玉米秸秆不同部位纤维组成和结构的研究

刘海燕，廉士珍，王秀飞，王彦靖，欧 巍，黄 枭，赵胜楠，李 权，张永锋，刘 鹏，祁宏伟

(1.吉林省农业科学院，吉林 长春 130033； 2.中国农业科学院特产研究所，吉林 长春 130112)

玉米秸秆不同部位纤维组成和结构的研究

刘海燕1，廉士珍2，王秀飞1，王彦靖1，欧 巍1，黄 枭1，赵胜楠1，李 权1，张永锋1，刘 鹏1，祁宏伟1

(1.吉林省农业科学院，吉林 长春 130033； 2.中国农业科学院特产研究所，吉林 长春 130112)

将玉米秸秆分成叶、髓、外皮三个部位，对三个部位的纤维组成和结构进行了测定分析。结果表明：玉米秸秆中，各部位的纤维素、半纤维含量相近，叶子和髓的木质素含量低，结构疏松，秸秆外皮的木质素含量高，结构紧密，衍射峰较高。从纤维组成和结构看，玉米秸秆的叶和髓非常适合饲料化利用。

玉米秸秆；部位；纤维组成；结构；分析

玉米秸秆的成分以纤维素、半纤维素及木质素为主[1]，要提高秸秆饲料营养价值，就必须经过秸秆的综合预处理和有效的加工处理，其营养价值才会有所提高，进而提高畜产品的品质[2]。杨福有等[3]研究了玉米秸秆的营养含量及其变化规律，结果表明，玉米秸秆不同部位营养成分差异显著。玉米秸秆主要组成成分髓、叶子和外皮具有不同的纤维素、半纤维和木质素含量和结构，因而这些不同组分生产饲料的潜力都不同，需要的处理条件也不尽相同，对秸秆进行组份分离，可以提高饲料所需原料的能量密度，使两种原料的质量得到优化[4]。因此，本研究对玉米秸秆的叶子、茎髓和外皮进行分离，分别对这三个部位秸秆的纤维素含量、结构进行分析测定，以期为玉米秸秆进一步的饲料化加工利用提供一定参考。

1 材料与方法

1.1秸秆原料

全玉米秸秆(不含根部)产自吉林省农业科学院能源与生态研究所的试验基地，风干后将全玉米秸秆人工剥离成外皮部(含木质部)、髓和叶子3个部分，做好标记，分别粉碎过40目网筛得到的粉末，室温贮藏备用。

1.2测定方法

1.2.1化学成分测定

纤维素(HC)采用减重法，半纤维(CEL)采用分光光度法，木质素(ADL)采用GB/T 20805-2006。

1.2.2扫描电镜(SEM)分析[5]

将玉米秸秆的髓、叶、外皮进行烘干、粉碎、过筛，用扫描电镜进行分析(扫描电压为10 kV，放大若干倍数)，观察玉米秸秆各部位内部纤维束的微观结构。

1.2.3X射线衍射光谱(XRD)分析[6]

Cu靶，石墨单色滤光片，狭缝SS/DS1°，RS 0.15，管压40 kV，电流200 mA，扫描范围3～40°，扫描速度3°/min，步进扫描，步宽0.02°/s。

1.3数据处理

试验数据用SPSS 13.0软件的ANOVA-Duncan 法进行方差分析。

2 结果与分析

2.1玉米秸秆不同部位的化学成分分析

玉米秸秆主要由外皮、叶子、髓三个部位，且具有不同的组织、细胞形态和化学组成[6-9]，秸秆髓在秸秆的内部，主要由维管组织嵌入的薄壁细胞组成，外皮存在于外部[10]。玉米秸秆各部位的化学组成见表1。

表1 玉米秸秆各部位的化学组成

注：同列数据肩标有不同大写字母表示差异极显著(Plt;0.01)，肩标有不同小写字母表示差异显著(Plt;0.05)，肩标有相同小写字母或无字母表示差异不显著(Pgt;0.05)。

