不同氨处理对玉米秸秆糖化效果的影响

宋振华,朱潇静,姜文廷,胡乾勇,魏琳琳,王 平

(河南农业大学,河南 郑州 450002)

我国是传统农业大国，每年产出大量的农作物秸秆，仅玉米秸秆年产量就达2亿t[1]。玉米秸秆中粗蛋白含量仅为3%～5%,但纤维素等多糖含量却很高,可占干重的70%,但大部分家畜难以消化和利用纤维素,一直以来秸秆作为饲料的利用率都很低,世界上70%～75%的玉米被用作饲料,而我国玉米需求总量的78%用作畜禽饲料。随着畜牧业的发展,通过适当的方法提高秸秆的饲料价值、更高效地利用秸秆营养成分的研究会越来越受到人们的重视[2-3]。

为了提高秸秆的生物学价值,国内外专家学者对秸秆资源的处理进行了大量的研究,基于秸秆的组成特性,秸秆处理技术有氨化技术、固化技术[4]、液化技术[5]和热解气化技术[6-7]等,其中氨化技术技术最为成熟,具有广阔的应用前景。目前，工厂化的秸秆氨化常用方法主要有3种：尿素氨化、氨水氨化和液氨氨化,氨源物料的用量、氨化温度和时间、加水量等因素都能影响秸秆的氨化效果[8]。尿素处理法是国内和第三世界国家推广速度最快的一种方法,该方法灵活、操作简单；碳酸氢铵处理法与尿素处理法基本相同,但氨的利用率较高,成本也较低。氨化处理后秸秆中的含氮量会有所提高,可为后续微生物发酵试验提供氮元素。本研究以提高秸秆还原糖含量为主要目标,氨试剂选用尿素和碳酸氢铵,确定2种氨试剂的最优处理条件,并比较尿素和碳酸氢铵处理效果的优劣、单一和复合试验处理效果的优劣。该研究对秸秆饲料资源的开发具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米秸秆样品取自河南农业大学农场,自然风干,粉碎过50目,保存；氨试剂(碳酸氢铵尿素)市购,分析纯；纤维素酶为商品酶,酶活105 FPU/g。

1.2 正交试验设计

称取粉碎秸秆10 g,氨试剂选择尿素和碳酸氢铵。采用四因素四水平正交试验设计,分别以尿素和碳酸氢铵浓度(5%、10%、15%、20%w/w)、处理温度(40、60、80、100 ℃)、处理时间(8、10、12、14 h)、液固比(5∶1、7∶1、9∶1、11∶1),进行化学热处理,每组做3个重复。正交试验设计见表1。

表1 尿素和碳酸氢铵正交试验水平

1.3 酶解

取风干秸秆5 g于100 mL锥形瓶中,每组3个重复,加入蒸馏水和0.05 mol/L盐酸溶液共50 mL调节pH值至4.3,加入纤维素酶10.5 FPU/g秸秆,摇匀,放入摇床180 r/min,50 ℃酶解48 h[9]。

1.4 单一和复合处理

在正交试验的基础上得出尿素最佳处理条件：温度100 ℃、时间8 h、液固比7∶1、浓度10%；碳酸氢铵的最佳处理条件：温度100 ℃、时间14 h、液固比7∶1、浓度20%。为进一步验证尿素和碳酸氢铵的处理效果,进行尿素和碳酸氢铵最佳条件验证,并与过氧化氢进行复合处理。试验分组设计:1组为空白对照；2组为尿素处理；3组为尿素+3%(v/v)H2O2处理；4组为碳酸氢铵处理；5组为碳酸氢铵+3%(v/v)H2O2处理。

1.5 指标测定

1.5.1 还原糖测定 还原糖测定采用DNS法[10]。取酶解后上清液0.5 mL,稀释至15倍；摇晃均匀后从中吸取1 mL于25 mL试管中,并加入DNS 3 mL,100 ℃水浴加热15 min,冷却至室温后用蒸馏水定容至25 mL,摇匀后测吸光度。

1.5.2 秸秆中含氮量测定 采用凯氏定氮法测定秸秆中的氮含量[11]。

1.6 数据统计与分析

采用SPSS 20统计分析软件对各数据进行方差分析和Duncan多重比较,差异显著性用P<0.05表示,所有结果均以“平均值±标准差”表示。

2 结果与分析

2.1 尿素不同处理条件对还原糖的影响

尿素正交试验结果和方差分析结果分别见表2和表3。由表2的极差R可知,以秸秆中还原糖含量为比较指标,各个因素对还原糖含量影响的主次顺序为A>D>C>B,即温度>浓度>液固比>时间；最优处理条件为A4B1C4D2,即温度100 ℃、时间8 h、液固比11∶1、浓度10%；在此条件组合下秸秆中还原糖含量最高。由表3的方差分析结果可知,尿素处理下,温度、时间、液固比和浓度对秸秆还原糖含量的影响均不显著(P>0.05)。

