廢棄木耳菌棒的好氧水解特性

李文哲，宋欣悅，張基因，羅立娜，殷麗麗

廢棄木耳菌棒的好氧水解特性

李文哲，宋欣悅，張基因，羅立娜，殷麗麗

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150030）

為分析廢棄木耳菌棒好氧水解特性，在總固體濃度為10%，溫度為34、38、44℃，時(shí)間為4、8、12、16、20、24 h條件下作水解發(fā)酵試驗(yàn)。結(jié)果表明，溫度為44℃，好氧水解時(shí)間8 h時(shí)，木質(zhì)素降解速率最快，降解率高達(dá)19.91%，占總降解率67.05%。在此條件下，厭氧發(fā)酵廢棄木耳菌棒VS產(chǎn)氣率較直接厭氧發(fā)酵對照組提高13.16%。表明好氧水解可有效提高木質(zhì)素降解率，提高產(chǎn)氣率。

廢棄木耳菌棒；木質(zhì)纖維素；好氧水解

隨著食用菌行業(yè)迅速發(fā)展，木耳生產(chǎn)產(chǎn)生的廢棄菌棒大部分被丟棄在田間地頭、河岸或直接焚燒，造成嚴(yán)重環(huán)境污染和資源浪費(fèi)[1]。

木耳菌棒原料因地域差異就地取材，主料采用木屑、棉籽殼、玉米芯等，黑龍江主要是木屑，約占總質(zhì)量75%～90%。輔料為麩皮、米糠等[2-3]。主料與輔料配比根據(jù)不同木耳品種生長所需碳氮比確定[4]。在木耳生長過程中，木耳菌棒經(jīng)過菌絲分解及酶解作用產(chǎn)生多種物質(zhì)，如糖類、有機(jī)酸類、生物活性物質(zhì)等及鐵、鈣等微量元素[5-6]，有助于微生物生長，可作為厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣原料。

木耳菌棒主要成分為木質(zhì)纖維，在正常情況下不能被厭氧微生物降解，但出耳后，其木質(zhì)素、纖維素、半纖維素均不同程度分解，主要由于木耳菌絲具有較強(qiáng)分解木質(zhì)纖維素能力[7]。真菌作用后菌棒作為厭氧發(fā)酵原料的研究廣泛。秦文弟等測定廢棄菌棒產(chǎn)沼氣潛力，結(jié)果表明，廢棄菌棒是優(yōu)質(zhì)沼氣發(fā)酵原料[8]。艾平等作廢棄菌棒干濕厭氧發(fā)酵對比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)廢棄菌棒具有高產(chǎn)氣潛力，高溫干發(fā)酵產(chǎn)氣效率優(yōu)于濕發(fā)酵[9]。而針對未被菌絲作用原始木屑，本試驗(yàn)前期根據(jù)發(fā)酵料液不同干物質(zhì)濃度作木屑厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，結(jié)果表明干物質(zhì)濃度為10%時(shí)效果最佳，VS產(chǎn)氣率和VS產(chǎn)甲烷率分別為124.72和37.13 mL·g-1，但其木質(zhì)纖維素降解率較低。原因是木質(zhì)纖維類原料中木質(zhì)素對纖維素和半纖維素纏繞作用，使其在植物細(xì)胞壁形成致密物理屏障，阻礙厭氧發(fā)酵水解階段細(xì)菌對纖維素和半纖維素降解利用，特別是木屑類原料明顯。

前人研究僅針對廢棄菌棒厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能，在破壞木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)，提高纖維素、半纖維素降解率、產(chǎn)氣量方面研究較少。本文結(jié)合廢棄木耳菌棒原料特點(diǎn)，以廢棄木耳菌棒好氧水解和產(chǎn)甲烷試驗(yàn)，探討水解特性和產(chǎn)甲烷效果，優(yōu)化廢棄木耳菌棒最佳水解時(shí)間及溫度，為后續(xù)深入研究提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1材料

廢棄木耳菌棒取自哈爾濱市尚志市亞布力鎮(zhèn)木耳養(yǎng)殖農(nóng)戶，菌棒制作主要原料為木屑80%，麩皮13%。接種物由沼液和牛糞混合，在35℃條件下馴化而成。發(fā)酵原料及接種物主要性質(zhì)見表1。

