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秸秆资源预处理研究进展
日期:2012-06-13 作者:常娟 卢敏 尹清强 郑秋红 郭红伟 樊春光 来源:《中国农学通报》.-2012,(11).-1-8 点击:
 

0  引言

    随着经济和社会的发展,人类社会对能源的需求越来越多,能源及能量饲料的短缺是世界各国面临的一个重大问题。中国是世界上秸秆产量最多的国家,合理地利用秸秆资源能够实现可再生资源的利用,缓解能源危机,保护环境,实现农业和经济的可持续发展,是国家发展的一项重要任务。然而,植物细胞壁的复杂结构限制了其在畜牧业生产中的应用,物理处理是秸秆资源利用的基本方法,酸碱等化学处理是畜牧业生产中常用的预处理方法,蒸汽爆破预处理可以提高动物对谷物秸秆的消化率。生物处理是一种安全,环境友好的有效预处理方法。因此,采用适当的预处理方法在秸秆资源的利用过程中发挥重要作用。笔者分析了秸秆资源的现状及营养特性,并探讨了国内外秸秆资源的预处理方法,为秸秆资源的开发利用及节粮型畜牧业的发展提供参考。

l  秸秆资源现状

    木质纤维素类生物资源是世界上最多的可再生资源,全世界每年的产量估计为1×1010t,其中秸秆占可利用生物质产量的70%左右。在中国,农作物秸秆的年产量为8.42×108t,而且以1.3%的速度递增,在农作物秸秆中玉米秸秆所占的比例最大,为24%,目前国内秸秆总量中,直接用作生活燃料的约占20%,用作肥料还田的约占总量的15%,用作饲料的约占15%,用作工业原料的约占2%,其余被废弃或直接燃烧的约占33%,这造成了极大的资源浪费和环境污染。国内外的专家学者对秸秆资源经济有效的利用方法进行了大量的研究,但目前为止,国内对秸秆资源在饲料中应用的系统研究相对较少。

2  秸秆的生物质特性及营养组成

2.1  秸秆的生物质特性

    木质纤维素由纤维素、半纤维素和木质素三大类主要的聚合物构成。纤维素是构成细胞壁的材料,由D-葡萄糖以β-l,4糖苷键组成,纤维素分子平行排列组成小束,这些纤维束是独立的,通过较弱的氢腱结合在一起,几十个纤维束组成小纤维,最后由许多小纤维构成植物纤维素。一般条件下,纤维素不易溶于水、有机溶剂、碱以及稀无机酸溶液中,仅在不加热的条件下用浓无机酸处理,或者在高温高压条件下,用稀无机酸处理,纤维素才被分解为单糖。

    半纤维素是一类复杂的碳水化合物组成的结构,草类和秸秆中的主要半纤维素是木聚糖,木材中的主要半纤维素是葡甘露聚糖。在细胞壁中半纤维素位于许多纤维素和木质素之间,组成纤维素、半纤维素和木质素的紧密结构。半纤维素在酸性和碱性环境中最容易被提取出来,而葡甘露聚糖在酸性环境下几乎不能被提取出来,必须在强碱的作用下才能分离。在木质纤维素的所有结构中,半纤维素是对热化学因素最敏感的成分。

    木质素在植物细胞壁中的含量仅次于纤维素和半纤维素,是一类由苯丙烷结构单元组成的无定型的复杂复合物,木质素在植物细胞壁中起到结构支撑,保持细胞壁的不通透性,抵抗微生物攻击和抗氧化等作用,所有这些特性,使木质素成为植物细胞壁中最难降解的成分。木质素和半纤维素形成牢固结合层,紧紧地包围着纤维素,阻碍酶和其他物质与纤维素的接触。因此,在木质纤维素的预处理过程中,木质素的去除是非常重要的。

2.2  秸秆的营养组成

    秸秆是脱粒后成熟植株的残余物。当植物成熟时,在茎和叶中只剩有少量的蛋白质、脂肪、类脂肪和易消化的碳水化合物,家畜营养所必须的各种矿物质的含量显著减少。维生素,特别是胡萝卜素几乎全部被破坏了。未经处理的秸秆适口性较差,体积较大,且动物的利用率较低。秸秆的化学成分主要是纤维性物质,以干物质计,中性洗涤纤维(ND)约为70%80%,酸性洗涤纤维(ADF)约为50%60%,粗蛋白含量约为3%6%。不同木质纤维素原料的成分见表1略。

