（环境工程专业论文）玉米秸秆的青贮及水解方法的研究.pdf

摘要 在用干秸秆厌氧发酵制取沼气的过程中存在着预处理成本高、利用率低和发 酵速度慢等问题。与干秸秆相比，鲜秸秆中存在更多游离的可溶性糖，可溶性蛋 白质等物质，因此，鲜秸秆更加适用于厌氧发酵制沼气。本研究通过秸秆的不同 尺寸以及不同的添加剂对玉米鲜秸秆进行青贮，考察青贮过程中不同参数的变 化，并对青贮秸秆与风干秸秆的水解效果进行比较，寻求一种高效的青贮方法， 以解决秸秆厌氧发酵制取沼气过程中的重大困难，更好地实现秸秆的资源化和高 效利用。 通过对不同尺寸秸秆进行乙酸处理的结果表明，秸秆的尺寸越小，青贮效果 越好，秸秆长度为lc m 的处理组青贮秸秆中可溶性糖和半纤维素含量分别比2 c m 高5 0 7 5 、1 0 3 5 ，比4c m 处理组( 6 0 天后) 高1 4 3 9 8 、2 2 1 1 ，而 固体损失率分别比2c m 和4c m 处理组( 6 0 天后) 降低了2 0 5 和3 1 1 。通 过分析不同添加剂对秸秆青贮的效果，发现添加乙酸能够较好的抑制青贮秸秆的 纤维化和木质化程度，取得了较为理想的青贮效果。其中乙酸浸泡组与鲜秸秆相 比，可溶性糖和和半纤维素含量仅降低了1 9 6 3 和7 0 3 ，达到了优质青贮的 目的。 通过对风干秸秆和青贮秸秆的水解效果进行比较，得出乙酸浸泡组的青贮秸 秆水解液的各单糖含量均高于风干组，这也验证了乙酸浸泡组的青贮效果比较理 想。青贮秸秆水解液中的各单糖及总糖含量随着反应时间均呈现先升高后降低的 趋势，但达到最大值的水解时间随温度的升高而缩短。1 3 0 、水解时间3 0m i n 时，葡萄糖、木糖、阿拉伯糖以及总糖的含量达到最大值；而1 5 0 时的最大 值在2 0m i n ，1 7 0 条件下葡萄糖的峰值在5m i n 取得，而其他单糖以及总糖的 峰值在1 0m i n 时取得。其中，1 3 0 时的葡萄糖、木糖、阿拉伯糖以及总糖含 量的最大值分别为1 4 1 8 、6 4 、1 4 6 和2 2 0 4g 1 0 0g d m ，1 5 0 和1 7 0 水解 条件下的葡萄糖最大含量比13 0 时分别提高了1 1 5 7 和1 2 6 2 ，木糖和阿 拉伯糖的最大含量则为1 3 0 条件下的1 6 5 倍和1 7 3 倍，而总糖的最大含量在 1 5 0 和1 7 0 条件下分别提高了1 8 2 8 和2 6 3 2 。因此，可以得出青贮秸 秆的最佳水解条件为：水解温度1 7 0 ，水解时间1 0m i n 。 关键词：玉米秸秆青贮尺寸添加剂水解 a b s t r a c t t h e r ea r eq u i e taf e wp r o b l e m si ni n d u s t r i a l - s c a l eb i o g a sp r o d u c t i o nu t i l i z i n gt h e d r yc o r ns t o v e r , s u c ha st h eh i g hc o s t o fp r e t r e a t m e n t ，p o o ru t i l i z a t i o na n dl o w f e r m e n t a t i o ne f f i c i e n c y c o m p a r e dw i t hd r ys t r a w , f r e s hs t o v e rc o n t a i n sm o r es o l u b l e s u g a rs o l u b l ep r o t e i na n do t h e rs u b s t a n c e s t h e r e f o r e ，f r e s hs t r a wi sm o r es u i t a b l ef o r b i o g a sp r o d u c t i o n i nt h es t u d y , t h ee f f e c t so f d i f f e r e n ts i z e sa n dd i f f e r e n ta d d i t i v e so n c o i t is t o v e rs i l a g ew e r ei n v e s t i g a t e da n dt h eh y d r o l y s i se f f e c to fd r yc o r ns t o v e ra n d s i l a g ec o i ns t o v e rw e r ec o m p a r e d t h ea i m o f t h ep a p e rw a st od e v e l o pan e w s i l a g i n g m e t h o do fc o r ns t o v e r , s o l v i n gt h ek e yp r o b l e m sd u r i n g b i o g a sp r o d u c t i o na n d a c h i e v i n ge f f i c i e n tu s eo f c o r ns t o v e