1.2方法

使用容積為2.5 L廣口瓶作為反應(yīng)容器，其工作體積設(shè)為2.0 L。厭氧發(fā)酵階段加蓋橡膠塞，玻璃膠密封，橡膠塞中部預(yù)留出氣孔，外接2 L集氣袋作為集氣裝置。采用排水法收集產(chǎn)生氣體體積，量筒計(jì)量。

表1 原料及接種物主要性質(zhì)Table 1 Basic characteristics of inoculum and substrates

廢棄木耳菌棒好氧水解試驗(yàn)流程如圖1所示。首先將廢棄木耳菌棒人工分離出塑料袋和培養(yǎng)料，剔除塑料袋，將余下培養(yǎng)料敲碎于4℃環(huán)境中儲存?zhèn)溆?；另取部分培養(yǎng)料烘干粉碎（粉碎粒徑＜20 mm），存于密封袋中，作成分分析。取184.7 g處理后廢棄木耳菌棒與1815.3 g接種物混合，反應(yīng)容器內(nèi)干物質(zhì)濃度（TS）為10%。為確定最佳廢棄木耳菌棒好氧水解溫度，將水解溫度分別控制為34、38和44℃。并分為A、B兩組，A組敞口放置，間歇攪拌；B組敞口放置，不攪拌。設(shè)定攪拌時(shí)間間隔為1h，攪拌時(shí)長為1 min，攪拌速率為180 r·min-1。并于4、8、12、16、20、24 h時(shí)取樣，測定其不同水解時(shí)間及水解溫度下木質(zhì)纖維素含量。初步篩選出最佳水解溫度。在該溫度下，將處理后廢棄木耳菌棒與接種物混合4、8、12、16、20、24 h濕法好氧水解并輔以攪拌供氣，攪拌參數(shù)為時(shí)間間隔1 h，時(shí)間1 min，攪拌速率180 r·min-1。將水解后物料中溫厭氧發(fā)酵。同時(shí)將D組設(shè)為對照組，即廢棄木耳菌棒與接種物混合液直接厭氧發(fā)酵。每天手動搖勻發(fā)酵液1次。每24 h測定產(chǎn)氣成分及產(chǎn)氣總量，直到發(fā)酵結(jié)束。比較分析兩組廢棄木耳菌棒產(chǎn)氣性能，優(yōu)化廢棄木耳菌棒最佳好氧水解時(shí)間。

圖1 好氧水解實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Aerobic hydrolysis flow

1.3檢測方法

TS采用烘箱（105±5）℃恒溫干燥法測量；VS采用馬弗爐（550±20）℃灼燒法測定[10]；pH采用試驗(yàn)室pH計(jì)-FE20測量；溶氧量采用上海雷磁溶解氧測定儀測定；堿度采用溴甲酚綠-甲基紅指示劑滴定法測定；總碳采用EuRo EA3000型元素分析儀測定；總氮采用Kjeltec2300型凱氏定氮儀測定，處理方法為將樣品粉碎烘干后于380℃消解爐中消解2 h，消解結(jié)束后直接測定；纖維素、半纖維素、木質(zhì)素采用ANKOM-200i半自動纖維分析儀測定；脂肪含量測定采用索氏提取法，使用乙醚作為提取劑；粗蛋白測定采用凱氏定氮法，使用儀器為Kjeltec2300型全自動凱氏定氮儀；氣體組成成分及含量分析采用GC6890N（安捷倫，美國）氣相色譜測定，裝載TDX-01型填充柱和熱導(dǎo)檢測器（TCD）。色譜條件如下：氬氣作為載氣，流量設(shè)置為41.0 mL·min-1；進(jìn)樣口溫度120℃，柱箱溫度155℃，檢測器溫度220℃，運(yùn)行2 min，采用外標(biāo)法測定氣體成分及含量，標(biāo)準(zhǔn)曲線包含5個(gè)濃度甲烷含量，其范圍為9.85%～80.3%。