3  秸秆资源的预处理研究进展

    秸秆预处理总的目的是提高秸秆的消化率,使其在水解过程中能够释放出较多的糖类物质。目前,许多的秸秆预处理方法已经被研究和应用,秸秆预处理过程要求能够有效地提高秸秆的消化率并且产生较少的抑制因子。秸秆的处理方法有物理处理、化学处理、物理化学综合处理和生物处理法,在实际生产中通常采用不同方法的组合来达到最大的糖释放量、最低的毒素产量和能量消耗。

3.1  物理处理

    物理处理能够降低秸秆的尺寸,提高秸秆的可接触面积,降低秸秆纤维素的晶度和聚合度,提高后处理过程的效率。物理预处理方法包括机械粉碎处理、热处理、微波处理等。

    机械粉碎是降低秸秆尺寸的最基本的预处理步骤,能够有效地提高后续处理的效率,粉碎处理通常是切断、粉碎和磨碎等综合处理,处理后的最终尺寸不尽相同。秸秆的水分含量、成分以及最终粉碎的尺寸均影响能量的需要和后续的处理效率,原料的水分含量越高,粉碎的尺寸越小,需要消耗的能值越高。各种不同的粉碎处理过程均可以提高木质纤维素的水解效率。Koullas等报道,粉碎后的秸秆经酶的水解处理,最大的糖化率为61.10%,显著高于未处理秸秆组。不同木质纤维素类原料粉碎不同尺寸所需的能耗见表2略。这种预处理的成本相对较高,考虑到粉碎处理的能量需要和不断上升的能量成本,单一的这种处理方法在经济上是不可行的。

    热处理是秸秆预处理的常用方法。热处理的温度超过150180,秸秆中的物质开始溶解,半纤维素首先释放出来,接着部分木质素也开始溶解。在热处理过程中,部分纤维素水解会形成酸,这些酸的形成进一步促进了半纤维素的水解。Brownell等报道,超过250的高温热处理会引起木质纤维素的高温分解,从而产生醛、酚类等抑制因子,影响微生物的后续发酵。

    微波作为一种方便、高效和清洁的能源,不同于传统的热处理方法,对于某些化学反应可以大幅提高反应速度,已广泛地用于有机合成、化学催化及高分子聚合等反应过程。运用微波对植物纤维原料进行预处理可降解木质素和半纤维素,改变植物纤维原料超分子结构,使纤维素结晶区尺寸发生变化,提高植物纤维素的酶水解效率。Azuma等的研究表明,微波处理在木质纤维素的预处理中发挥要的作用。邓华等利用原子力显微镜(AFM)对微波处理前后秸秆纤维表面的变化进行了研究,结果表明,未经微波处理的秸秆纤维表面比较光滑,经微波处理的秸秆纤维表面比较粗糙,并出现许多细小孔洞,微波辐射处理前后秸秆纤维的表面形态差异较大,微波作用未引起秸秆纤维化学结构的变化。

3.2  化学处理

    秸秆的化学预处理包括酸处理、碱处理以及H2O2SO2等氧化剂的处理。在所有这些方法中稀H2SO4预处理是最广泛应用的方法。根据化学预处理方法的不同,有不同的处理效果,氧化剂和Ca(OH)2NaOH等碱的处理能够有效地去除秸秆中的木质素,稀酸的预处理能够有效地促进半纤维素转化为糖类等物质。