r d i f f e r e n ts i z e ss t o v e rt r e a t e db ya c e t i ca c i dw a ss t u d i e di nt h ee x p e r i m e n t s t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tab e t t e rs i l a g ee f f e c tc a nb eo b t a i n e dw i t ht h es i z e so fc o i ns t o v e r g e t t i n gs m a l l e r t h ec o n t e n t ss o l u b l es u g a ra n dh e m i c e l l u l o s es t o r e di nt h ec o r ns t o v e r o f1c mg r o u pw e r e5 0 7 5 ，1 0 3 5 h i g h e rt h a nt h a to f2c mg r o u pa n d1 4 3 9 8 ， 2 2 11 h i g h e rt h a n4c mg r o u p s w h i l et h ed r y - m a t t e rl o s sr a t ed e c r e a s e db y2 0 5 a n d31 1 c o m p a r e dt ot h a to f2c ma n d4c mg r o u pr e s p e c t i v e l y , a f t e rt r e a t e d6 0 d a y s a n dt h es o l i d - l o s sr a t e sw e r ed e c r e a s e db y2 0 5 a n d31 1 t h a n2c ma n d4 c mg r o u p s b ya n a l y z i n gt h ee f f e c to fd i f f e r e n ta d d i t i v e so nt h es t o v e rs i l a g e ，i tw a s c o n c l u d e dt h a ta d d i n ga c e t i ca c i dc o u l di n h i b i tt h ef i b r o s i sa n dl i g n i f i c a t i o no fc o r n s t o v e re f f e c t i v e l ya n do b t a i nab e t t e rs i l a g er e s u l t t h ea c e t i ca c i di m m e r s i o ng r o u p p r e s e r v e dm o r es o l u b l es u g a r sa n dh e m i c e l l u l o s e ( j u s td e c r e a s e db y 19 6 3 a n d 7 0 3 r e s p e c t i v e l y ) a c h i e v i n gt h ep u r p o s eo fh i g h q u a l i t ys i l a g e i nt h eh y d r o l y s i se x p e r i m e n t so fd r yc o i ns t o v e ra n ds i l a g ec o r ns t o v e r , i tc o u l d b ef o u n dt h a tt h es u g a rc o n t e n ti nt h eh y d r o l y s a t eo fa c e t i ca c i di m m e r s i o n g r o u pw a s h i g h e rt h a nt h a to fa i r - d r i e dg r o u p ，w h i c ha l s ov e r i f i e db e t t e rs i l a g er e s u l t so fa c i d i m m e r s i o n g r o u p w h e n t h e h y d r o l y s i st e m p e r a t u r e s w e r ei n c r e a s e d ，t h e m o n o s a c c h a r i d ea n dt o t a ls u g a rc o n t e n t so fs i l a g eh y d r o l y s a t es h o w e dat r e n do f i n c r e a s i n gf i r s ta n dd e c r e a s e dt h e r e a f t e r , b u tt h eh y d r o l y s i st i m ed e c r e a s e dt oo b