能源作物蘆葦適宜收獲期研究

朱作華，蔡俠，謝純良，李智敏，嚴(yán)理，龔文兵，胡鎮(zhèn)修，彭源德

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，長沙，410205）

能源作物蘆葦適宜收獲期研究

朱作華，蔡俠，謝純良，李智敏，嚴(yán)理，龔文兵，胡鎮(zhèn)修，彭源德*

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，長沙，410205）

本研究收集洞庭湖區(qū)不同生長期的蘆葦，并對其主要生長指標(biāo)及纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等主要化學(xué)組成進(jìn)行測量分析，以期獲得用于乙醇生產(chǎn)的蘆葦適宜收獲期。結(jié)果顯示，蘆葦全桿干重在整個生長期呈增加趨勢，其中7～9月中旬，干重增加較快，單株干重平均每天增加2.10 g左右；蘆葦?shù)睦w維素含量在41%左右，單株纖維素產(chǎn)量呈逐漸增加的趨勢，7～9月中旬增長速率較快，9月中下旬纖維素產(chǎn)量增加緩慢；半纖維素含量在整個收獲的時間段內(nèi)變化不大，含量為37%左右；木質(zhì)素含量最低為20.70%，最高為25.87%；單株木質(zhì)素產(chǎn)量5～8月增長較快，9月后增長速率趨于平緩。綜合考慮蘆葦?shù)母芍?、半纖維素、纖維素及木質(zhì)素產(chǎn)量等，初步確定用作乙醇生產(chǎn)原料的蘆葦適宜收獲時期為9月中旬前后，此段時間蘆葦干重較高，木質(zhì)素含量低，而纖維素、半纖維素產(chǎn)量相對較高。

蘆葦；收獲期；纖維素；生物乙醇

蘆葦（Phragmites australis）是多年生草本植物，分布廣泛、適應(yīng)性強(qiáng)、生長快、產(chǎn)量高，不需要施肥，全世界約有1000萬hm2，而我國現(xiàn)有14個蘆葦主產(chǎn)區(qū)，面積達(dá)130萬hm2以上［1，2］。蘆葦是一種重要的工農(nóng)業(yè)原材料，傳統(tǒng)上主要做牲畜的草料和造紙原料造紙原料［3－5］，近年來，隨著國家調(diào)結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式轉(zhuǎn)變，更多的研究集中在開發(fā)蘆葦新用途，如纖維、半纖維作為重金屬吸附材料［6，7］，青貯飼料［8］、生物能源［9，10］等。

蘆葦?shù)漠a(chǎn)量和質(zhì)量主要取決于當(dāng)?shù)氐纳L條件，每公頃產(chǎn)量15～35 t干基，莖桿纖維素含量40%以上，半纖維素含量30%左右，是很有潛力的可再生能源作物［11，12］。洞庭湖位于湖南省北部是我國最大的蘆葦區(qū)之一。作為乙醇的生產(chǎn)原料，要求生物量大、纖維素、半纖維素含量高而木質(zhì)素含量低的時期收割，有利于纖維素原料預(yù)處理及酶解糖化。研究前期對蘆葦預(yù)處理工藝條件進(jìn)行了研究［13，14］，本研究選擇洞庭湖岸的蘆葦，通過測定不同時期收獲的蘆葦樣本干重及纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等含量，確定作為乙醇生產(chǎn)原料的適宜收獲時期，也為蘆葦作為重金屬吸附材料、飼料原料提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

本研究所用的蘆葦采收自湖南沅江市洞庭湖岸周圍，草酸銨、氫氧化鈉、硫酸、95%乙醇、硝酸等均為市售分析純。

主要儀器：電子數(shù)顯卡尺（滬00000130型）、卷尺（浙制02810241型）、電子天平（JD400－3）、粉碎機(jī)（FY－130型）、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（GHG－9140A型）、旋片真空泵（2XZ－0.5型）、纖維素測定儀（Foss Tecator）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品采集與處理

本文采用野外采樣與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的思路，試驗(yàn)材料蘆葦樣本采自沅江市洞庭湖岸周圍，采樣時盡量避免選擇在群落的邊緣，共采集樣本13組。取樣的同時隨機(jī)抽取8株測定株高、莖粗、生長節(jié)、葉齡等生長指標(biāo)。采收的蘆葦全桿裝袋帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干后，在烘箱中115℃烘3 h至恒重，自然回潮30 min。用電子天平稱量全桿干重，記錄精確到百分位。然后將蘆葦全桿剪碎，再經(jīng)粉碎機(jī)粉碎成粉末狀（見圖1），過1.0 mm的篩目。

