不同氨處理對玉米秸稈糖化效果的影響

宋振華,朱瀟靜,姜文廷,胡乾勇,魏琳琳,王 平

(河南農(nóng)業(yè)大學,河南 鄭州 450002)

我國是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國，每年產(chǎn)出大量的農(nóng)作物秸稈，僅玉米秸稈年產(chǎn)量就達2億t[1]。玉米秸稈中粗蛋白含量僅為3%～5%,但纖維素等多糖含量卻很高,可占干重的70%,但大部分家畜難以消化和利用纖維素,一直以來秸稈作為飼料的利用率都很低,世界上70%～75%的玉米被用作飼料,而我國玉米需求總量的78%用作畜禽飼料。隨著畜牧業(yè)的發(fā)展,通過適當?shù)姆椒ㄌ岣呓斩挼娘暳蟽r值、更高效地利用秸稈營養(yǎng)成分的研究會越來越受到人們的重視[2-3]。

為了提高秸稈的生物學價值,國內(nèi)外專家學者對秸稈資源的處理進行了大量的研究,基于秸稈的組成特性,秸稈處理技術有氨化技術、固化技術[4]、液化技術[5]和熱解氣化技術[6-7]等,其中氨化技術技術最為成熟,具有廣闊的應用前景。目前，工廠化的秸稈氨化常用方法主要有3種：尿素氨化、氨水氨化和液氨氨化,氨源物料的用量、氨化溫度和時間、加水量等因素都能影響秸稈的氨化效果[8]。尿素處理法是國內(nèi)和第三世界國家推廣速度最快的一種方法,該方法靈活、操作簡單；碳酸氫銨處理法與尿素處理法基本相同,但氨的利用率較高,成本也較低。氨化處理后秸稈中的含氮量會有所提高,可為后續(xù)微生物發(fā)酵試驗提供氮元素。本研究以提高秸稈還原糖含量為主要目標,氨試劑選用尿素和碳酸氫銨,確定2種氨試劑的最優(yōu)處理條件,并比較尿素和碳酸氫銨處理效果的優(yōu)劣、單一和復合試驗處理效果的優(yōu)劣。該研究對秸稈飼料資源的開發(fā)具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米秸稈樣品取自河南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)場,自然風干,粉碎過50目,保存；氨試劑(碳酸氫銨尿素)市購,分析純；纖維素酶為商品酶,酶活105 FPU/g。

1.2 正交試驗設計

稱取粉碎秸稈10 g,氨試劑選擇尿素和碳酸氫銨。采用四因素四水平正交試驗設計,分別以尿素和碳酸氫銨濃度(5%、10%、15%、20%w/w)、處理溫度(40、60、80、100 ℃)、處理時間(8、10、12、14 h)、液固比(5∶1、7∶1、9∶1、11∶1),進行化學熱處理,每組做3個重復。正交試驗設計見表1。

表1 尿素和碳酸氫銨正交試驗水平

1.3 酶解

取風干秸稈5 g于100 mL錐形瓶中,每組3個重復,加入蒸餾水和0.05 mol/L鹽酸溶液共50 mL調(diào)節(jié)pH值至4.3,加入纖維素酶10.5 FPU/g秸稈,搖勻,放入搖床180 r/min,50 ℃酶解48 h[9]。

1.4 單一和復合處理

在正交試驗的基礎上得出尿素最佳處理條件：溫度100 ℃、時間8 h、液固比7∶1、濃度10%；碳酸氫銨的最佳處理條件：溫度100 ℃、時間14 h、液固比7∶1、濃度20%。為進一步驗證尿素和碳酸氫銨的處理效果,進行尿素和碳酸氫銨最佳條件驗證,并與過氧化氫進行復合處理。試驗分組設計:1組為空白對照；2組為尿素處理；3組為尿素+3%(v/v)H2O2處理；4組為碳酸氫銨處理；5組為碳酸氫銨+3%(v/v)H2O2處理。

1.5 指標測定

1.5.1 還原糖測定 還原糖測定采用DNS法[10]。取酶解后上清液0.5 mL,稀釋至15倍；搖晃均勻后從中吸取1 mL于25 mL試管中,并加入DNS 3 mL,100 ℃水浴加熱15 min,冷卻至室溫后用蒸餾水定容至25 mL,搖勻后測吸光度。

1.5.2 秸稈中含氮量測定 采用凱氏定氮法測定秸稈中的氮含量[11]。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用SPSS 20統(tǒng)計分析軟件對各數(shù)據(jù)進行方差分析和Duncan多重比較,差異顯著性用P<0.05表示,所有結(jié)果均以“平均值±標準差”表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 尿素不同處理條件對還原糖的影響

尿素正交試驗結(jié)果和方差分析結(jié)果分別見表2和表3。由表2的極差R可知,以秸稈中還原糖含量為比較指標,各個因素對還原糖含量影響的主次順序為A>D>C>B,即溫度>濃度>液固比>時間；最優(yōu)處理條件為A4B1C4D2,即溫度100 ℃、時間8 h、液固比11∶1、濃度10%；在此條件組合下秸稈中還原糖含量最高。由表3的方差分析結(jié)果可知,尿素處理下,溫度、時間、液固比和濃度對秸稈還原糖含量的影響均不顯著(P>0.05)。