t a i n m a x i m u mt o t a ls u g a r s w h e nt e m p e r a t u r ew a s13 0 ，i tw a s3 0m i nf o rt h e c o n t e n t so fg l u c o s e ，x y l o s e ，a r a b i n o s e ，a n dt o t a ls u g a rr e a c h i n gt h em a x i m u mv a l u e s w h e nt h eh y d r o l y s i st e m p e r a t u r ew a s15 0 ，t h eh y d r o l y s i st i m et oo b t a i nm a x i m u m m o n o s a c c h a r i d ea n dt o t a ls u g a r sw a s2 0m i n i tw a s5m i n w h e nt h eg l u c o s ec o n t e n t g o tt om a x i m u m v a l u ea n d10m i nf o rt h eo t h e r s ，w h e nt e m p e r a t u r ew a s17 0 t h e m a x i m u mc o n t e n t so fg l u c o s e ，x y l o s e ，a r a b i n o s e ，a n dt o t a ls u g a rw e r e14 18 ，6 4 ，1 4 6 a n d2 2 0 4 10 0g d m c o m p a r e dt ot h eh y d r o l y s i sc o n d i t i o no f13 0 ，u n d e rt h e h y d r o l y s i sc o n d i t i o n so f15 0 a n d 17 0 ，t h ep e a kg l u c o s el e v e l si n c r e a s e db y 11 5 7 a n d12 6 2 r e s p e c t i v e l y , a n dt h ec o n t e n t so f x y l o s ea n da r a b i n o s ew e r e1 6 5 t i m e sa n d1 7 3t i m e so ft h o s ea t13 0 m o r e o v e r , t h em a x i m u mc o n t e n t so ft o t a l s u g a ri n c r e a s e d18 2 8 a n d2 6 3 2 r e s p e c t i v e l ya t15 0 a n d17 0 c o m p a r e d t ot h eh y d r o l y s i sc o n d i t i o no f13 0 b yc o m p a r i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t so fe a c h h y d r o l y s i sg r o u p ，t h eo p t i m u mc o n d i t i o n so fh y d r o l y s i sc a nb ef o u n d ：h y d r o l y s i s t e m p e r a t u r ew a s17 0 a n dh y d r o l y s i st i m ew a s10m i n k e yw o r d s ：c o r n s t a l k ，e n s i l i n g ，s i z e ，a d d i t i v e ，h y d r o l y s i s 第一章绪论 第一章绪论 能源是保障人民正常生活和发展国家社会经济的重要物质基础。然而，随着 全球人口数量的剧增、各国社会经济的发展和世界人民生活水平的不断提高，世 界对能源的需要量持续增长，由此可能引发对能源的争抢，尤其是对石化等能源 的需求等矛盾日益恶化，并引发环境污染恶化和环保压力剧增，甚至引发战争。 加大保护生态环境力度，寻求可再生能源和资源，减轻对化石等能源的依靠，已 变成人类发展的共识【1 1 。在可再生能源中，生物质能源不仅储藏丰富，分布范围 广泛，而且所受区域限制较小，它是仅次于煤炭能源、石油能源和天然气能源的 位居世界消费能源总量第四位的重要可再生能源，所以，人们高度重视生物质能 源的利用。 我国是世界上最大的农业国之一，也是农作物秸秆资源最为丰富的国家之 一，每年可收得的各种农作物秸秆量约为6 8 7 亿吨【2 ；但是同西方发达国家相比， 我国秸秆的综合利用方式还存在着使用方式比较粗放、使用范围较狭小、综合利 用秸秆的政策目前尚不十分完善、废弃、流失和焚烧还比较严重等问题，可能会 严重污染附近周围环境，并且严重浪费了有用的秸秆资源。