2 結(jié)果與分析

2.1好氧水解階段pH變化

pH是反映體系運(yùn)行穩(wěn)定狀態(tài)重要參數(shù)，底物pH影響細(xì)胞原生質(zhì)特性、酶活性和微生物發(fā)酵活性。廢棄木耳菌棒好氧水解階段A、B兩組pH變化趨勢見圖2。由于前期接種物與原料相同，因此初始pH均為7.11。由圖2可知，在0～8 h內(nèi)，38、38J、44、44J處理組pH呈明顯下降趨勢，原因是在好氧水解初期，物料中可被微生物利用營養(yǎng)成分充足，在微生物胞外酶與胞內(nèi)酶作用下水解產(chǎn)酸[11]。而34、34J處理組pH下降趨勢較緩慢，原因是反應(yīng)體系溫度較低，水解產(chǎn)酸菌代謝、有機(jī)酸積累、產(chǎn)酸過程伴有NH4-N+生成，在前8 h內(nèi)兩組pH均有向上波動趨勢。而8 h后，各組料液pH趨平穩(wěn)。

由圖2可見，同等處理溫度下，A處理組pH普遍較B處理組高，原因是A處理組伴有間歇攪拌，而攪拌使料液混合均勻，微生物與原料充分接觸，促進(jìn)生化反應(yīng)。攪拌使固體物質(zhì)在料液中分散、懸浮，避免物料沉積[12]，促進(jìn)傳熱傳質(zhì)。因此，在好氧水解體系中，A組較B組水解產(chǎn)酸菌對物料代謝充分，物料中粗蛋白被分解利用最終轉(zhuǎn)化為NH4-N+完全，體系中pH相對較高。

圖2 好氧水解過程中不同溫度下pH變化Fig 2 Change of pH during aerobic hydrolysis at different temperature

2.2好氧水解對廢棄木耳菌棒木質(zhì)纖維素影響

2.2.1 不同溫度下好氧水解木質(zhì)素變化

好氧水解階段A、B兩組木質(zhì)素降解率見圖3。

由圖3可知，木質(zhì)素降解速率隨著溫度升高而增大，水解時(shí)間為8 h，溫度為44℃時(shí)，好氧水解攪拌組木質(zhì)素降解速率最快，降解率為19.91%，占總降解率67.05%。高于該時(shí)間段其他組別木質(zhì)素降解率。隨著好氧水解時(shí)間延長，各組分木質(zhì)素降解速率均由高到低，最終趨于平緩。好氧水解末端，B組木質(zhì)素降解率均高于A組。

由圖3可見，A組木質(zhì)素降解率普遍高于B組。原因是A組伴有間歇攪拌，攪拌增加物料與微生物接觸面積，促進(jìn)生物反應(yīng)，增加物料中氧分子含量，氧與木質(zhì)素苯環(huán)及側(cè)鏈基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，改變木質(zhì)素分子結(jié)構(gòu)，提升木質(zhì)素降解率。

2.2.2 不同溫度下好氧水解纖維素變化

好氧水解階段A、B兩組纖維素降解率見圖4。由圖4可知，在水解4～12 h時(shí)間段內(nèi)，各組分纖維素降解速率較高，在此時(shí)間段內(nèi)，木質(zhì)素降解率以及降解速率相對較高。在一定程度上起破壞木質(zhì)素屏蔽作用。水解12 h后各組纖維素降解速率趨于平穩(wěn)。隨著水解時(shí)間延長，纖維素酶代謝產(chǎn)物積累，好氧環(huán)境中，代謝產(chǎn)物無法被厭氧菌利用，當(dāng)水解產(chǎn)物濃度過高時(shí)，反饋?zhàn)璧K相應(yīng)水解酶合成[13]。因此降解速率均有降低趨勢。水解產(chǎn)物濃度不同，水解酶抑制程度不同，后期各組出現(xiàn)分降解速率高低情況。

比較圖3中A、B兩組發(fā)現(xiàn)，好氧水解前期階段，A組纖維素降解率普遍高于相應(yīng)溫度下B組，主要因?yàn)锳組伴有間歇攪拌。而當(dāng)酶水解纖維素時(shí)，纖維素對酶水解敏感度主要決定于纖維素可到達(dá)度。纖維素和酶須直接接觸，因?yàn)槔w維素不溶于水，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，接觸依靠酶擴(kuò)散到復(fù)雜纖維素網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)[14]。攪拌使纖維素與水解酶充分接觸。