圖1 蘆葦樣品Fig.1 Samples of Phragmites australis

1.2.2 蘆葦系統(tǒng)成分測定方法

蘆葦、麻桿分析參照GB5889－1986《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》，做適當(dāng)調(diào)整，總結(jié)出適合蘆葦系統(tǒng)成分的測定方法，測定13組樣本的系統(tǒng)成分，批次編號見表1，每組做三個平行樣品，測定結(jié)果取平均值。

1.2.2.1 半纖維素的測定方法

苯醇提取物含量測定：用直徑18 cm定量濾紙扎成濾紙筒，連同棉線一起在烘箱中烘至恒量，稱重精確到小數(shù)點(diǎn)后四位，記錄重量（G1）；稱重后的濾紙筒內(nèi)裝入約3.0 g的蘆葦粉末扎好，烘至恒量，準(zhǔn)確稱量其重量，精確到小數(shù)點(diǎn)后四位，記錄重量（G2）；將裝好待測樣品的濾紙筒放入回流裝置中，加入150 mL苯／乙醇（2∶1）混合液，80～85℃水浴鍋中回流抽提3 h，回流速度4～6次／h；取下濾紙筒烘至恒量，準(zhǔn)確稱量其重量，記錄重量（G3）。

熱水抽物含量測定：孔徑為12μm的樣品袋烘至恒量，準(zhǔn)確稱量其重量，精確到小數(shù)點(diǎn)后四位，記錄重量（G4）；稱取苯醇抽提后的樣品1.00 g左右，放入已稱量樣品袋中，烘至恒量，準(zhǔn)確稱量其重量記錄重量（G5）；纖維素測定儀燒杯中加入500 mL蒸餾水，放入樣品袋，使其完全浸入溶液中，沸水浴煮3 h（溶液沸騰開始計時）；倒出燒杯中溶液，再加入清水，樣品袋放入清水中反復(fù)漂洗（5～6次），用離心機(jī)甩干剩余水分（800 r／min，1 min），烘干，準(zhǔn)確稱量其重量記錄重量（G6）；熱水抽提物含量計算：

果膠含量測定：經(jīng)熱水抽提后烘干的樣品袋再次放入燒杯中，加入500 mL濃度為5 g／L的草酸銨溶液，沸騰狀態(tài)煮3 h；倒出燒杯中溶液，清洗方法同上（見熱水抽提物樣品袋漂洗），在烘箱中烘干稱量，準(zhǔn)確稱量其重量，精確到小數(shù)點(diǎn)后四位，記錄重量（G7）；果膠含量計算：

半纖維素含量測定：提取果膠后烘干的的樣品袋放入燒杯中，加入500 mL濃度為20 g／L的氫氧化鈉溶液，沸騰狀態(tài)煮3.5 h；倒出燒杯中溶液，清洗方法同上，在烘箱中烘干稱量，準(zhǔn)確稱量其重量，精確到小數(shù)點(diǎn)后四位，記錄重量（G8）；計算半纖維素含量：

1.2.2.2 木質(zhì)素的測定方法

取干凈的砂芯坩堝，編號與待測蘆葦樣品編號對應(yīng)，烘至恒量，準(zhǔn)確稱量其重量，精確到小數(shù)點(diǎn)后四位，記錄重量（W1）；苯醇抽提后的樣品烘至恒重，準(zhǔn)確稱量其重量，記錄重量（W2）；稱量后的樣品放入25 mL三角瓶中，加入72%的硫酸10 mL，用玻璃棒攪拌混勻；三角瓶放入25℃的培養(yǎng)箱中水解2 h，期間攪拌2～3次，使蘆葦粉末與硫酸溶液充分接觸，水解完全；自培養(yǎng)箱中取出三角瓶，加90 mL蒸餾水沖洗至250 mL三角瓶中，再放入121℃烘箱中炭化2 h；從烘箱中取出三角瓶，用傾斜法過濾至已干燥恒重的砂芯坩堝內(nèi)，用清水洗滌三角瓶中剩余殘渣并倒入坩堝中洗滌殘渣，用真空泵及吸濾瓶抽濾，清水反復(fù)洗滌坩堝中殘渣4～5次（每次10 mL左右）；真空泵吸干濾液，取出砂芯坩堝，用清水將坩堝外部吹洗干凈，放入烘箱，在（105±3）℃左右烘干至恒重，準(zhǔn)確稱量其重量，精確到小數(shù)點(diǎn)后四位，記錄重量（W3）；計算木質(zhì)素含量：