所以，如果能把秸秆 较为合理地利用并采取有目的地能源或资源化利用，则不仅能在一定程度上解决 现在能源紧张的问题，还能缓解焚烧秸秆导致的环境污染问题。 1 1 秸秆的化学组成与结构特性 纤维素、半纤维素和木质素是构成植物原料纤维的主要化学组分，植物原料 纤维干重的8 0 9 5 的质量都是由这三种组分占据，这三种组分也是农作物秸 秆重要组成部分。其中的纤维素会形成微细纤维，从而可构成纤维；半纤维素和 木质素则可以作为纤维细胞和微细纤维之间的黏合剂或者填充剂，进而能使植物 保持直立状态，具备一定的刚性并且可以实现特殊的生理功能【3 ；在农作物秸秆 当中，纤维素大约占秸秆干重的3 5 4 5 ，半纤维素大概占秸秆干重的 2 0 3 0 ，木质素相对较少，大约占秸秆干重的1 0 2 0 ，此外，还有微量 的淀粉、灰分和蛋白质等组分。 1 1 1 纤维素 纤维素是以d 一吡喃葡萄糖基用1 3 1 ，4 糖普键连接组成的链状天然高分子化 第一章绪论 合物，链两端有不同的组成，一个是还原端，而另一个是非还原端，纤维素分子 式为( c 。h 。o ，) 。，n 一般为几千至几万不等，为聚合度，显示出纤维素中葡萄糖 单元的数量，一般情况下天然纤维素的聚合度都非常高，随纤维素木质素的类型 不同而有所差异【4 】。由于纤维素束是纤维素分子的长链凭借大量的氢键连接而成 的，束状结构也能通过几个纤维素束结合在一起组成，束状结构再进行定向排布 从而构成肉眼可见的纤维，所以纤维素的机械强度比同样是由葡萄糖组成的淀粉 ( 由a - d 葡萄糖缩合构成) 要高很多，在植物体内起着重要的支撑作用【5 。 氢键是由相邻或分子内的纤维素分子上的含氧基团和纤维素分子中的羟基 形成的，很多纤维素分子一起构成结晶结构就是依赖于这些氢键，这些结晶结构 进而构成复杂的无定形区、结晶区和微纤维等纤维素的聚合物。 由对x 射线的研究可知，聚集的纤维素大分子，其中有一部分的分子排列 比较松弛，比较散乱，它的取向基本上与纤维轴平行，这部分被定义为无定形区， 另外一部分的分子排列比较规则，较为整齐，并呈现出较清晰的x 射线图，这 部分被定义为结晶区。一个纤维素的分子链可以通过无数个无定形区和结晶区， 从结晶区到无定形区并无明显界限，是逐渐过渡的。非晶区的主要特点是分子排 列杂乱无序，且纤维素分子链取向比较差，因此分子间的距离很大，密度比较小， 并且分子间的氢键结合数较少，所以非晶区对强度的贡献很小；结晶区的主要特 点是纤维素分子排列较紧密，分子链取向较好，故密度相对较大，分子间结合力 很强，所以结晶区对强度的贡献最大【6 】。 纤维素主要应用于纺织造纸领域。除此之外，用分离纯化的纤维素做原料， 可以制造出乙基纤维素、梭甲基纤维素、甲基纤维素等醚类的衍生物以及赛璐扮、 人造丝和醋酸醋、硝酸醋等醋类的衍生物，可应用于电工、塑料、炸药及科研器 材等领域。 1 1 2 半纤维素 半纤维素在细胞壁中置于很多纤维素之间，是一种介之于纤维素类和淀粉类 的多糖类化合物。半纤维素的分子式为( c ；h 8 0 4 ) 。，其中n 为5 0 2 0 0 ，聚合度 低于纤维素，半纤维素是由多种糖单元组成的，最常见的有葡萄糖基、木糖基、 阿拉伯糖基、甘露糖基、鼠李糖基、半乳糖基等，除此之外，还有乙酰基和糖醛 酸基，各个糖单元相互连接构成具有支链的高分子聚合物，总而言之，半纤维素 就是由多种戊糖或己糖构成的大分子缩聚物【3 】o 不同种植物的半纤维素含量不但不尽相同，而且其结构也有所差异，半纤维 素的主链可以由一种糖基组成，也可以由两种或多种组成，糖基之间的相连方式 也有所差异；即使对于同一种材料来说，不同的部位，不同的产地，它们的复合 2 第一章绪论 多糖构成也不尽相同。一般情况下秸秆半纤维素的聚合度小于1 0 0 ，其中玉米秸 秆的半纤维素主链是1 4 糖苷键连接d 吡喃式木糖基，支链是l 呋喃式阿拉伯 糖基与d 吡喃式木糖基；小麦秸秆中的半纤维素主要为糖醛酸、木糖和阿拉伯 糖的缩合体，主链与玉米秸杆的一样，支链是l 呋喃式阿拉伯糖基和d 一吡喃式 葡萄糖醛酸基1 7 j 。 半纤维素的糖化产物中包含两种五碳糖( 阿拉伯糖和木糖) 和三种六碳糖( 葡 萄糖、甘露糖和半乳糖) 。随原材料的不同，不同种类的糖含量所占的比例也有 所差异，一般情况下木糖占一半以上，而在糖化秸秆时，有一部分的阿拉伯糖产 生( 大约占五碳糖的1 0 2 0 ) 。半纤维素没有晶体结构，其聚合度也相对比较 低，所以比较容易糖化。半纤维素在大约1 0 0 的条件下就可在稀酸里糖化， 或酶解糖化【8 j 。 半纤维素在生产领域中的实际应用范围十分广泛，可用于化工、造纸、制药、 涂料及食品等工业生产当中。例如在医药卫生行业当中，半纤维素可以作为一种 新型的治疗和预防变性关节炎的药物，以及镇静剂、药片分解剂、艾滋病毒抑制 剂和胆固醇抑制剂等【9 1 ；而在食品工业领域当中，半纤维素可以用于制作稳定剂、 水凝胶、乳化剂、食用纤维、食品粘合剂、薄膜形成剂及增稠剂等，例如应用在 面包生产过程当中，可加大面包的吸水量和体积，并使面包的质量得以提高。 1 1 3 木质素 木质素的化学组成结构较为复杂，是由紫丁香酚基型、愈创木酚基型和对丙 苯酚基型三种丙苯单元( 木质素前驱物) 以醚键和碳一碳键的方式相连在一起的 无定形三维芳香族杂聚物，这种结构不易被生物降解，所以木质素不能像蛋白质 或纤维素等比较有规则的聚合物一样可以用化学式表示出来，但是可以根据木质 素结构的模型简易表示出来，其分子式为( c 。