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

(河南農業大學,河南 鄭州 450002)

我國是傳統農業大國，每年產出大量的農作物秸稈，僅玉米秸稈年產量就達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。隨著畜牧業的發展,通過適當的方法提高秸稈的飼料價值、更高效地利用秸稈營養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,可為后續微生物發酵試驗提供氮元素。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種氨試劑的最優處理條件,并比較尿素和碳酸氫銨處理效果的優劣、單一和復合試驗處理效果的優劣。該研究對秸稈飼料資源的開發具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米秸稈樣品取自河南農業大學農場,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調節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 數據統計與分析

采用SPSS 20統計分析軟件對各數據進行方差分析和Duncan多重比較,差異顯著性用P<0.05表示,所有結果均以“平均值±標準差”表示。

2 結果與分析

2.1 尿素不同處理條件對還原糖的影響

尿素正交試驗結果和方差分析結果分別見表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生氨解反應,氨解反應能破壞木質素與多糖間的酯鍵,同時反芻動物瘤胃微生物利用氨合成蛋白質,后經動物消化道吸收,最終供畜體利用[13]。有效地開發利用秸稈資源,將是解決我國草食動物優質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)蛋白質營養價值差異顯著,葉片的營養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生的氨溶于水,與秸稈發生氨化反應,不僅能降低氨化成本,而且有利于提高氨化生產的安全性和可靠性[18]。本試驗結果顯示,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-),能降解和氧化木質素、打開纖維素的晶體結構[20],有助于氨解反應的進行,而且具有綠色無殘留的優點。本試驗結果表明,秸稈經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。