圖3 好氧水解階段木質(zhì)素降解率Fig.3 Degradation rate of lignin during aerobic hydrolysis

圖4 好氧水解階段纖維素降解率Fig.4 Degradation rate of cellulose during aerobic hydrolysis

2.2.3 不同溫度下好氧水解半纖維素變化

好氧水解階段A、B兩組半纖維素降解率見圖5。由圖5可知，水解4～8 h時(shí)各組分半纖維素降解速率較高，而水解8 h后，各組降解速率均不同程度降低。原因?yàn)槟举|(zhì)素與半纖維素主要通過化學(xué)鍵和氫鍵形式鏈接，在好氧水解條件下，水解液中氧分子與木質(zhì)素側(cè)鏈基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，改變木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，破壞木質(zhì)素與半纖維素之間化學(xué)鍵及氫鍵，由水解細(xì)菌分泌胞外酶作用于半纖維素，提升降解速率；水解細(xì)菌胞外酶形成受基質(zhì)和水解產(chǎn)物支配，水解產(chǎn)物濃度過高抑制形成相應(yīng)水解酶。所以水解8 h后，料液中酶代謝產(chǎn)物積累，對水解酶產(chǎn)生不同程度抑制，速率減慢。

比較圖5A、B兩組可知，在好氧水解前期，A組半纖維素降解率普遍高于相應(yīng)溫度下B組，說明攪拌促進(jìn)半纖維素降解。原因主要是攪拌增加溶液中氧分子含量，增強(qiáng)好氧菌活性，提升反應(yīng)體系酶含量，加快降解半纖維素。

2.2.4 不同溫度下好氧水解總固體含量變化

好氧水解階段A、B兩組不同溫度下總固體降解率見圖6。

由圖6可知，隨著溫度升高，總固體降解率呈遞增趨勢。在水解0～8 h時(shí)，總固體降解率較低，降解速率緩慢。水解8 h后各溫度下總固體降解速率提升。原因是在好氧水解初期階段，由于木質(zhì)素對纖維素及半纖維素屏蔽作用，阻礙微生物降解利用。而含量較少的蛋白質(zhì)、脂肪等易被水解物質(zhì)被優(yōu)先降解。隨著好氧水解時(shí)間延長，氧分子與木質(zhì)素作用破壞木質(zhì)素與纖維素、半纖維素間化學(xué)鍵，增加胞外酶與纖維素、半纖維素接觸面積，促進(jìn)木質(zhì)纖維素降解，總固體降解速率加快。

對比圖6A、B可知，A組總固體降解率普遍高于B組，說明攪拌促進(jìn)有機(jī)物降解，在攪拌過程中不僅增加料液溶解氧含量，使木質(zhì)素在分子氧存在條件下發(fā)生氧化，減弱對纖維素、半纖維素屏蔽作用，易于被微生物利用。促進(jìn)料液傳熱傳質(zhì)，打散菌團(tuán)，增加木質(zhì)纖維素與水解細(xì)菌接觸面積，為微生物提供充足養(yǎng)料。

圖5 好氧水解階段半纖維素降解率Fig.5 Degradation rate of hemicellulose during aerobic hydrolysis

圖6 好氧水解階段總固體降解率Fig.6 Degradation rate of total solid during aerobic hydrolysis

2.3對厭氧發(fā)酵階段廢棄木耳菌棒產(chǎn)氣影響

為探究最佳好氧水解時(shí)間，在溫度為44℃條件下，對廢棄木耳菌棒分別作4、8、12、16、 20、24 h好氧水解試驗(yàn)，并輔以攪拌，好氧水解結(jié)束后，根據(jù)體系穩(wěn)定性判斷厭氧發(fā)酵可行性，根據(jù)產(chǎn)氣效果確定最佳好氧水解時(shí)間。

2.3.1好氧水解末端pH、堿度與VFA

沼氣發(fā)酵微生物最適宜pH為6.5～7.5，超出此范圍，沼氣微生物代謝減慢，產(chǎn)甲烷細(xì)菌將受抑制[15]。水解末端pH見圖7，可知各組反應(yīng)體系pH均在適宜范圍內(nèi)。

堿度是指沼氣發(fā)酵液結(jié)合氫離子能力，是衡量發(fā)酵體系緩沖能力指標(biāo)。研究表明，總堿度在3 000～8 500 mg·L-1與揮發(fā)酸比為2∶1以上時(shí)，沼氣發(fā)酵較穩(wěn)定；反之，達(dá)不到預(yù)期效果。由圖7可知，各試驗(yàn)組體系堿度/VFA均適合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣。