h ，0 ，) 。 5 , 1 0 , 1 1 , 1 2 】。木质素和半纤维 素在一一起可以作为细胞间质在细胞壁的微细纤维之间充塞，并使木化组织的细胞 壁更为坚固，也可存在于细胞间层，并使相邻的细胞相连在二处，它是植物木质 部细胞壁的重要组成部分之一。纤维素就被木质素和半纤维素组成的结合层牢牢 地包裹在里面。 木质纤维类废物在自然条件下不易被降解，是因为其奇特的物质构成和分子 的结构特点。在中性条件下，溶解木质素需要的温度条件是1 8 0 ；降解木质 素主要依靠的是氧化还原酶催化生成苯氧自由基，然后由自由基反应来使降解完 成；无论在酸性、中性或碱性条件下，木质素的溶解主要受到木质素的三种前驱 物之间连接方式的影响 1 3 , 1 4 ：木质素在纤维素周边构成保护层，从而妨碍水解纤 维素，而木质素本身不能被水解为单糖。所以，木质纤维类废物资源化和合理利 第一章绪论 用的技术所面临的最重要难题就是怎样打破木质素、半纤维素和纤维素的连接构 成结构，从而加快其降解的速率。 1 2 秸秆预处理方法研究 自然状态下的木质纤维素包括纤维素、半纤维素以及木质素。木质类生物资 源不易降解的原因很多，其中，木质素影响了纤维素对酶的使用效率，此外，木 质类生物资源的多成分结构、木质素对纤维素的包裹作用、木质类生物资源的表 面状态、纤维素的结晶区以及半纤维素覆盖纤维素等构成结构与化学组分等因素 均与之相关。所以，对原料进行一定的预处理就显得非常必要。预处理的目标是 除去或破坏纤维素、半纤维素与木质素之间复杂的组成结构，例如降低聚合度、 增加孔隙度、减小结晶度和表面积等，从而使水解速率和得糖效率均得到改善， 同时半纤维素应能够被水解且具有比较理想的回收率【1 5 - 1 7 1 。预处理的过程一般要 遵循下述三条基本原则：( 1 ) 使糖得率或酶水解的糖化效率得到提升；( 2 ) 避免 生成发酵抑制剂与降解碳水化合物的现象产生；( 3 ) 预处理过程当中的实用性、 经济性应得到一定程度的重视。 目前，常用的预处理技术包括物理、化学、物理化学联合方法、生物方法。 1 2 1 物理法 目前常用的物理方法有机械破碎法、微波处理法和高温热水预处理法等。一 般情况下物理法的操作过程较为简易，并且对环境的影响很小，但物理法的处理 成本比较高，因为对动力和能量的需求往往较高。 ( 1 ) 机械粉碎是预处理纤维素类原料的常规方法，其中有多种种类，包含 压缩碾磨粉碎干法粉碎、湿法粉碎以及振动球磨碾磨等。依靠切、碾以及磨等工 艺手段减小纤维素类原料的粒径，从而增加酶和底物作用的表面积，进一步减小 纤维素的结晶度。在机械破碎预处理过程中，有一个植物纤维素类原料预处理的 最优粒径，因为尽管经过处理后的粒径越小对后面的水解越有利，但预处理所需 要的动力和能量也会增加，从而增加成本。 ( 2 ) 微波处理法中的微波能够改变纤维素分子之间的氢键，从而增大纤维 素的反应活性和可接触性，使纤维素的酶糖化得到促进，该处理法的优点是操作 方便、处理时间较短，但设备成本较高【l8 1 。用微波处理放在密闭容器里的蔗渣、 花生壳、红松、稻草等，并维持温度为1 6 0 1 8 0 ，取得非常明显的糖化效果。 不过，：【业大规模生产还未应用微波处理法。 ( 3 ) 高温热水预处理是指在高温高压条件下( 温度大于2 0 0 ，压力大于 第一章绪论 同温度下的饱和蒸汽压时) ，对植物纤维素类原材料应用液态水进行水解的过程。 用高温热水预处理法水解植物纤维素原料，能够破坏原料中大部分的半纤维素和 一部分木质素，提高其可及度，从而使植物纤维素的酶水解( 糖化) 的效率得到 改善。 1 2 2 化学法 化学法一般是采用酸、碱或有机溶剂作为原材料的预处理试剂，破坏纤维素 与小质素的连接结构，打破纤维素的晶体结构，并水解原料中的半纤维素，生成 葡萄糖、纤维二糖、葡聚糖、及纤维糊精等不同种类的水解产物。 ( 1 ) 酸处理 酸处理的主要作用是水解半纤维素中的木聚糖，产物为木糖、阿拉伯糖或低 聚糖，同时增大了纤维素与微生物或酶的接触面积，从而提高水解效率。常用的 酸有h c ! 、h 2 s 0 4 、h n 0 3 以及h 3 p 0 4 等无机酸，且这些无机酸能够起到催化水 解反应的作用l 。酸处理分为稀酸法和浓酸法。 一般情况下稀酸是指酸浓度在o 5 1 范围内的酸预处理方法，此方法可 应用于酶糖化的预处理，可水解半纤维素，减小纤维素的平均聚合度，提高反应 能力，使糖化率得到明显改善【捌。使用稀酸预处理方法可以明显增加纤维素的水 解效率，能够提高反应的速率。稀酸处理法的优点有很多：价格低、工艺简单、 工艺较为成熟、木糖回收率很高，能够达到9 0 以上。但是缺点也很明显：能 量消耗大、水解速率相对比较慢、糠醛等发酵抑制剂会在预处理过程中生成，脱 除木质素的效果不理想等。此外，在稀酸中加入金属离子( f e 3 + 、f e 2 + 、a 1 3 + 、 m 9 2 + 等) 、马来酸、乙烯碳酸酯等催化剂能够进一步催化生物质的水解反应，使 糖产率得到明显改善1 2 。 浓酸水解法一般是指应用浓度在3 0 以上的盐酸、硫酸或磷酸把纤维素类 生物质水解成单糖的预处理方法。