1.2.2.3 纖維素（硝酸－乙醇纖維素）的測定方法

取干凈的砂芯坩堝，編號與待測蘆葦樣品編號對應(yīng)，烘至恒量，準(zhǔn)確稱量其重量，精確到小數(shù)點(diǎn)后四位，記錄重量（X1）；苯醇抽提后的樣品烘至恒重，準(zhǔn)確稱量其重量，記錄重量（X2）；稱量后的樣品放入250 mL潔凈干燥的三角瓶中，加入25 mL配置好的硝酸－乙醇液，裝上回流冷凝管，置于沸水浴中加熱1 h，加熱過程中要隨時搖蕩瓶內(nèi)粉末，防止樣品噴出；到時間后，將三角瓶取下，靜置片刻，將瓶內(nèi)液體用傾瀉法過濾至已干燥恒重的砂芯坩堝內(nèi)（不許流出燒杯外），用真空泵及吸濾瓶吸干濾液；再將坩堝中及三角瓶口附著的殘渣用25 mL硝酸－乙醇液洗回三角瓶中。裝上回流冷凝管，再在沸水浴中加熱1 h。如此反復(fù)三次至纖維變白；將三角瓶內(nèi)容物全部移入之前過濾時對應(yīng)的砂芯坩堝，用15 mL硝酸－乙醇液洗滌三角瓶中剩余殘渣并倒入坩堝中洗滌殘渣。再用無水乙醇洗滌殘渣及三角瓶，使殘渣全部進(jìn)入坩堝，洗滌兩次（每次10 mL左右），最后用熱水洗滌殘渣3～4次，直至濾液用甲基橙試紙不呈酸性為止；吸干濾液，取出坩堝，用清水將坩堝外部吹洗干凈，放入烘箱，在（105±3）℃左右烘干至恒重，準(zhǔn)確稱量其重量，精確到小數(shù)點(diǎn)后四位，記錄重量（X3）；計算纖維素含量：

1.2.3 單株產(chǎn)量計算

單株半纖維素產(chǎn)量＝單株干重×半纖維素含量

單株木質(zhì)素產(chǎn)量＝單株干重×木質(zhì)素含量

單株纖維素產(chǎn)量＝單株干重×纖維素含量

2 結(jié)果與分析

2.1 蘆葦生長指標(biāo)

由表1可以看出，5～9月蘆葦?shù)闹旮?、生長節(jié)、葉齡和全桿干重指標(biāo)呈逐漸遞增趨勢，8～9月增長較快，其后10～11月期間增長緩慢。5～8月蘆葦葉片呈遞增趨勢，8月中旬達(dá)到頂峰后開始下降，這與蘆葦?shù)纳L規(guī)律相關(guān)，蘆葦生長中后期就已停止生長開始衰敗，葉片逐漸掉落，在一定程度上造成了葉片生物指標(biāo)的減少［15］。7～9月中旬，蘆葦全稈干重增加較快，單株干重平均每天增加2.10 g左右。

表1 不同時間蘆葦生長指標(biāo)Tab.1 Means of paramenter in different growing period

2.2 木質(zhì)素含量隨收獲時間的變化分析

從圖2可以看出蘆葦木質(zhì)素含量整體呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢，5月中旬含量最低，含量為20%，11月下旬最高，含量25.87%。

圖2 不同收獲時間蘆葦木質(zhì)素含量變化Fig.2 Change of lignin content in reed with harvesting time

2.3 半纖維素含量收獲時間的變動分析

從圖3看出，收獲期內(nèi)蘆葦半纖維素含量在6月中旬最高，含量為39.69%，隨后開始下降，7月中旬降低至37.11%，隨后基本維持在37.00%±1.00%范圍。

圖3 不同收獲時間蘆葦半纖維素含量變化Fig.3 Change of hemicelluloses content in reed with harvesting time

2.4 纖維素含量收獲時間的變動分析

從圖4可知，5～8月初，蘆葦纖維素含量整體呈現(xiàn)先增加后降低，5月初纖維素含量為42.8%，6月下旬～8月初纖維素含量在44%左右，隨后來時減少，至11月初降至最低為38.5%，原因可能是9月下旬后，蘆葦開始衰敗，葉片枯黃脫落，莖稈老化，木質(zhì)素含量相對增加，纖維素含量減少。

圖4 不同收獲時間蘆葦纖維素含量變化Fig.4 Change of cellulose content in reed with harvesting time

2.5 蘆葦單株纖維產(chǎn)量隨收獲期的比較分析

由圖5可以看出 ，蘆葦單株木質(zhì)素、半纖維素和纖維素的產(chǎn)量總體呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。9月中旬后單株纖維素產(chǎn)量、單株半纖維素產(chǎn)量的增加趨勢已基本趨于平緩，而單株木質(zhì)素含量還有增加?？赡苁且?yàn)?～8月蘆葦處于生長發(fā)育期，9月下旬蘆葦生長基本停止，10月下旬葉片開始枯敗。