由表1可以看出，玉米秸秆的叶子、外皮、髓的半纤维含量比较接近，玉米秸秆外皮中的纤维素含量最高，极显著高于叶子(Plt;0.01)，显著高于髓(Plt;0.05)，叶子、髓中的木质素质量分数差异不大，都显著低于外皮部(Plt;0.01)，分别低了67.12%、61.64%。主要是由于玉米秸秆的叶子、外皮、髓分别具有不同功能造成的。从植物学的角度分析，由于木质素组分有利于加固细胞壁和增加茎秆抗压强度的作用，也可以增强植物茎秆的纵向疏导能力，因而在负责支撑玉米秸秆的外皮部，木质素含量最高[6]。Madibda等、Methu等和Tolera等研究指出，稻秆叶片蛋白含量最高[11-13]，这主要是由于茎秆和叶是籽粒的主要氮源[14]，叶片和茎秆分别有60%和26%的氮源贡献给籽粒[15]。植物的生长是细胞分生组织的细胞分裂和细胞的生长成熟，同一种秸秆不同部位的细胞数目、细胞排列方式和细胞壁的形成过程均不同，因此同一秸秆不同部位的组份不同[16]。Harper等[17]研究发现小麦秸秆的不同部位的组分含量不同，如叶、秆和节3个部位中，秆部位的纤维素质量分数最高，质量分数为44.8%，3个部位的半纤维素和木质素的含量相近。秸秆的生物结构具有不均一性，即茎、秆、叶、穗、鞘等各占一定比例，而且各部分的化学成分及纤维形态差异很大[18]。陈洪章[19]研究指出，玉米秸秆皮和叶的结构紧密，芯则比较疏松，各部位在秸秆中所占的重量比例也不同，而且随着秸秆直径的变化而变化；从细胞组成来看，皮中的杂细胞含量最少，叶和芯中的杂细胞分别为60%和70%左右。从本试验的化学组成来看，皮中的纤维素含量最高，叶中的半纤维含量最高，木质素主要集中在皮中。

2.2电镜扫描分析

玉米秸秆电镜扫描图见图1～图6。从图1～图6可以看出，与玉米秸秆外皮相比，玉米秸秆叶和髓的纤维束状结构比较松散。因为植物生长过程中不同部位的糖化率不同，使得不同部位纤维素和半纤维素的含量不同[20]，玉米秸秆的外皮部分细胞壁木质化程度较高[21]，玉米秸叶和髓的木质素含量较低。由此可以推断，纤维束结构的紧密程度和木质素含量呈正相关趋势。

图1玉米秸叶电镜扫描图(500倍)

图2 玉米秸叶电镜扫描图(1 000倍)

图3 玉米秸外皮电镜扫描图(500倍)

图4玉米秸外皮电镜扫描图(1 000倍)

图5 玉米秸髓电镜扫描图(500倍)

图6 玉米秸髓电镜扫描图(1 000倍)

2.3X射线衍射分析

纤维素是同质多晶的大分子化合物，根据其分子结构排列的是否紧密和规则，可将纤维素分为结晶区和无定形区，结晶度就是纤维素集中结晶区占纤维素整体的百分比[22]。

玉米秸秆叶XRD图谱见图7，玉米秸秆外皮XRD图谱见图8，玉米秸秆髓XRD图谱见图9。

图7 玉米秸秆叶XRD图谱

图8 玉米秸秆外皮XRD图谱

图9 玉米秸秆髓XRD图谱

从图7～图9可以看出，玉米秸秆叶和髓的衍射峰相近，外皮的衍射峰最高，主要因为各部分的组成和结构不同，其中，外皮部的木质素含量高，木质化程度较高,纤维素分子排列较紧密,形成的纤维素结晶区比例也较高,从而使外皮纤维素的结晶度也得到提高。

3 结论

在玉米秸秆中，各部位的半纤维的含量相近，外皮部纤维素含量最高，叶子和髓的木质素含量较低。电镜扫描分析结果表明，叶子和髓的结构较外皮部疏松。X射线衍射分析结果表明，与髓和叶相比，秸秆外皮部的结晶度高。因此，从成分和结构看，玉米秸秆的叶和髓非常适合饲料化利用。

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(责任编辑：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

吉林省科技发展计划资助项目(20160204013SF)；国家公益性行业(农业)科研专项经费(201503134)；吉林省重点科技成果转化项目(20150307022N Y)；吉林省重点科技攻关项目(20160204015NY)。

刘海燕(1976-)，女，副研究员，研究方向为秸秆饲料化加工利用。

张永锋(1965-)，男，博士，研究方向为循环农业。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.11.013

S816.5

A

1003-6202(2017)11-0055-04