浓酸预处理法的优势很明显：糖产率比较高、 副产物相对较少、在常温、常压下进行即可、适用范围很广泛、工艺非常成熟等， 但是浓酸法也有缺点：反应速率比较慢；浓酸的分离和再浓缩使工艺更加繁复【2 2 】； 反应器和管路都需要利用玻璃纤维等强耐腐蚀性的材料；预处理后的浓酸必须回 收，但回收的费用较为昂贵；此外，在较低的温度下( 1 0 4 5 ) ，浓盐酸和浓硫 酸能完全溶解纤维素，但是溶解后形成的产物并不是葡萄糖，而是寡糖等。 ( 2 ) 碱处理1 2 3 , 2 4 碱处理法一般有氢氧化钙法、氢氧化钠法和氨法。碱处理法的原理为：纤维 素和半纤维素中间连接的氢键可以被氢氧根减弱，木质素、半纤维素中间连接的 醋键可以被碱皂化、醚键可以被氢氧根分离，从而半纤维素可溶解于碱，纤维素 第一章绪论 和酶的接触得以增加。碱处理法在常温常压下就可以进行，但其反应时间达到数 小时，有时甚至几天。但是，原材料中的木质纤维素特点和木质素含量大小是决 定碱预处理法结果的重要因素。 氢氧化钠处理法，能够分离碳水化合物与木质素中间的连接，使木质素的结 构得到破坏，润胀纤维素，使其内表面积增大，并使纤维素的结晶性减小，但缺 点也较为明显：后续处理之前中和反应所使用的大量的酸以及剩余物和废水的处 理回收工艺，均加大了运行成本。氨水处理法一般是将农作物秸秆浸泡在1 0 的氨水溶液中，此方法对去除原材料中的木质素较为有效。有研究显示，使用氨 水对大豆秸秆进行预处理能够影响其化学成分及结构，比较理想的预处理条件为 粉碎大豆秸秆至1 4 0 目，用1 0 的氨水处理2 4h ，预处理过后大豆秸秆的半纤 维素含量下降4 1 5 ，纤维素含量提高7 0 3 ，木质素含量减少3 0 2 【2 5 1 。此 外，还有一种氨水预处理方法：氨回收浸没工艺。此方法是在1 5 0 1 7 0 的条件 下用浓度为1 0 15 的氨水通过装载生物质原料的柱状反应器，然后再分离回 收，此工艺具有比较理想的破坏木质素的能力，能使木质素含量降低 7 0 8 5 1 2 6 。 ( 3 ) 有机溶剂处理 有机溶剂法一般是通过有机溶剂或者无机酸催化剂与有机溶剂的混合液对 木质纤维类原料进行预处理，使半纤维素和木素得以去除，使活性纤维分离出来。 在高温条件下，有机溶剂能够润胀纤维素，并使木质素完全溶解于其中，但有机 溶剂处理法也有缺点：很容易污染环境，有机溶剂的毒性和腐蚀性较强，必需回 收。有机溶剂包括甲醇、乙醇、丙酮、三甘醇、乙烯基乙二醇及四氢化糠基乙醇 等，有机酸例如水杨酸、乙酞水杨酸和草酸都能够作为有机溶剂处理法的催化剂， 但在高温条件下，有机溶剂能够使木质素完全地溶解于其中，而无需再添加任何 催化剂，用来预处理纤维素类生物质效果较好。综上所述，有机溶剂预处理法的 优点是：防止或减缓微生物的活动、发酵化合物的生成、酶法糖化和成本较低等。 但也存在不足：易污染环境、有机溶剂的毒性和腐蚀性较强等。 ( 4 ) 氧化处理 氧化法有湿氧化1 2 7 - 2 9 】，臭氧 3 0 l 和双氧水法1 3 1 , 3 2 1 。臭氧法一般用来破坏木质纤 维类原料中的半纤维素与木质素。在臭氧法预处理过程中，纤维素几乎得以完整 保存，半纤维素也只受到微小破坏，但木质素却有较大幅度的降解。t e i x e i r a 等 p 纠在室温下采用浓度为2 1 的过氧乙酸处理甘蔗渣，在酶水解纤维素时，水解 率得到明显提高：从未经处理的6 8 升高到9 8 。汪丹好等 3 4 对臭氧处理麦草 浆的实验结果显示，臭氧去除木质素的选择性随着p h 的降低而增大，当p h 在 2 左右时，纤维素的破坏很轻微，在温度相对较低时，降解纤维素的量也较少。 第一章绪论 氧化预处理法的优点是：降解木质纤维素的效果非常好。但不足之处也有很多， 比如：纤维素和半纤维素在氧化预处理的同时会有一定的损失，氧化处理木质素 会生成可溶性有毒酚类等产物，而且氧化剂对底物一般不具有选择性，除此之外， 由于氧化处理法较高的成本和较为繁琐的操控过程，该法的应用受到了一定程度 的限制1 1 , 3 5 , 3 6 。 1 2 3 物理化学法 蒸汽爆破法，是先将水稻秸秆原料用2 0 0 2 4 0 的水蒸气处理一定的时间 f 3 0s e c 2 0 0m i n ) ，在蒸煮的过程中进行水解反应，然后连同水蒸气一起从反应釜 中突然释放使之降压而爆破，内含水闪蒸时会产生很大的摩擦力、爆破力和碰撞 力，从而达到破碎纤维原料的目的1 3 7 - 4 2 】。结果导致半纤维索分解为可溶于水的低 聚物1 4 3 1 。蒸汽爆破法的优点是不会造成环境污染、节约能源、没有回收费用，但 也有不足之处：碳水化合物与木质素之间的连接结构并没有被完全破坏，也没有 完全分离木质素，破坏了其中的一部分木糖，在处理过程中有抑制微生物活动的 糖化产物生成；此外，一部分溶解性半纤维素在清洗过程中被洗去，从而降低了 总糖的转化率。 氨纤维爆破法，即用液氨处理高温和高压下的木质纤维类原料，随后再突然 减压使原材料发生爆破。在氨纤维爆破过程中，因为液体氨会迅速汽化从而使温 度突然降低，这样不但会增大纤维素表面积，而且还能减少在高温条件下生成有 害物质和糖分的降解。