表2 尿素處理正交分析

表3 方差分析結(jié)果

2.2 碳酸氫銨不同處理條件對還原糖的影響

選取溫度、時間、液固比和濃度作為碳酸氫銨處理變量因素,正交試驗結(jié)果分析和極差R見表4,方差分析表見表5。由表4的極差R值分析可得,以秸稈中還原糖含量為比較指標,各個因素對還原糖含量影響的主次順序為A>D>C>B,即溫度>濃度>液固比>時間。不同因素的最優(yōu)處理條件為A4B4C2D4,即溫度100 ℃、時間14 h、液固比7∶1、濃度20%；此條件組合下秸稈中還原糖含量最高。由表5的方差分析可得,碳酸氫銨處理下,溫度對秸稈還原糖含量影響極顯著(P<0.01)、濃度、時間和液固比對秸稈還原糖含量影響均顯著(P<0.05)。

表4 碳酸氫銨處理正交分析

2.3 單一和復合處理對秸稈還原糖和含氮量的影響

以秸稈中的還原糖含量和氮含量為比較指標,各組的實驗結(jié)果見表6。由表6可知,未處理組玉米秸稈中還原糖含量為7.25%,含氮量為0.82%。與未處理組相比,各處理組還原糖含量和含氮量均顯著增加(P<0.05),還原糖含量相對增加了3.90%～15.18%(P<0.05),含氮量相對增加了0.28%～2.33%(P<0.05),其中碳酸氫銨效果顯著優(yōu)于尿素(P<0.05)。碳酸氫銨單獨處理和碳酸氫銨+過氧化氫復合處理還原糖和含氮量差異不顯著(P>0.05)。

表5 方差分析結(jié)果

表6 不同處理對秸稈中還原糖含量及含氮量影響

注:同列小寫字母不同者差異顯著(P<0.05)；小寫字母相同者差異不顯著(P>0.05)。

3 討論

3.1 尿素處理對秸稈還原糖含量的影響

現(xiàn)階段應用最廣泛的秸稈處理技術有秸稈氨化、秸稈青貯和秸稈微生物降解,其中秸稈氨化可顯著提高秸稈營養(yǎng)價值,而且利用尿素進行秸稈氨化的方法成本低、操作簡單、易推廣[12]。尿素中的氨可與秸稈中纖維素發(fā)生氨解反應,氨解反應能破壞木質(zhì)素與多糖間的酯鍵,同時反芻動物瘤胃微生物利用氨合成蛋白質(zhì),后經(jīng)動物消化道吸收,最終供畜體利用[13]。有效地開發(fā)利用秸稈資源,將是解決我國草食動物優(yōu)質(zhì)飼草資源不足及分布不均這一矛盾的重要途徑[14]。丁雪等報道,玉米秸稈的不同部位(苞葉、葉片和葉鞘等)蛋白質(zhì)營養(yǎng)價值差異顯著,葉片的營養(yǎng)成分在秸稈各部分中均為最高[15],本研究的原料以葉片為主,為較理想的原料。本試驗結(jié)果顯示,在10%尿素以液固比11∶1,100 ℃處理8 h條件下玉米秸稈的酶解效果最佳。不同處理因素的效果表現(xiàn)為：溫度>濃度>液固比>時間,各因素對秸稈還原糖含量影響不顯著。孫憲訊等報道,稻草秸稈過60目篩后經(jīng)14%氨水以液固比9∶1在50 ℃處理35 h,糖化率可達61.42%[16]。何小明等報道,在研究不同處理技術對玉米秸稈飼用價值的影響中,氨化(尿素)處理能顯著改善玉米秸稈的營養(yǎng)價值[17]。

3.2 碳酸氫銨不同處理對秸稈還原糖含量的影響

碳酸氫銨價格低廉且易貯存,受熱快速分解,利用碳酸氫銨加熱產(chǎn)生的氨溶于水,與秸稈發(fā)生氨化反應,不僅能降低氨化成本,而且有利于提高氨化生產(chǎn)的安全性和可靠性[18]。本試驗結(jié)果顯示,20%碳酸氫銨以液固比7∶1,100 ℃處理14 h條件下玉米秸稈酶解效果最佳。不同處理因素中溫度的效果最為顯著,對秸稈中還原糖含量影響極顯著；濃度、時間和液固比對秸稈還原糖含量影響均顯著。任天寶等報道,玉米秸稈經(jīng)碳酸氫銨+蒸汽爆破后,酶解還原糖濃度達到60.04 g/L,有效地提高了秸稈轉(zhuǎn)化率[19]。

3.3 單一和復合處理對秸稈還原糖和含氮量的影響

過氧化氫受熱易分解,其分解產(chǎn)生的活性基團包括羥自由基(OH-)、氧過負離子(HOO-)和超氧陰離子(O2-),能降解和氧化木質(zhì)素、打開纖維素的晶體結(jié)構(gòu)[20],有助于氨解反應的進行,而且具有綠色無殘留的優(yōu)點。本試驗結(jié)果表明,秸稈經(jīng)單一碳酸氫銨處理和碳酸氫銨+過氧化氫復合處理后,酶解還原糖含量分別為216.55 mg/g和224.32 mg/g,兩者差異不顯著。郭佩玉等報道,過氧化氫對秸稈表皮纖維細胞的作用效果甚小[21]。

4 結(jié)論

通過對正交試驗分析得出,10%尿素以液固比11∶1、100 ℃處理8 h條件下玉米秸稈酶解效果最佳；20%碳酸氫銨以液固比7∶1、100 ℃處理14 h條件下玉米秸稈的酶解效果最佳。通過單一和復合試驗得出碳酸氫銨的處理效果優(yōu)于尿素；氨試劑與雙氧水復合處理效果不顯著。綜合評價以碳酸氫銨單獨處理效果較佳。