圖5 不同收獲時間蘆葦單株纖維產(chǎn)量變化Fig.5 Change of plant fiber production in reed with harvesting time

2.6 蘆葦與麻桿化學(xué)組分比較

由表2可以看出，蘆葦化學(xué)組分與麻桿相似，木質(zhì)素含量較高23%左右，作為能源作物同樣需進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理才能使其更好的被生物酶降解為可發(fā)酵糖，相比韌皮，蘆葦和麻桿均含有較高的半纖維，酶解后會產(chǎn)生較高的戊糖，這與前期研究一致［16］，因此，作為能源作物需考慮戊糖的利用。

表2 蘆葦與麻桿成分分析Tab.2 Component analysis of reed and byproducts

3 結(jié)論

3.1 不同生長時間蘆葦生長指標(biāo)的變化

從收獲的時間段來看，蘆葦?shù)娜~齡、株高、全稈干重等生長指標(biāo)的變化呈逐漸上升的趨勢。8～9月增長較快，其后10～11月期間增長緩慢。7～9月中旬，全稈干重增加較快，單株干重平均每天增加2.10 g左右。蘆葦采收的時間，可在全稈干重積累到最大值后進(jìn)行，即8月中下旬～10月期間。

3.2 不同生長時間蘆葦纖維素、半纖維素、木質(zhì)素產(chǎn)量

蘆葦?shù)睦w維素含量在38.49%～44.94%，從整個收獲的時間段來看，蘆葦?shù)膯沃昀w維素產(chǎn)量呈逐漸增加的趨勢，7月初～9月中旬增長速率較快，9月中下旬纖維素產(chǎn)量增加緩慢，已基本達(dá)到最大值。蘆葦?shù)陌肜w維素含量在整個收獲的時間段內(nèi)變化不大，含量為37%左右，單株半纖維素產(chǎn)量同單株纖維素產(chǎn)量趨勢相似。蘆葦木質(zhì)素含量最低為20.70%，最高為25.87%。木質(zhì)素含量高會增加乙醇工藝中原料預(yù)處理的難度，綜合考慮蘆葦?shù)母芍刂笜?biāo)與半纖維素、纖維素產(chǎn)量的相關(guān)影響，初步確定用作纖維質(zhì)原料的蘆葦適宜收獲時期為9月中旬前后，此段時間蘆葦干重指標(biāo)較大，木質(zhì)素含量相對更低，而半纖維素、纖維素產(chǎn)量較高。

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Research on the Optimal Harvesting Time of the Energy Crop of Phragm ites australis

ZHU Zuohua，CAIXia，XIEChunliang，LIZhimin，YAN Li，GONGWenbing，HU Zhenxiu，PENG Yuande*
（Institute of Bast Fiber Crops，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Changsha，410205，China）

In this study，Phragmites australisin Dongting lake area were harvested at different growth stages to analyze themain growth indices ofPhragmites australisand the chemical composition of cellulose，hemicellulose and lignin in order to acquire the optimal harvesting time for ethanol production. Results showed that the dry weight of stalkswas increased significantly throughout the crops＇growth，especially from July to themiddle of September，which increased about2.10 g a day of per plant；the content of cellulose was about 41%which reflected an increasing trend of single plant，showing its higher growth rate in the period from July to themiddle of September and slower growth rate since late in September；the content of hemicellulose had no obvious change during the whole harvest time，which was around 37%；the content of lignin was from 20.70%to 25.87%，which increased significantly from May to August and kept stable after September.The yield of dry weight，the content of cellulose and hemicellulose were higher in themiddle of September，while the contentof lignin was lower.Therefore，the optimum harvesting time ofPhragmites australisfor ethanol production was around the middle of September with the consideration of the yield of dry weight，cellulose，hemicellulose and lignin.

Phragmites australis；harvest time；cellulose；bioethanol

S564.2

A

1671－3532（2017）02－0069－07

2016－10－21

國家麻類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS－19－E26）；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程（ASTIP－IBFC08）

朱作華（1981－），男，助理研究員，主要從事微生物農(nóng)產(chǎn)品加工研究。E－mail：zhuzuohua＠126.com

*通訊作者：彭源德（1965－），男，研究員，主要從事微生物農(nóng)產(chǎn)品加工研究。E－mail：ibfcpyd313＠126.com