3.2.1  酸处理  酸处理的主要目的是转化半纤维素,使纤维素更易被酶解。酸处理有稀酸处理和浓酸处理2种。浓酸处理可以在室温下进行,可以得到较高的糖产量,但是浓缩处理过程产生抑制因子,影响后续反应,加上样品中较高浓度的酸和设备腐蚀等问题,极大地限制了其在实际生产中的应用。稀酸预处理中0.5%1%H2SO4处理研究较多,另外,关于盐酸、硝酸、硫酸也有相关的报道。处理过程一般采用高温短期处理(180),或较低温度(120)长时间处理(3090min)。稀酸处理的优势是使一些木糖类等主要的半纤维素溶解,并且转化为可溶性的糖类。然而,在稀酸水解过程中,半纤维素在较低的温度下可以发生解聚,如果温度升高或反应时间增加,反应生成的单糖就被进一步水解生成其他复合物,稀酸的高温处理,通常会产生一些糠醛、酮和酚类等降解产物,抑制后续发酵过程中微生物的生长。因此,在稀酸的水解过程中最重要的是提高水解的效率,尽量避免单糖的水解,并减少抑制因子的生成。

    秸秆的稀酸水解通常是在相对温和的条件下进行,用5%10%H2SO480100处理秸秆,发现在10010%H2SO4处理240min,达到最高的糖产量,用不同的反应时间和H2SO4浓度水解秸秆,发现秸秆在1211%H2SO4处理1030min,戊聚糖达到最高的产量。Kootstra等研究了有机酸对秸秆的水解,结果表明,顺丁烯二酸和硫酸在水解后酶的消化方面效果相当,并且产生了较多的戊聚糖和较少的糠醛。

3.2.2  碱处理  用于处理秸秆的碱包括氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾和氨水等,氢氧化钠是所有碱处理试剂中研究最多的。碱处理利用较低的温度和压力,是玉米秸秆预处理的最合适的方法。氢氧化钠处理方法有湿法和干法2种。传统的湿法是指以1.5%NaOH溶液将秸秆在室温下浸泡1012h,多余的碱用水冲掉。这种处理可以提高秸秆的有机物消化率,但会造成水的浪费和环境的污染,干法处理是用l.5%NaOH溶液直接喷洒在秸秆上,进行堆肥处理。Cheng等的研究表明,用碱处理当温度达到100秸秆中大约60%70%的木质素被溶解。氢氧化钠能够引起秸秆的膨胀,增加纤维素的表面积,使秸秆的木质素结构受到破坏。Sun等研究了不同碱处理玉米秸秆的效果,表明用l.5%的氢氧化钠20处理144h秸秆中木质素和半纤维素的降解率最高,分别达到60%80%,氢氧化钠处理能够提高秸秆的营养价值。但氢氧化钠在实际生产中使用的成本相对较高,而且对动物生产存在一定的安全隐患。

    氢氧化钙也是广泛应用的一种碱处理试剂,氢氧化钙处理能够去除秸秆中的木质素,提高秸秆的结晶度,通过去除秸秆中的木质素提高纤维素的可接近度和酶的作用效果。Kim等的研究结果表明,在85150的温度下处理313h,能够显著地提高秸秆的处理效果。用氢氧化钙预处理秸秆和其他碱类相比成本较低,安全性较高,而且容易通过和空气中的CO2反应而得到回收。但实际生产研究结果表明,随着时间的增加,经氢氧化钙预处理的秸秆容易受到霉菌的污染。

    秸秆的氨化处理时秸秆中的有机物与氨发生氨解反应,使其中的木质素与多糖间的酯键遭到破坏,并形成铵盐,铵盐可以作为氮源促进瘤胃微生物的生长、繁殖;另一方面,氨溶于水后形成的氢氧化铵对粗饲料有碱化作用。因此,氨化可通过碱化和氨化的双重作用提高低质粗饲料的营养价值。尽管氨化处理取得了一定的成果,但氨处理的秸秆消化率仍然低于传统的碱处理。因此,人们研究了用尿素作为氨源,与无水氨相比,尿素的一个明显优点是其活性较弱便于使用。

3.2.3  氧化剂处理  木质纤维素在H2O2和过乙酸等氧化剂的作用下能够发生氧化降解作用,去除其中的木质素和半纤维素,使纤维素容易被酶和微生物作用。甘蔗渣在30下用2%H2O2中处理8h,其中大约50%的木质素和大部分的半纤维素被溶解,在后续的糖化处理中达到了95%的糖转化效率。余洪波等将玉米秸秆经白腐菌处理15天后,用含有0.7%NaOH0.7%H2O2的碱氧化试剂按l:20的固液比在常温常压下处理24h,后经酶解,还原糖产量达到(0.479±0.012)g/g