表2 尿素处理正交分析

表3 方差分析结果

2.2 碳酸氢铵不同处理条件对还原糖的影响

选取温度、时间、液固比和浓度作为碳酸氢铵处理变量因素,正交试验结果分析和极差R见表4,方差分析表见表5。由表4的极差R值分析可得,以秸秆中还原糖含量为比较指标,各个因素对还原糖含量影响的主次顺序为A>D>C>B,即温度>浓度>液固比>时间。不同因素的最优处理条件为A4B4C2D4,即温度100 ℃、时间14 h、液固比7∶1、浓度20%；此条件组合下秸秆中还原糖含量最高。由表5的方差分析可得,碳酸氢铵处理下,温度对秸秆还原糖含量影响极显著(P<0.01)、浓度、时间和液固比对秸秆还原糖含量影响均显著(P<0.05)。

表4 碳酸氢铵处理正交分析

2.3 单一和复合处理对秸秆还原糖和含氮量的影响

以秸秆中的还原糖含量和氮含量为比较指标,各组的实验结果见表6。由表6可知,未处理组玉米秸秆中还原糖含量为7.25%,含氮量为0.82%。与未处理组相比,各处理组还原糖含量和含氮量均显著增加(P<0.05),还原糖含量相对增加了3.90%～15.18%(P<0.05),含氮量相对增加了0.28%～2.33%(P<0.05),其中碳酸氢铵效果显著优于尿素(P<0.05)。碳酸氢铵单独处理和碳酸氢铵+过氧化氢复合处理还原糖和含氮量差异不显著(P>0.05)。

表5 方差分析结果

表6 不同处理对秸秆中还原糖含量及含氮量影响

注:同列小写字母不同者差异显著(P<0.05)；小写字母相同者差异不显著(P>0.05)。

3 讨论

3.1 尿素处理对秸秆还原糖含量的影响

现阶段应用最广泛的秸秆处理技术有秸秆氨化、秸秆青贮和秸秆微生物降解,其中秸秆氨化可显著提高秸秆营养价值,而且利用尿素进行秸秆氨化的方法成本低、操作简单、易推广[12]。尿素中的氨可与秸秆中纤维素发生氨解反应,氨解反应能破坏木质素与多糖间的酯键,同时反刍动物瘤胃微生物利用氨合成蛋白质,后经动物消化道吸收,最终供畜体利用[13]。有效地开发利用秸秆资源,将是解决我国草食动物优质饲草资源不足及分布不均这一矛盾的重要途径[14]。丁雪等报道,玉米秸秆的不同部位(苞叶、叶片和叶鞘等)蛋白质营养价值差异显著,叶片的营养成分在秸秆各部分中均为最高[15],本研究的原料以叶片为主,为较理想的原料。本试验结果显示,在10%尿素以液固比11∶1,100 ℃处理8 h条件下玉米秸秆的酶解效果最佳。不同处理因素的效果表现为：温度>浓度>液固比>时间,各因素对秸秆还原糖含量影响不显著。孙宪讯等报道,稻草秸秆过60目筛后经14%氨水以液固比9∶1在50 ℃处理35 h,糖化率可达61.42%[16]。何小明等报道,在研究不同处理技术对玉米秸秆饲用价值的影响中,氨化(尿素)处理能显著改善玉米秸秆的营养价值[17]。

3.2 碳酸氢铵不同处理对秸秆还原糖含量的影响

碳酸氢铵价格低廉且易贮存,受热快速分解,利用碳酸氢铵加热产生的氨溶于水,与秸秆发生氨化反应,不仅能降低氨化成本,而且有利于提高氨化生产的安全性和可靠性[18]。本试验结果显示,20%碳酸氢铵以液固比7∶1,100 ℃处理14 h条件下玉米秸秆酶解效果最佳。不同处理因素中温度的效果最为显著,对秸秆中还原糖含量影响极显著；浓度、时间和液固比对秸秆还原糖含量影响均显著。任天宝等报道,玉米秸秆经碳酸氢铵+蒸汽爆破后,酶解还原糖浓度达到60.04 g/L,有效地提高了秸秆转化率[19]。

3.3 单一和复合处理对秸秆还原糖和含氮量的影响

过氧化氢受热易分解,其分解产生的活性基团包括羟自由基(OH-)、氧过负离子(HOO-)和超氧阴离子(O2-),能降解和氧化木质素、打开纤维素的晶体结构[20],有助于氨解反应的进行,而且具有绿色无残留的优点。本试验结果表明,秸秆经单一碳酸氢铵处理和碳酸氢铵+过氧化氢复合处理后,酶解还原糖含量分别为216.55 mg/g和224.32 mg/g,两者差异不显著。郭佩玉等报道,过氧化氢对秸秆表皮纤维细胞的作用效果甚小[21]。

4 结论

通过对正交试验分析得出,10%尿素以液固比11∶1、100 ℃处理8 h条件下玉米秸秆酶解效果最佳；20%碳酸氢铵以液固比7∶1、100 ℃处理14 h条件下玉米秸秆的酶解效果最佳。通过单一和复合试验得出碳酸氢铵的处理效果优于尿素；氨试剂与双氧水复合处理效果不显著。综合评价以碳酸氢铵单独处理效果较佳。