì)比

3 結(jié)論

本文比較浸泡和噴淋2種堿化方式，認(rèn)為浸泡堿化能有效降解木質(zhì)素，達(dá)到較好堿化效果。通過比較擠壓和大量水沖洗2種除堿方式，認(rèn)為擠壓除堿不僅能達(dá)到較好的堿化效果，而且能降低整個(gè)堿化工藝的能耗，且更加環(huán)保。在堿化條件方面，在10%的堿濃度以內(nèi)，堿濃度越大，纖維破壞程度越大，理論上越有利于反芻動(dòng)物對(duì)蔗渣的利用。但同時(shí)降解產(chǎn)物越多，這對(duì)反芻動(dòng)物的影響暫無定論。不同蔗渣水分的堿化效果比較接近， 沒有明顯優(yōu)劣，這令蔗渣水分的選擇上更加靈活。堿化時(shí)間為40 min、堿化溫度為50 ℃時(shí)，能達(dá)到更佳的堿化效果。

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[9] 中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部. 飼料中中性洗滌纖維(NDF)的測(cè)定：GB/T 20806-2006[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[10] 中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部畜牧業(yè)司. 飼料中酸性洗滌纖維的測(cè)定：NY/T 1459-2007[S]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2008.

[11] 中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部. 飼料中酸性洗滌木質(zhì)素(ADL)的測(cè)定：GB/T 20805-2006[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[12] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. 動(dòng)物飼料中鈣、銅、鐵、鎂、錳、鉀、鈉和鋅含量的測(cè)定 原子吸收光譜法：GB/T 13885-2003[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

(本篇責(zé)任編校：朱滌荃)

The Effect of Different Factors on Bagasse Alkalization

CHANG Guo-wei1, WU Zhao-peng1, WEI Jia-zhou2, YI Xi-miao1, TAN Wen-xing1, WEI Zhi-jian2, ZHANG Yu2, LIANG Da-feng1
(1Guangzhou Sugarcane Industry Research Institute/Guangdong Key Lab of Sugarcane Improvement & Biorefinery, Guangzhou 510316;2Guangxi State Farms Sugar Industrial Group Company Ltd., Lvmushan Cattle Co. Ltd, Guangxi 530042)

Alkalization is a major way of improving the digestibility of bagasse significantly. Single factor experiment were employed to study their influences on bagasse alkalization with factors of alkalization method, alkali removal method, bagasse moisture, concentration, time, temperature, etc. The results showed that soak and squeeze are better method of alkalization and alkali removal, respectively. Higher concentration within 10% of alkali is helpful in breaking the fibrous structure and producing degradation product. A good effect of alkalization is reached when bagasse moisture is between 40% to 70%, time is 40 min and temperature is 50℃.

Fodder; Alkaline bagasse; Alkalization method

TS249.2

A

1005-9695(2016)02-0031-06

2016-04-07；修回日期：2016-04-12

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助(201403049)；八桂學(xué)者建設(shè)工程專項(xiàng)資助；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)資助

常國(guó)煒(1989-)，男，助理工程師，主要從事食品生物技術(shù)研究

*梁達(dá)奉(1964-)，男，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向：制糖生物技術(shù)；E-mail: ldfjt@126.com

引文格式：常國(guó)煒，吳兆鵬，韋家周，等. 不同因素對(duì)蔗渣堿化效果的影響[J]. 甘蔗糖業(yè)，2016(2)：31-36.