酸洗、堆漚預處理對水稻秸稈的纖維素降解影響

章紅　黎少杰

摘??要：研究不同預處理方法對提高水稻纖維素的降解作用。通過酸洗、堆漚兩種方式對水稻秸稈進行預處理，根據測定秸稈纖維素、半纖維素、木質素的含量，發現酸洗及堆漚均有很好的效作用。同時，與纖維素與木質素的降解比較，預處理方法對半纖維的降解效果最好。

關鍵詞：酸洗;堆漚;水稻秸稈;纖維素

ABSTRACT：In?order?to?study?the?effect?of?different?pretreatment?methods?on?the?degradation?of?rice?cellulose，acid?pickling?and?stacking?were?selected?to?pretreat?rice?cellulose.?By?determining?the?content of?cellulose，hemicellulose?and?lignin?in?straw，it?was?found?that?pickling?and?composting?had?good?effects.?At?the?same?time，compared?with?cellulose?and?lignin?degradation，pretreatment?has?the?best?degradation?effect?on?hemi-fibers.?After?pickling.

Key?word：acid?pickling;stacking;rice?straw;cellulose

引言

2017年我國水稻種植面積達30747千頃[1]，具有巨大的應用潛力。水稻秸稈主要由植物細胞壁組成，未經處理的天然狀態的木質生物資源的酶解率小于20%[2]，為實現秸稈低成本生物量全利用，需通過有效的預處理和組分分離手段將稻草原料中的纖維素、半纖維素和木質素等分離并分別加工成有價值的產品。常見的是蒸汽爆破法、稀酸處理法、濕氧化法和生物處理法[3]。理想的秸稈組分分離方法應滿足以下幾個條件[4]：（1）有利于提高秸稈水解產糖率，或有利于提高微生物水解酶后糖的產量;（2）減少秸稈水解過程中有機物進一步降解造成碳的流失;（3）避免或減少抑制性物質產生，對之后的水解發酵過程中微生物的活性產生毒害作用;（4）在經濟上切實可行。稀酸將木質纖維素原料中的半纖維素成分部分溶解，可使原料結構疏松?[5]。堆漚處理可使可溶性有機物被微生物吸收，固體和膠體有機物則由微生物胞外酶分解為可溶性物質[6]，具有以下優點[7]：①堆漚預處理時發酵性細菌大量生長繁殖，能富集菌種。②堆漚腐熟后原料可緩解酸化作用，有利于酸化和產甲烷的平衡。③堆漚后，纖維素變松散，擴大纖維素分解菌和纖維素的接觸面積，大大加快纖維素的分解速度，加快沼氣發酵過程的進行。

本次實驗采取酸洗及堆漚對秸稈進行預處理，研究其對水稻秸稈中組分的降解能力。

1?材料與方法

1.1實驗儀器

微型植物粉碎機（天津泰斯特儀器公司）;DELTA320pH計（梅特勒-托列多儀器（上海）有限公司）;SHY-2型恒溫水浴振蕩器;FA2004N電子天平;1810-B型石英自動雙重純水蒸餾器;PHS-3B精密pH計;恒溫振蕩器;2XZ-2型旋片式真空泵、馬弗爐。

1.2?實驗材料

稻草取自合肥郊區農田，分別經機械破碎至60目，實驗前于干燥箱105?℃下烘干至恒重備用。

實驗中污泥取自安徽省合肥市王小郢污水處理廠的回流井。實驗前室溫下靜置24?h，污泥總固體（TS）為12.32?g·L?-?1、揮發性固體（VS）為10.96?g·L?-1。

1.3實驗方法

本研究根據實驗室的條件和參考唐锘酸洗預處理方法[8]，試驗方法如下：

先將秸稈粉碎，過60目篩，用0.7%硫酸按固液比為1：12（g/mL）浸泡1h后，自來水反復沖洗直至pH值接近7，于105℃烘干至恒重備用。

取一定量來自合肥郊區農田的秸稈，剪成2-3?cm，加入100?mL污泥、6L自來水，堆浸10d后，于105℃烘干后粉碎過60目篩，測定其纖維素、半纖維素及木質素含量。

1.4?測試項目與方法

實驗中間歇用pH計測定pH值，對預處理前后的稻草測定其纖維素、半纖維素和木質素含量。纖維素、半纖維素、木質素的測定方法參照王玉萬的《木質纖維素固體基質發酵物中半纖維素、纖維素和木質素的定量分析程序》[9]。首先用2M鹽酸水解法水解半纖維素，用地衣酚比色法進行定糖測定半纖維素含量[10]，乘上換算系數0.9則為半纖維素的量。測定纖維素時，用72%硫酸法水解2M鹽酸水解后剩下的稀酸不溶性殘渣，之后用蒽酮試劑定糖[5]，乘上換算系數0.9則為纖維素的量。所剩殘渣經馬弗爐灰化后差重即為木質素含量。具體步驟如圖2-1所示。