    Teixeira等研究了过乙酸室温下处理杨树和甘蔗渣的效果,结果表明,过乙酸能够选择性地降解木质素,对原料中的纤维素含量没有显著的影响,用过乙酸预处理过的原料,纤维素的水解率从6.8%提高到98%GouldH2O2pH 11.5H2O2和秸秆的比例至少为0.25(W/Wr)的情况下,室温处理原料1824h,大约有l/2的木质素被降解,在后续的瑞氏木霉水解过程中,糖的转化效率达到理论最高。但氧化剂的作用通常没有选择性,在木质素被氧化的同时,纤维素和半纤维素通常也有一定的损失,并且木质素被氧化的同时也产生一些酚类化合物,抑制后续的生物转化。

3.3  物理化学综合处理

    木质纤维素成分的降解与温度、pH和压力等各种因素有关,通常是物理化学因素综合作用的结果。许多的热处理都是物理化学综合处理,在热处理中,如果室温升到150180以上,在木质纤维素的成分中,半纤维素(主要包括木聚糖和葡甘露聚糖)是对热最敏感的成分,首先开始降解,然后是木质素开始溶解,一部分半纤维素被水解并形成酸性物质,这些酸进一步催化半纤维素的水解。热处理在降解半纤维素的同时,会降解一部分的木质素,产生的降解复合物通常包括酚类物质,这些物质在许多情况下是细菌、酵母等其他微生物生长的抑制因子。蒸汽爆破、液体热水处理和酸碱的热处理是常用的物理化学综合处理方法。

3.3.1  蒸汽爆破预处理  蒸汽爆破是秸秆预处理过程中常用的一种方法,这种方法的显著优点是能耗较低,并且能够降低预处理成本。这种处理通常用一定压力的热蒸汽处理生物质原料几秒到几分钟,然后突然释放压力的过程。这种处理既包括了机械的力量,也包括了半纤维素中乙酰基自动水解的化学因素。在爆破过程中,高温促进乙酰基自动水解为乙酸,在爆发性的减压过程中半纤维被分离。伴随着半纤维素的水解,木质素被重新分布,并且部分去除。半纤维素的去除,使纤维素暴露出来,使酶更容易接近纤维素的微细结构成分。

    蒸汽爆破和其他预处理方法相比有更多的优势,包括能耗相对较低,减少酸碱等化学试剂的使用风险,较高的糖回收效率等,蒸汽爆破的效果已被许多的研究证明,爆破预处理在国外造纸工业已有规模化的应用。蒸汽爆破对秸秆的影响效果与机器、温度、压力和保压时间等各种因素有关。当水的温度为200pH 5.0。在高压下水可以渗透到生物质材料的内部,水解纤维素,并将半纤维素和木质素移除。Hana等的研究表明,爆破处理后的秸秆,纤维尺寸明显减少,纤维束的数量明显增加,pH明显降低。玉米秸秆经0.8MPa处理后,秸秆中的木质素最大降解率为19.94%,爆破后的秸秆经白腐菌发酵40天,木质素又降解了55.40%。王许涛等爆破预处理秸秆,当压力在3.0MPa、保留时间为90s时,秸秆厌氧发酵产沼气量达到最大。

    酸蒸汽爆破是在秸秆爆破处理前,用H2SO4SO2CO2等浸泡处理,能够催化促进糖的转化,降低复合抑制因子的产量,促进半纤维素的降解。甘蔗渣在添加1%H2SO4浸泡后220保压30s,糖产量为65.1g/100g起始物质。蒸汽爆破的主要缺点是半纤维素和木质素降解产生一些毒性的复合物影响后续的水解和发酵步骤。爆破产生的毒素主要是呋喃类、弱酸和酚类复合物,因此,在后续的处理过程中需要用一些活性较强,具有脱毒作用的微生物来消除其负面作用。