圖7 各試驗(yàn)組好氧水解末端體系pH、堿度/VFAFig.7 Changes curves of pH value and specific value of alkalinity and VFA at the terminal of aerobic hydrolysis

2.3.2 日產(chǎn)氣量

不同處理組廢棄木耳菌棒厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量如圖8所示，由圖8可知，好氧水解組日產(chǎn)氣量變化趨勢大體相同，在厭氧發(fā)酵前8 d，各處理組厭氧發(fā)酵體系不穩(wěn)定，產(chǎn)氣量均出現(xiàn)兩次不同程度波動，其中，好氧水解4 h組在厭氧發(fā)酵第1天產(chǎn)氣量達(dá)到最高，其他好氧水解組也相繼在第2、3天達(dá)到各自產(chǎn)氣峰值。當(dāng)厭氧發(fā)酵到第8天以后，即厭氧發(fā)酵中期階段，各組產(chǎn)氣量又出現(xiàn)上升趨勢，在第12、15天時(shí)出現(xiàn)第二次產(chǎn)氣高峰。隨著厭氧發(fā)酵進(jìn)行，微生物可利用物質(zhì)逐漸減少，日產(chǎn)氣量下降。

由圖8可知，對照組厭氧發(fā)酵前期日產(chǎn)氣量波動較為明顯，在第3天出現(xiàn)產(chǎn)氣最高峰，產(chǎn)氣量高于其他組別，原因主要是厭氧發(fā)酵初期，反應(yīng)體系中未被水解成分較多為蛋白質(zhì)、脂肪等，供給微生物消耗物質(zhì)較充足，未經(jīng)過好氧水解對照組前期產(chǎn)氣量較高，隨厭氧發(fā)酵時(shí)間延長，對照組產(chǎn)氣量下降明顯，與其他組別相比，產(chǎn)氣量偏低。說明對照組中易被水解利用有機(jī)物消耗后，厭氧菌可利用物質(zhì)減少，產(chǎn)氣量降低。

2.3.3 累積產(chǎn)氣量

不同處理組累計(jì)產(chǎn)氣量如圖9所示，由圖9可見，發(fā)酵末端各處理組累積產(chǎn)氣量好氧水解組別依次為8、12、16、4、20、24 h、D組。在發(fā)酵前期，對照組累計(jì)產(chǎn)氣量與好氧水解處理組差異較小，甚至高于好氧水解處理組，厭氧發(fā)酵中后期時(shí)，對照組累積產(chǎn)氣量上升趨勢減慢，逐漸低于好氧水解組。原因主要是在厭氧發(fā)酵前期，體系中易被降解營養(yǎng)物質(zhì)充足，可供微生物利用物質(zhì)較多，在自身代謝過程中，釋放出氣體。而好氧水解組由于厭氧發(fā)酵前不同時(shí)間好氧水解，在好氧水解過程中易被利用物質(zhì)如蛋白質(zhì)、脂肪等被微生物利用，造成一定程度有機(jī)物損失，厭氧發(fā)酵初期對照組累積產(chǎn)氣量相對于其他組差異較小。隨厭氧發(fā)酵時(shí)間延長，易被降解利用有機(jī)物減少，不同處理組累積產(chǎn)氣量差距逐漸增大，對照組由于未經(jīng)好氧水解，纖維素與半纖維素被木質(zhì)素包裹，阻礙微生物對纖維素及半纖維素利用，累積產(chǎn)氣量逐漸降低。而好氧水解組氧分子與木質(zhì)素反應(yīng)從一定程度上破壞屏蔽作用，好氧水解時(shí)間不同對屏蔽作用破壞程度不同，各好氧水解組累積產(chǎn)氣量不同。

圖8 各試驗(yàn)組日產(chǎn)氣量變化曲線Fig.8 Changes curves of daily biogas production with different treatments

圖9 各試驗(yàn)組累積產(chǎn)氣量變化曲線Fig.9 Changes curves of cumulative biogas production with different treatments