（1）試劑

2M鹽酸溶液：167mL濃鹽酸（比重1.19）用蒸餾水稀釋直1000mL。

72%硫酸溶液：665mLH2SO4（比重1.84）加入300mL水中，冷卻至20℃，補加水定溶至1000mL。

地衣酚試劑：0.1gFeCl3溶于100mL37%的濃硫酸中，再加入0.2g地衣酚，臨用現配。

蒽酮試劑：0.2g蒽酮溶于100?mL濃硫酸（分析純，比重1.84）中，臨用現配。

（2）標準曲線的繪制

葡萄糖（纖維素）標準曲線繪制：取6支試管，加入不同濃度的葡萄糖標準溶液，然后加入蒽酮試劑4?mL，迅速浸入冰水浴中冷卻，再一起浸入沸水浴中，從水重新沸騰時開始計時10?min，然后取出，流水冷卻后用1?cm?比色皿，在波長620?nm范圍測定吸光度。

戊糖（半纖維素）標準曲線繪制：取6支試管，加入不同濃度的戊糖標準溶液，然后加入地衣酚試劑4?mL，混勻后，蓋上蓋，在沸水中加熱20?min，冷卻后用1?cm?比色皿，在波長660?nm范圍測定吸光度。

2結果與分析

2.1酸洗處理實驗結果

經過酸洗預處理后，測得酸洗后稻草中纖維素、半纖維素、木質素含量如表2-1。未經過酸洗的稻草秸稈中纖維素、半纖維素、木質素的含量（質量分數）分別為34.06%，24.23%和11.57%，而經過稀酸預處理后，各組分的降解效果較好，纖維素、半纖維素和木質素的含量分別為27.1%、11.75%、9.81%。

酸洗后，秸稈的各組分得到很好的降解，尤其是半纖維素。纖維素、半纖維素和木質素的含量分別下降了6.96%、12.48%和1.76%。纖維素、半纖維素和木質素的降解率分別為20.4%、51.5%、15.2%，半纖維素的降解率最高，其次是纖維素和木質素。說明稀酸對稻草秸稈的預處理能夠有效的降解半纖維的含量。因為木質素是秸稈組織最外面一層組織，也是最難以被微生物破壞和降解的，但在稀硫酸的作用下，半纖維素與木質素間的共價鍵、纖維素的結晶結構遭到破壞，消除了木質與纖維素的聯結，糖苷鍵、酯鍵等發生水解，導致秸稈纖維的網狀結構疏松，在酸水解進行的過程中，纖維素和半纖維素的損失也會增加，造成大量生物量流失。預處理可以促進后來的厭氧發酵實驗，能較快啟動實驗。

2.2堆漚處理實驗結果

經過堆漚處理前后的稻草中纖維素、半纖維素、木質素含量如表2-1。經過堆漚預處理對稻草中各組分的降解效果較好，纖維素、半纖維素和木質素的含量分別為28.76%、17.13%、9.74%。堆漚后，秸稈的各組分得到不同程度的降解，其中纖維素、半纖維素和木質素的含量分別下降了5.3%、7.1%和1.83%.其纖維素、半纖維素和木質素的降解率分別達到15.56%、29.30%、15.82%。預處理對半纖維素的降解效果最好，而對纖維素的破壞較小。可以得出結論：堆漚處理能有效地降低木質素和半纖維素對纖維素的包裹作用，釋放出纖維素，以促進后續的厭氧發酵產氣。

2.3實驗分析

從兩種預處理后的稻草秸稈的纖維素、半纖維素和木質素含量的降解來看，發現酸洗處理比堆漚處理節約時間，但是不利于后續的厭氧生物發酵。因為堆漚處理時，發酵性細菌大量生長繁殖，能富集菌種，能夠快速啟動發酵。

3?結論與討論

（1）從預處理后稻草秸稈的木質纖維素含量及其降解率可以看出，酸洗及堆漚均能有效降解纖維素、半纖維素和木質素，以提高其生物降解性能。

（2）與纖維素與木質素的降解比較，預處理方法對半纖維的降解效果最好，酸洗后稻草半纖維的降解率超過50%，堆漚后的達到29.3%。相比于酸洗預處理，堆漚處理設備簡單，操作方便，大大較低了秸稈厭氧發酵預處理成本，可應用性強。

參考文獻

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[10]??波欽諾克（邢家海，丁鐘榮譯）.?植物生物化學分析方法[M].?科學出版社，1981.

作者簡介：章紅（1984-），安徽池州人，環保工程師，碩士研究生，研究方向：環境化學。