玉米秸稈不同部位纖維組成和結(jié)構(gòu)的研究

劉海燕，廉士珍，王秀飛，王彥靖，歐 巍，黃 梟，趙勝楠，李 權(quán)，張永鋒，劉 鵬，祁宏偉

(1.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林 長春 130033； 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所，吉林 長春 130112)

玉米秸稈不同部位纖維組成和結(jié)構(gòu)的研究

劉海燕1，廉士珍2，王秀飛1，王彥靖1，歐 巍1，黃 梟1，趙勝楠1，李 權(quán)1，張永鋒1，劉 鵬1，祁宏偉1

(1.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林 長春 130033； 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所，吉林 長春 130112)

將玉米秸稈分成葉、髓、外皮三個部位，對三個部位的纖維組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測定分析。結(jié)果表明：玉米秸稈中，各部位的纖維素、半纖維含量相近，葉子和髓的木質(zhì)素含量低，結(jié)構(gòu)疏松，秸稈外皮的木質(zhì)素含量高，結(jié)構(gòu)緊密，衍射峰較高。從纖維組成和結(jié)構(gòu)看，玉米秸稈的葉和髓非常適合飼料化利用。

玉米秸稈；部位；纖維組成；結(jié)構(gòu)；分析

玉米秸稈的成分以纖維素、半纖維素及木質(zhì)素為主[1]，要提高秸稈飼料營養(yǎng)價值，就必須經(jīng)過秸稈的綜合預(yù)處理和有效的加工處理，其營養(yǎng)價值才會有所提高，進(jìn)而提高畜產(chǎn)品的品質(zhì)[2]。楊福有等[3]研究了玉米秸稈的營養(yǎng)含量及其變化規(guī)律，結(jié)果表明，玉米秸稈不同部位營養(yǎng)成分差異顯著。玉米秸稈主要組成成分髓、葉子和外皮具有不同的纖維素、半纖維和木質(zhì)素含量和結(jié)構(gòu)，因而這些不同組分生產(chǎn)飼料的潛力都不同，需要的處理條件也不盡相同，對秸稈進(jìn)行組份分離，可以提高飼料所需原料的能量密度，使兩種原料的質(zhì)量得到優(yōu)化[4]。因此，本研究對玉米秸稈的葉子、莖髓和外皮進(jìn)行分離，分別對這三個部位秸稈的纖維素含量、結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析測定，以期為玉米秸稈進(jìn)一步的飼料化加工利用提供一定參考。

1 材料與方法

1.1秸稈原料

全玉米秸稈(不含根部)產(chǎn)自吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院能源與生態(tài)研究所的試驗基地，風(fēng)干后將全玉米秸稈人工剝離成外皮部(含木質(zhì)部)、髓和葉子3個部分，做好標(biāo)記，分別粉碎過40目網(wǎng)篩得到的粉末，室溫貯藏備用。

1.2測定方法

1.2.1化學(xué)成分測定

纖維素(HC)采用減重法，半纖維(CEL)采用分光光度法，木質(zhì)素(ADL)采用GB/T 20805-2006。

1.2.2掃描電鏡(SEM)分析[5]

將玉米秸稈的髓、葉、外皮進(jìn)行烘干、粉碎、過篩，用掃描電鏡進(jìn)行分析(掃描電壓為10 kV，放大若干倍數(shù))，觀察玉米秸稈各部位內(nèi)部纖維束的微觀結(jié)構(gòu)。

1.2.3X射線衍射光譜(XRD)分析[6]

Cu靶，石墨單色濾光片，狹縫SS/DS1°，RS 0.15，管壓40 kV，電流200 mA，掃描范圍3～40°，掃描速度3°/min，步進(jìn)掃描，步寬0.02°/s。

1.3數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用SPSS 13.0軟件的ANOVA-Duncan 法進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1玉米秸稈不同部位的化學(xué)成分分析

玉米秸稈主要由外皮、葉子、髓三個部位，且具有不同的組織、細(xì)胞形態(tài)和化學(xué)組成[6-9]，秸稈髓在秸稈的內(nèi)部，主要由維管組織嵌入的薄壁細(xì)胞組成，外皮存在于外部[10]。玉米秸稈各部位的化學(xué)組成見表1。

表1 玉米秸稈各部位的化學(xué)組成

注：同列數(shù)據(jù)肩標(biāo)有不同大寫字母表示差異極顯著(Plt;0.01)，肩標(biāo)有不同小寫字母表示差異顯著(Plt;0.05)，肩標(biāo)有相同小寫字母或無字母表示差異不顯著(Pgt;0.05)。