2.3.4日產(chǎn)甲烷量

甲烷含量決定生物氣質(zhì)量[16]。不同時(shí)間好氧水解組厭氧發(fā)酵甲烷日產(chǎn)氣量見圖10，從整體上看，各組分在厭氧發(fā)酵前期均先后出現(xiàn)2次產(chǎn)甲烷高峰，在第8天后各組甲烷日產(chǎn)量呈上升趨勢，各組別依次出現(xiàn)第3次產(chǎn)甲烷高峰。隨著厭氧發(fā)酵時(shí)間延長，可被利用降解有機(jī)物減少，厭氧發(fā)酵后期日產(chǎn)甲烷量逐漸降低。其中，經(jīng)過8 h好氧水解預(yù)處理組別厭氧發(fā)酵時(shí)，甲烷日產(chǎn)氣量均偏高，第13天時(shí)，甲烷日產(chǎn)量達(dá)到最高為772.38 mL，發(fā)酵末期第31天時(shí)，出現(xiàn)產(chǎn)甲烷小高峰，日產(chǎn)量為264.67 mL。

由圖10可見，未經(jīng)好氧水解處理對照組，甲烷日產(chǎn)氣量在厭氧發(fā)酵前期與其他組別差異較小，而中后期日產(chǎn)氣量偏低。原因主要是前期易被降解有機(jī)物充足，而隨厭氧發(fā)酵時(shí)間延長，無物料補(bǔ)充，反應(yīng)體系中易被利用有機(jī)物逐漸減少，另外木質(zhì)素對纖維素和半纖維素包裹阻礙水解性細(xì)菌降解，導(dǎo)致纖維素、半纖維素?zé)o法降解成小分子供厭氧菌利用，因此體系中厭氧菌活性降低，甲烷日產(chǎn)氣量變低。由此可見，好氧水解預(yù)處理可有效提升廢棄木耳菌棒厭氧發(fā)酵日產(chǎn)甲烷量。

圖10 各試驗(yàn)組日產(chǎn)甲烷量變化曲線Fig.10 Changes curves of daily methane production with different treatments

2.3.5 TS、VS產(chǎn)氣率及產(chǎn)甲烷率

不同時(shí)間好氧水解組厭氧發(fā)酵TS、VS產(chǎn)氣率及產(chǎn)甲烷率如圖11所示，好氧水解處理組厭氧發(fā)酵TS、VS產(chǎn)氣率及產(chǎn)甲烷率均高于對照組，其中好氧水解8 h組別厭氧發(fā)酵TS、VS產(chǎn)氣率最高，分別是186.01 mL·g-1、217.7 ml·g-1，比對照組提高13.16%。與未經(jīng)菌絲作用原始木屑相比，提高42.7%。說明好氧水解可破壞廢棄木耳菌棒中木質(zhì)素對纖維素、半纖維素屏蔽作用，促進(jìn)微生物利用，提高產(chǎn)氣率。

由圖11可見，好氧水解處理組厭氧發(fā)酵TS、VS產(chǎn)甲烷率均高于D組，其中水解8 h組別TS、VS產(chǎn)甲烷率最高，分別為87.881 ml·g-1、103.371 mL·g-1，與D組相比提高21.6%。因此，經(jīng)好氧處理后廢棄木耳菌棒單位質(zhì)量產(chǎn)氣量和產(chǎn)能效率提高。

圖11 各試驗(yàn)組TS、VS產(chǎn)氣率及產(chǎn)甲烷率Fig.11 Biogas yield and methane yield of different treatments

3 討論

木質(zhì)素是以苯基丙烷為基本結(jié)構(gòu)單元通過醚鍵、C-C鍵聯(lián)接而成的非結(jié)晶性三維高分子網(wǎng)狀化合物，具有芳香族特性。主要結(jié)構(gòu)單體有3種，分別為紫丁香基丙烷結(jié)構(gòu)單體、對羥基苯基丙烷結(jié)構(gòu)單體、愈瘡木基丙烷結(jié)構(gòu)單體。用于木耳栽培木屑主要為紫丁香基型和愈瘡木酚基型。纖維素是β-D-葡萄糖以β-1-4糖苷鍵連接而成大分子多糖。半纖維素是貫穿在木質(zhì)素和纖維素之間聚糖混合物。半纖維素結(jié)構(gòu)單元包括D-木糖基、D-甘露糖基、D-葡萄糖基等。木耳菌棒中木屑半纖維素主要為聚木糖類。