3.3.2  液体热水处理  液体热水处理通常是在高温高压下,保持水的液体状态进行的处理过程,一般处理温度为170230压力大于5MPa,这种处理可以提高半纤维素转化为低聚糖的效率,降低抑制因子的产生。温度和时间是半纤维素转糖效率和后续酶水解效率的主要影响因素。Petersen等用小麦秸秆的试验表明,先将秸秆浸泡在80的热水中浸泡510min,然后在195的热水中处理610min,半纤维素和纤维素的回收率分别为70%93%94%

    液体热水处理和蒸汽爆破预处理的不同是液体热水处理有更多的水浸透到木质纤维素中,和蒸汽爆破预处理效果相比,液体热水处理一般会产生较多的木聚糖,当处理过程中水的比例减少时,生产的木聚糖就会进一步降解为木糖和糠醛。

3.4  生物处理

    生物处理与其他预处理方法相比,消耗较少的化学物质和能量,是一种生物安全,环境友好的秸秆处理方式,目前很多的研究都在寻求一种可控制的,快速有效的生物处理方法。

3.4.1  微生物发酵处理  用微生物来提高秸秆的质量是很有前景的秸秆处理方法。在自然界中有许多的细菌和真菌可以利用天然的木质纤维素类。自然界中最有效的降解秸秆中木质素的微生物是白腐菌类。白腐菌、褐腐菌和软腐菌等一小部分的真菌能够破坏植物细胞壁中最坚固的成分——木质素,白腐菌具有独特的降解木质素为CO2的能力,褐腐菌能够使秸秆中的纤维类物质解聚而起到修饰木质素的作用,一些软腐菌能够腐蚀次级细胞壁,降低酸不溶物质的含量。有研究表明,白腐菌能够降解木质素,不使纤维素受到破坏,从而提高木质纤维素的品质,使其更适宜作为动物的饲料。

    白腐菌降解木质素的过程是一种生物氧化过程,木质素过氧化酶、锰过氧化酶和漆酶是氧化作用的主要酶类。在适宜的条件下,白腐真菌的菌丝首先用其分泌的超纤维氧化酶溶解植物表面的蜡质,然后菌丝进入植物内部并分泌释放降解木质素的酶系。国内外有许多关于白腐菌降解木质素的研究,相关研究表明,自腐真菌对稻草秸秆中木质素的降解率平均可达37.76%,其中第14天时的木质素降解率最高达到21.98%;玉米秸秆经白腐菌处理15天后,用0.0016%NaOH3%H2O2室温处理24h,糖的产量比单一碱过氧化物处理提高50.70%,木质素含量也显著降低。Masayuki等研究了4种自腐菌对秸秆成分和组织结构的影响,大米秸秆经糙皮侧耳处理60天,总重量和木质素的减少量分别为25%41%,发酵后的秸秆用商品纤维素酶处理48h后,发酵处理秸秆的纤维素更容易降解。电镜扫描发现,因为木质素的部分降解,使秸秆更容易受到酶的作用。生物预处理的主要优势是能耗较少,反应条件较为缓和,但是大多数的生物降解木质素存在处理周期较长,转化效率较低的缺点。经过木质素分解菌处理过的秸秆用于单胃动物,还需要进一步将其分解为较为简单的碳水化合物。

    一些细菌、真菌、放线菌等都能产生纤维素酶,工业生产中大量应用的木质纤维素降解菌是木霉类,主要产生纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶等,其中里氏木霉、康氏木霉和绿色木霉被广泛的研究和应用。王石玉等研究了不同氮源对拟康氏木霉固态发酵产纤维素酶的影响,结果表明,以(NH4)SO4为氮源,添加量为2.5%时,酶活最高。方浩等研究了利用里氏木霉和黑曲霉混合培养产纤维素酶的最优条件,当黑曲霉接种较里氏木霉延迟48h,里氏木霉与黑曲霉接种量比为51时,滤纸酶活最高,达3.295IU/mL,并优于单一菌种培养。