由表1可以看出，玉米秸稈的葉子、外皮、髓的半纖維含量比較接近，玉米秸稈外皮中的纖維素含量最高，極顯著高于葉子(Plt;0.01)，顯著高于髓(Plt;0.05)，葉子、髓中的木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不大，都顯著低于外皮部(Plt;0.01)，分別低了67.12%、61.64%。主要是由于玉米秸稈的葉子、外皮、髓分別具有不同功能造成的。從植物學(xué)的角度分析，由于木質(zhì)素組分有利于加固細(xì)胞壁和增加莖稈抗壓強(qiáng)度的作用，也可以增強(qiáng)植物莖稈的縱向疏導(dǎo)能力，因而在負(fù)責(zé)支撐玉米秸稈的外皮部，木質(zhì)素含量最高[6]。Madibda等、Methu等和Tolera等研究指出，稻稈葉片蛋白含量最高[11-13]，這主要是由于莖稈和葉是籽粒的主要氮源[14]，葉片和莖稈分別有60%和26%的氮源貢獻(xiàn)給籽粒[15]。植物的生長是細(xì)胞分生組織的細(xì)胞分裂和細(xì)胞的生長成熟，同一種秸稈不同部位的細(xì)胞數(shù)目、細(xì)胞排列方式和細(xì)胞壁的形成過程均不同，因此同一秸稈不同部位的組份不同[16]。Harper等[17]研究發(fā)現(xiàn)小麥秸稈的不同部位的組分含量不同，如葉、稈和節(jié)3個部位中，稈部位的纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44.8%，3個部位的半纖維素和木質(zhì)素的含量相近。秸稈的生物結(jié)構(gòu)具有不均一性，即莖、稈、葉、穗、鞘等各占一定比例，而且各部分的化學(xué)成分及纖維形態(tài)差異很大[18]。陳洪章[19]研究指出，玉米秸稈皮和葉的結(jié)構(gòu)緊密，芯則比較疏松，各部位在秸稈中所占的重量比例也不同，而且隨著秸稈直徑的變化而變化；從細(xì)胞組成來看，皮中的雜細(xì)胞含量最少，葉和芯中的雜細(xì)胞分別為60%和70%左右。從本試驗的化學(xué)組成來看，皮中的纖維素含量最高，葉中的半纖維含量最高，木質(zhì)素主要集中在皮中。

2.2電鏡掃描分析

玉米秸稈電鏡掃描圖見圖1～圖6。從圖1～圖6可以看出，與玉米秸稈外皮相比，玉米秸稈葉和髓的纖維束狀結(jié)構(gòu)比較松散。因為植物生長過程中不同部位的糖化率不同，使得不同部位纖維素和半纖維素的含量不同[20]，玉米秸稈的外皮部分細(xì)胞壁木質(zhì)化程度較高[21]，玉米秸葉和髓的木質(zhì)素含量較低。由此可以推斷，纖維束結(jié)構(gòu)的緊密程度和木質(zhì)素含量呈正相關(guān)趨勢。

圖1玉米秸葉電鏡掃描圖(500倍)

圖2 玉米秸葉電鏡掃描圖(1 000倍)

圖3 玉米秸外皮電鏡掃描圖(500倍)

圖4玉米秸外皮電鏡掃描圖(1 000倍)

圖5 玉米秸髓電鏡掃描圖(500倍)

圖6 玉米秸髓電鏡掃描圖(1 000倍)

2.3X射線衍射分析

纖維素是同質(zhì)多晶的大分子化合物，根據(jù)其分子結(jié)構(gòu)排列的是否緊密和規(guī)則，可將纖維素分為結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)，結(jié)晶度就是纖維素集中結(jié)晶區(qū)占纖維素整體的百分比[22]。

玉米秸稈葉XRD圖譜見圖7，玉米秸稈外皮XRD圖譜見圖8，玉米秸稈髓XRD圖譜見圖9。

圖7 玉米秸稈葉XRD圖譜

圖8 玉米秸稈外皮XRD圖譜

圖9 玉米秸稈髓XRD圖譜

從圖7～圖9可以看出，玉米秸稈葉和髓的衍射峰相近，外皮的衍射峰最高，主要因為各部分的組成和結(jié)構(gòu)不同，其中，外皮部的木質(zhì)素含量高，木質(zhì)化程度較高,纖維素分子排列較緊密,形成的纖維素結(jié)晶區(qū)比例也較高,從而使外皮纖維素的結(jié)晶度也得到提高。

3 結(jié)論

在玉米秸稈中，各部位的半纖維的含量相近，外皮部纖維素含量最高，葉子和髓的木質(zhì)素含量較低。電鏡掃描分析結(jié)果表明，葉子和髓的結(jié)構(gòu)較外皮部疏松。X射線衍射分析結(jié)果表明，與髓和葉相比，秸稈外皮部的結(jié)晶度高。因此，從成分和結(jié)構(gòu)看，玉米秸稈的葉和髓非常適合飼料化利用。

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(責(zé)任編輯：梅竹)

Fibrecompositionandstructureofdifferentfractionsofcornstalk

LIU Hai-yan1,LIAN Shi-zhen2,WANG Xiu-fei1,WANG Yan-jing1,OU Wei1,HUANG Xiao1,ZHAO Sheng-nan1,LI Quan1,ZHANG Yong-feng1,LIU Peng1,QI Hong-wei1

(1.Jilin Academy of Agricultural Science， Changchun 130033，China;2.Institute of Special Animal and Plant Sciences of CAAS,Changchun 130112，China)

The composition and structure of different fractions of corn stalk was analyzed.The results showed that the content of cellulose,semi cellulose of fractions from corn stalk were similar,lignin content of leaves and piths were lower than that of stalk rind.The structure of leaves and piths was looser than that of stalk rinds.The diffraction peak of rind was higher than that of leaves and piths.The leaves and piths were suitable for feed utilization in terms of fibre composition and structure of corn stalk.

corn stalk;fractions;fibre composition;structure;analyse

2017-08-31；

2017-10-20

吉林省科技發(fā)展計劃資助項目(20160204013SF)；國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項經(jīng)費(201503134)；吉林省重點科技成果轉(zhuǎn)化項目(20150307022N Y)；吉林省重點科技攻關(guān)項目(20160204015NY)。

劉海燕(1976-)，女，副研究員，研究方向為秸稈飼料化加工利用。

張永鋒(1965-)，男，博士，研究方向為循環(huán)農(nóng)業(yè)。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.11.013

S816.5

A

1003-6202(2017)11-0055-04