半纖維素作為分子黏合劑通過化學(xué)鍵、氫鍵將纖維素和木質(zhì)素聯(lián)接，具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)木質(zhì)素，作為支撐骨架包圍并加固纖維素和半纖維素[17]。木質(zhì)素最難被微生物降解，木質(zhì)素對纖維素和半纖維素纏繞包裹，阻礙纖維素、半纖維素水解糖化。降低微生物對纖維素及半纖維素利用。打破木質(zhì)素包裹作用是好氧水解關(guān)鍵。分子氧兩個(gè)未成對電子易引起酚型和烯醇式木素自偶氧化，產(chǎn)生過氧化氫游離基，但木質(zhì)素結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化。進(jìn)一步氧化，使苯環(huán)自身氧化形成氧5環(huán)結(jié)構(gòu)、醌式結(jié)構(gòu)等或消除側(cè)鏈氧化，改變木質(zhì)素分子結(jié)構(gòu)，提高木質(zhì)素降解率。木質(zhì)素在厭氧環(huán)境下不被降解，可降解利用木質(zhì)素微生物多為好氧微生物，好氧微生物繁殖能力高于厭氧微生物[18]。好氧水解可有效破壞木質(zhì)素對纖維素、半纖維素包裹作用，提高木質(zhì)素降解率，提升廢棄木耳菌棒厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣率。

4 結(jié)論

a.研究不同溫度下好氧水解對木質(zhì)纖維素降解率影響，結(jié)果表明，經(jīng)好氧水解后廢棄木耳菌棒，可獲得較高木質(zhì)素降解率。在44℃溫度下，其降解速率較快，在好氧水解8 h時(shí)，木質(zhì)素降解率為19.91%，占總降解率67.05%。有效破壞木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，提升廢棄菌棒有機(jī)物質(zhì)利用率。

b.研究44℃下6個(gè)不同時(shí)間段下好氧水解對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性影響。結(jié)果表明，經(jīng)8 h好氧水解后廢棄木耳菌棒，再作厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，VS產(chǎn)氣率最高達(dá)217.7 mL·g-1，比對照組高13.16%，比未經(jīng)菌絲作用原始木屑高42.7%。VS產(chǎn)甲烷率為103.371 mL·g-1。

c.攪拌可有效增加微生物與物料接觸，提升有機(jī)物降解率，促進(jìn)傳熱傳質(zhì)。增加料液中氧含量，促進(jìn)木質(zhì)素降解，在一定程度上破壞木質(zhì)素包裹纖維素和半纖維素屏障，利于微生物對纖維素和半纖維素降解。

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Study on aerobic hydrolysis characteristic of the agaric cultivation waste/

In order to investigate aerobic hydrolysis characteristic of the agaric cultivation waste,agaric residue was used as raw material for hydrolysis and fermentation with 10%TS mass fraction.The experiments were carried out individually at 34,38,44℃with 4,8, 12,16,20,24 h.The results showed that aerobic hydrolysis of agaric cultivation waste whose time was 8h and temperature was 44℃had the highest degradation rate of lignin of 19.91%, which accounted for 67.05%of the total degradation.Under the optimum conditions,VS gas production rate of agaric cultivation waste increased by 13.16%comparing with the direct anaerobic fermentation.The experimental results showed that with aerobic hydrolysis pretreatment lignin degradation rate and gas production rate of the agaric cultivation waste can be effectively improved.

agaric cultivation waste;lignocellulose;aerobic hydrolysis

S216.3；X712

A

1005-9369（2017）07-0072-11

時(shí)間2017-7-12 11:20:12[URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20170712.1120.018.html

李文哲,宋欣悅,張基因,等.廢棄木耳菌棒的好氧水解特性[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,48(7):72-82.

Li Wenzhe,Song Xinyue,Zhang Jiyin,et al.Study on aerobic hydrolysis characteristic of the agaric cultivation waste[J]. Journalof NortheastAgriculturalUniversity,2017,48(7):72-82.(in Chinese with English abstract)

2017-03-21

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAD21B03）；中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（2016M601405）

李文哲（1955-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)能源與利用。E-mail：liwenzhe9@163.com

LIWenzhe,SONG Xinyue,ZHANG Jiyin,LUO Lina,YIN Lili

(SchoolofEngineering,Northeast AgriculturalUniversity,Harbin 150030,China)