杨雪霞等m 】使用氨化蒸汽爆破法对玉米秸秆进行预处理， 实验结果显示氨化汽爆处理法使纤维素和半纤维素的降解率得到显著提升。 1 2 4 生物处理法 生物法一般是使用能够降解木质素的微生物处理木质素，进而改善纤维素和 半纤维素的水解糖化效率。由于酶的活性普遍较低，尽管有多种微生物都具有生 成木质素分解酶的能力，实际应用仍然非常困难。在可降解木质素的微生物当中， 木腐菌只是其中之一，一般分成三种：褐腐菌、白腐菌、软腐菌。应用白腐菌降 解木质素是当前研究比较多的课题，该方法能够使纤维素的水解效果得到改善。 白腐菌能够降解原料中的木质素，破坏了纤维素的束缚，进而也使纤维素的酶解 效果得到提高。h a t a k k a 等【4 5 】对麦秸用1 9 种白腐菌进行预处理，随后再用 p l e u r o t u so s t r e a t u s 进行处理，3 5 的麦秆在五星期之后被转化成还原糖。白腐菌 处理法的优点是：消耗能量小、反应条件比较温和，缺点是：反应时间比较长， 这样会导致生产周期长，所以现在还处在研究阶段。g h o s h 等1 4 6 利用 p h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o r i u m 和褐腐菌对稻草进行预处理，与对照组相比，甲烷 第一章绪论 产率分别提高了4 6 2 和3 1 4 。m u l l e r 4 7 1 用担子菌属对麦秸进行预处理后，随 即再进行厌氧消化处理，结果显示在所有的菌种中，p f l o r i d a 具有最快的破坏木 质素的功能，而且相对于未处理麦秸，厌氧消化时的生物产气量升高了一倍。 微生物处理法的优点很多：能量消耗较少，原料得以节约，避免污染环境等。 不过微生物处理法也有不足之处：在生长过程中，有一部分纤维素和半纤维素会 被白腐菌的活动所利用以及生产周期过长。 1 3 秸秆的青贮技术 现在较为常用的贮存方法称为青贮技术，主要是应用于贮藏饲料。青贮的基 本原理为：附着在原料作物上的乳酸菌在厌氧条件下通过利用原料作物中的可溶 性糖分，发酵生成乳酸，降低青贮饲料的p h ，进而抑制其它各种微生物的繁殖 和生理活动，从而能够更优质地保存青贮饲料。青贮通常是保存过冬饲料作物的 一种传统方法，也是一种保障多汁青绿饲料的营养成分不受损失的最简便、经济 和可靠的方式。此技术可以借鉴过来应用于秸秆厌氧发酵产沼气的工艺之中，对 秸秆采取青贮的方式进行保质贮存。除此之外，在青贮过程中生成的酸和适量投 加的青贮添加剂还可以使秸秆的纤维结构遭到破坏，这样秸秆的可消化性也得到 了改善。所以，青贮过程也相当于对作物秸秆起到了一定的预处理作用。 1 3 1 离体之后植物组织的生理活动变化 收割之后的植物依然具有生命，在其进行新陈代谢的过程中，化学成分在不 断地发生改变。但是组织在与母体分离之后发生的的生化和生理过程与正常生长 期中所进行的不尽相同。呼吸作用是植物新陈代谢的重要过程，与其它生理过程 密切相关，并对这些过程有所制约，进而能够对植物在贮藏过程中的品质变化产 生影响。 植物组织离体之后在无营养供给、无光照的条件下，可溶性糖、可溶性蛋白 质、可溶性固形物等成分的含量逐渐减少，而粗纤维的含量却有所升高，造成植 物组织质地老化、贮藏品质直线下降。 呼吸作用是植物组织离体之后最重要的生理活动之一，能够严重影响其耐贮 性。离体之后由于生理环境发生改变，加强了呼吸作用，消耗更多营养物质，从 而使老化过程加速。 植物收割后的的代谢过程较为旺盛，随着细胞次生壁的逐渐加厚，纤维素大 量合成并生成纤维束，木质素的合成与积淀也随之进行，植物组织发生的纤维化 和木质化作用也大大加速了其老化的进程。 第一章绪论 一些酶的活性在植物组织离体之后发生了改变，这种反常的酶活性改变也是 导致植物品质在储存过程中变坏和营养物质下降的重要原因之一。其中与植物老 化相关的酶主要有：过氧化物酶( p o d ) 、苯丙氨酸解氨酶( p a l ) 、过氧化氢酶 ( c a t ) 、超氧化物歧化酶( s o d ) 以及多酚氧化酶( p p o ) 。 收割后的植物中活性提升最快的是p o d 和p a l ，而p p o 的活性并没有明显 改变。粗纤维和木质素含量的升高与p a l 活性的提升有关，p a l 可以催化苯丙 氨酸生成肉桂酸，在木质素的生物合成过程中起到了非常重要的作用；而p p o 参与酚类物质( 例如香豆素、绿原酸等) 的氧化过程，从而使木质素的合成量增加； 而p o d 则通过催化h 2 0 2 分解使木质素单体发生聚合反应生成木质素，这也是木 质素生物合成的最后一步。p a l 、p p o 与p o d 三种酶都具有增加组织木质化程 度，加速木质素合成的能力，最终导致组织的腐败衰老。酶的生成受到重力、光、 植物生长调节物质等的影响，而在木质素合成的不同阶段，酶的活性会随着部位、 品种、贮藏温度、季节、木质化阶段和气体成分的不同而有所变化。 新鲜的秸秆在被收割之后，由于生理环境发生变化，加强了自身的呼吸作用， 很多营养成分比如可溶性糖、可溶性蛋白质以及可溶性固形物的含量逐渐减少， 但粗纤维的含量却有逐渐增加的趋势，这样不仅许多容易利用的基质被消耗，而 且后续处理也难以利用秸秆的坚固组织结构。