    瘤胃微生物能够将纤维素和其他碳水化合物转化为乙酸、丙酸和丁酸等为反刍动物提供能源。这些微生物为商业生产中规模化地厌氧发酵纤维素类物质提供了可能。选用动物内源的复合微生物发酵城市固体垃圾,加快了固体废弃物的处理过程,对小麦秸秆堆制发酵肥料的结果表明,接种白腐菌和黑曲霉的复合菌株加快了玉米秸秆堆肥的进程,并且提高了发酵产物的营养价值。芽胞杆菌、枯草杆菌和地衣球菌等一些细菌也具有纤维素分解能力。孙凯等从青藏高原牛粪中分离到可以产生胞外纤维素酶的黄杆菌属菌株,并且测得该菌株产生的纤维素酶活最高为12U/mL。放线菌很少利用纤维素,但它们较易利用半纤维素,并能在一定程度上改变木质素的分子结构,继而分解溶出的木质素。尽管由于放线菌繁殖慢且降解纤维素和木质素的能力不及真菌,但在不利的条件下,放线菌能形成芽胞,与真菌相比较能耐高温和各种酸碱度,所以在高温阶段放线菌对分解木质素和纤维素起着重要作用。为促进纤维素分解菌对秸秆的利用效率,可用蒸汽、酸或碱等对原料进行预处理。

3.4.2  酶水解处理  酶水解纤维素通常具有高度的针对性,纤维素被水解后,通常会产生葡萄糖等一些糖类物质,酶类发酵秸秆通常可以在比较温和的条件下进行(pH 4.5~4.8),和酸碱处理秸秆相比,成本较低不会腐蚀机器设备。

    纤维素酶由多种酶组成,在酶的水解过程中至少有3种酶发挥作用:(1)纤维素内切酶(EGendo-14-D-ghlcanohydrolaseor EC 3.2.1.4),主要作用于低结晶度的纤维素纤维,随机切断β-14-糖苷键,将长链的纤维素分子截短,生成许多非还原性末端的小分子纤维素;(2)纤维素外切酶(CB H1,4-β-gluean cellobiohydrolase),作用于纤维素线状分子末端,内切酶水解β-14-糖苷键,产物是葡萄糖,外切酶切下的产物是纤维二糖;(3) β-葡萄糖苷酶(E.C.3.2.1.37),将纤维二糖、纤维寡糖及可溶性纤维糊精水解成葡萄糖。除了上述主要的3种纤维素酶外,还包括一些分解半纤维素的附属酶类,包括葡萄糖苷酸酶、乙酰酯酶、木糖酶、葡甘露聚糖酶等。经过酶的水解作用,纤维素被酶类水解生成糖。

    苏丽萍等用复合纤维素酶处理豌豆秸秆6h12h,显著提高了秸秆的营养价值。为提高大豆秸秆酶解效率,对秸秆先进行微波预处理,然后进行超声辅助酶解,采用正交实验对条件进行优化,表明微波预处理大豆秸秆最优条件为:微波辐射功率400 W,辐射时间40min,辐射温度60。优化后,水解7h酶解率达到11.06%,酶解效率显著增加。余洪波等对白腐菌生物—碱氧化预处理后的秸秆进行最优酶解条件研究,结果表明,最适的酶解糖化条件为酶负荷30 FPU/g,基质浓度20g/L,反应时间48hpH 4.8,转速200 r/min,反应温度49,在此条件下,秸秆的还原糖产量达到(0.479±0.012)g/g

    木质纤维素的生物降解受纤维素的结晶度、可接触表面积和木质素含量等多种因素的影响。许多预处理方法对秸秆的生物降解都有积极的促进作用,表3略列出了不同的预处理方法对木质纤维素组成和结构的影响,更多的关于秸秆成分降解方面的机理有待进一步研究。

4  小结

    综上所述,国内外对秸秆类物质的预处理进行了大量的研究,所有这些处理的最终目的是降低秸秆中的木质素和半纤维素的含量,降低纤维素的结晶度,使酶和微生物更容易接近纤维,从而提高酶的水解效率。这些不同的处理方法各有优缺点,选择经济有效、环境友好的综合处理方法对秸秆饲料资源的规模化开发具有重要的意义。

    作者单位:(河南农业大学牧医工程学院,郑州 450002)

    文章采集:caisy

    注明:郑州市科技创新团队项目“利用生物技术开发和利用农作物秸秆和蛋白质饲料资源的研究”(112PCXTD339)

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