受季节时间的限制，虽然与干秸秆 相比利用鲜秸杆为发酵产沼气的原料比较合适，但为生产沼气提供长期稳定的原 料却不易保障。所以，预处理秸秆的重要要素之一就是探索一种优质贮存秸秆的 方法。 1 3 2 青贮的发酵过程 青贮发酵过程一般可以分为以下几个阶段 4 8 , 4 9 。 第一阶段是植物呼吸阶段。当原料作物被收割时，呼吸阶段就已经开始了， 包括萎蔫期和在密封与青贮体系内形成厌氧条件中间的间隔。饲草的组成成分改 变主要是因为植物酶的分解作用。在呼吸阶段初期，酶类能够降解较为复杂的碳 水化合物( 半纤维素、淀粉和果聚糖) ，并使一些可溶性碳水化合物( 小分子糖) 得到释放。植物的呼吸作用是酶利用可溶性碳水化合物为基质进行的，直到能够 利用的氧气或可利用发酵物( 可溶性碳水化合物) 消耗完全。蛋白在植物酶的分解 作用下会转化成多种非蛋白氮化合物，其中有氨基酸、多肽、氨和氨基化合物。 可溶性碳水化合物在植物呼吸过程中会被转化成二氧化碳和水，而且会以热能的 形式释放出来。呼吸作用的第一个信号即是产热，此过程是消耗氧气的，当厌氧 环境在青贮捆或者青贮窖内形成睛呼吸作用也随之结束了。植物的呼吸作用从 一定程度上来看，是有益于青贮的制作过程的。这是由于一个密闭的厌氧环境能 第一章绪论 够借助这个过程创造出来。但是，因为青贮原料中的可溶性碳水化合物会被呼吸 作用所消耗，而且后续处理中可利用的底物也随之减少，所以，呼吸作用如果过 度是对青贮不利的。因为很多营养物质会在这一过程中被消耗，所以应尽量缩短 这一阶段。如果青贮原被料切碎且良好压实，呼吸作用的时间便会减少。 第二阶段为发酵阶段( 微生物作用阶段) 。厌氧发酵随着青贮体系内厌氧环境 的形成即刻开始。发酵阶段生成酸，从而降低p h ，抑制微生物的生理活动，保 证青贮原料的质量。原料特性和发酵过程中占主导地位的微生物决定了厌氧发酵 产物和青贮原料的质量。在厌氧发酵阶段初期，细胞壁破裂，因为植物酶的作用， 释放发酵物会延续大约1 天的较短时期。随后微生物快速增殖，利用可溶性碳水 化合物转化为酸和其它产物。青贮原料如果发酵良好，会生成乳酸，导致p h 的 下降，乳酸菌占据主导地位支配发酵，乳酸菌的同型发酵和异型发酵的相对活性 决定了其他产物和乳酸的比例。如果生成乳酸的速度过慢或者生成乳酸的量不 够，丁酸就会生成。丁酸菌是引起丁酸发酵的主要因素之一，它在水分含量较高 和完全厌氧的条件下增殖活动，是抑制梭状芽孢杆菌。丁酸菌并不耐酸，在生成 乳酸的量较少导致p h 较高时容易繁殖。在丁酸菌繁殖时，青贮原料中的糖分或 者产生的乳酸会被分解成丁。酸，蛋白质也会被分解，产物为大量的氨或胺，从而 导致青贮原料发出恶臭味，降低青贮原料的品质。与此同时，可溶性碳水化合物 会随着丁酸菌的活动过程而消耗。此外，青贮原料中的氨基酸和蛋白质会受到腐 生菌的破坏。腐生菌几乎不受氧气、温度等条件的约束，而且种类繁多，主要是 有芽孢杆菌中的荧光菌属、单生杆菌及假单胞菌属等。 第三阶段是稳定阶段。此时优势种群为乳酸茵，它能够利用水溶性碳水化合 物产生乳酸。乳酸对于青贮原料的贮存来说是最理想、效果最好的发酵产物，因 为乳酸可以快速降低青贮原料的p h ，当青贮原料的p h 降到一定程度时就可以 阻碍其它微生物的生长，甚至包括乳酸菌自己。这时能够保持一定活力的只有耐 酸的酶：可以导致植物组织内酸水解的糖酶，用生成的较少量的可溶性碳水化合 物补充发酵底物，还有蛋白酶，能够使氮的复合物转化生成氨。另外，一些梭菌 和杆菌用孢子的形式蛰伏起来，另一些耐酸性较强的酵母继续存在，但已丧失活 性。 第四阶段是有氧腐败阶段。青贮完成后，在作物的取用过程中可能会造成青 贮原料的二次发酵问题【5 0 】，也就是说在青贮原料再次通气后，许多好氧微生物开 始复苏，致使青贮原料在取用的过程中品质受到影响。有氧腐败阶段有时是由醋 酸菌导致的，但大多数情况还是由酵母菌引起的。这些微生物通过使用底物，即 青贮原料中的醋酸、乳酸，进行代谢活动，从而提高了青贮原料的p h ，并加快 了霉菌的增殖，最终使青贮原料发生霉变。 第一章绪论 1 3 3 青贮过程中的微生物 在青贮过程中活动的微生物有很多，主要是乳酸菌、梭菌、真菌和腐败菌等。 在青贮过程中最重要的厌氧微生物就是乳酸菌，乳酸菌相同的特征就是发酵 糖分生成乳酸，而且在无氧的条件下生长较好。在不同地区的青贮窖，使用不同 的青贮原料，微生物的活性差异很明显1 5 1 j 。 ( 1 ) 乳酸菌 乳酸菌在青贮过程中起着重要作用，它是革兰氏阳性菌、没有芽孢、不具备 游动性、微需氧的微生物。乳酸菌利用纤维素、半纤维素和淀粉的能力很有限， 主要使用可溶性碳水化合物为基质发酵生成乳酸。 乳酸菌按照形态的不同可以分为杆型和球型，其中球型的重要菌种为粪链球 菌、乳链球菌、乳酸片球菌等，均为微厌氧菌；杆菌主要包括植物干酪乳杆菌、 乳杆菌、短乳杆菌等，均为高度厌氧菌。 乳酸菌根据发酵方式的不同可以分为同型发酵乳酸菌与异型发酵乳酸菌。同 型发酵乳酸菌一般包括植物乳酸片球菌、乳杆菌以及粪肠球菌等。它们主要使用 青贮原料中的可溶性碳水化合物，如葡萄糖、果糖、聚果糖以及蔗糖等，迅速生 成乳酸，从而在短时间内使青贮原料的p h 降低。因此，同型发酵乳酸菌可以使 青贮原料的发酵品质得到显著提高。异型发酵乳酸菌一般包括抑制短乳杆菌