蒸汽爆破对玉米秸秆的纤维结构、瘤胃发酵及微生物粘附的影响

发布时间：2019-08-17 17:36

【摘要】：玉米秸秆中含有大量的纤维素和半纤维素,作为反刍动物粗饲料有很大的应用潜力。然而,由于玉米秸秆复杂的晶体结构,瘤胃降解率低,限制了其在反刍动物粗饲料上的应用。通过预处理破坏玉米秸秆半纤维素和木质素的结构,降低纤维素的结晶度,可实现其高效利用,传统的预处理方法(如:氨、尿素和氢氧化钙等)存在着效率低和环境污染等问题。蒸汽爆破可有效改变生物质原料的物理和化学性质,并广泛应用于生物能源领域。目前,关于蒸汽爆破提高玉米秸秆瘤胃降解率的研究较少。本试验通过研究蒸汽爆破对玉米秸秆的纤维结构、瘤胃发酵及微生物粘附的影响,为蒸汽爆破技术在畜牧业生产中的应用提供参考。1、响应面法优化玉米秸秆饲料蒸汽爆破加工工艺本试验以蒸汽爆破玉米秸秆体外发酵产气速率为评价指标,选取蒸汽压强(1.0、1.6或2.2 MPa)、维压时间(30、115或200 s)和预浸水分含量(10%、30%或50%)为自变量,根据Box-Behnken试验设计,结合响应面法优化玉米秸秆饲料化的蒸汽爆破加工工艺。并利用NIRS对各处理条件下玉米秸秆进行表征。结果显示:(1)方差分析结果显示蒸汽压强的二次项对产气速率有极显著影响(P0.01),在试验设计因素范围内随着蒸汽压强增加,产气速率呈先上升后降低的趋势。(2)在蒸汽压强1.51 MPa,维压时间180 s,预浸水分含量10%的汽爆处理条件下,玉米秸秆体外发酵产气速率预测值达到最大0.082 mL/h,是较优的加工工艺条件。(3)各处理玉米秸秆近红外光谱吸收峰位置大致相同,各蒸汽爆破参数下玉米秸秆近红外光谱吸光值均高于未处理玉米秸秆。2、蒸汽爆破对玉米秸秆体外发酵产气和纤维结构的影响本试验利用试验一优化的蒸汽爆破条件对玉米秸秆进行预处理,研究了蒸汽爆破对玉米秸秆72h体外发酵产气的影响,并对蒸汽爆破前后玉米秸秆的化学成分和纤维结构进行了分析。结果表明:(1)蒸汽爆破后玉米秸秆半纤维素和NDF含量极显著降低(P0.01),纤维素含量显著增加(P0.05);蒸汽爆破后玉米秸秆体外发酵总还原糖产量极显著增加(P0.01),木糖产量显著增加(P0.05)。(2)蒸汽爆破后玉米秸秆体外发酵产气速率极显著增加(P0.01),72h累积产气量没有显著变化(P0.05)。(3)SEM结果显示蒸汽爆破后玉米秸秆表面粗糙,结构疏松,纤维束间的内部空隙暴露出来,更有利于瘤胃微生物的粘附和定植;FTIR结果表明,蒸汽爆破玉米秸秆半纤维素特征峰的减弱与纤维素特征峰的增强;XRD结果显示玉米秸秆蒸汽爆破后相对结晶度由54.50%增加到57.57%,二者没有显著性差异(P0.05),结晶度增加是由于蒸汽爆破后玉米秸秆无定形组分(半纤维素和木质素)大量降解造成的。3、蒸汽爆破对玉米秸秆瘤胃降解和微生物粘附的影响本试验利用试验一优化的蒸汽爆破条件对玉米秸秆进行预处理,通过尼龙袋法将未处理和蒸汽爆破玉米秸秆在瘤胃中孵育0.5、1、2、4、8、12、24、36和48 h,分析玉米秸秆纤维成分瘤胃动态降解率,SEM观测瘤胃微生物的动态粘附情况。结果表明:(1)在瘤胃孵育4、24、36和48 h时,蒸汽爆破玉米秸秆NDF降解率分别为3.92%、28.85%、37.73%和45.80%,均显著高于未处理玉米秸秆(P0.05);在瘤胃孵育4、24、36和48 h时,蒸汽爆破玉米秸秆半纤维素降解率分别为6.57%、33.74%、40.63%和49.00%,均极显著高于未处理玉米秸秆(P0.01)。在瘤胃孵育48h时,蒸汽爆破玉米秸秆ADF降解率达到44.83%,极显著高于未处理玉米秸秆(P0.01),纤维素降解率达到47.57%,显著高于未处理玉米秸秆(P0.05)。(2)SEM结果显示蒸汽爆破加快了瘤胃微生物对玉米秸秆的粘附和生物被膜的形成。根据上述试验结果,蒸汽爆破可促进瘤胃微生物在玉米秸秆上的粘附,并提高了玉米秸秆的瘤胃降解率。
【图文】：

蒸汽爆破,玉米秸秆,近红外谱,参数

测值０．０８２邋ｍＬ／ｈ误差值仅为４．８８％，证实了该模型的有效性。逡逑２．５蒸汽爆破玉米秸秆近红外光谱及聚类分析逡逑图２－３为不同蒸汽爆破参数下玉米秸秆近红外谱图。可以看出，各处理组玉米秸秆平逡逑均光谱吸收峰位置大致相同，，但吸光值有所不同，各蒸汽爆破参数下玉米秸秆近红外光谱逡逑吸光值均大于未处理玉米秸秆。通过对各处理玉米秸杆近红外光谱进行聚类分析（图２－４），逡逑发现未处理玉米秸秆单成一簇，与各蒸汽爆破参数下的玉米秸杆有明显差别。逡逑—．Ｃｏｎｔｒｏｌ逡逑0．４ｎ逡逑逦Ｐ１．０Ｔ２００Ｗ３０逡逑＾逦邋邋Ｐ１．６Ｔ１１５Ｗ３０逡逑0３逦邋Ｐ１．０Ｔ１１５Ｗ５０逡逑0）逦邋邋Ｐ２．２Ｔ２００Ｗ３０逡逑Ｃ邋、逦逦邋Ｐ２．２Ｔ３０Ｗ３０逡逑■２邋０．２－ｙＫ逦—邋Ｐ１．０Ｔ３０Ｗ３０逡逑Ｉ逦＝＝。逡逑—逦Ｐ１－６Ｔ３０Ｗ５０逡逑？逦逦＇逦Ｐ２．２Ｔ１１５Ｗ１０逡逑ＤＰ逦Ｐ１．６Ｔ２００Ｗ５０逡逑９５０逦１０５０邋１１５０逦１２５０逦１３５０逦１４５０邋１５５０邋１６５０逦Ｐ１．０Ｔ１１５Ｗ１０逡逑Ｎａｎｏｍｅｔｅｒｓ邋（ｎｍ）逦ｐｉ．６Ｔ２0ｏｗｉｏ逡逑图２－３未处理和不同蒸汽爆破参数下玉米秸秆近红外谱图逡逑Ｆｉｇ．２－３邋Ｎ１Ｒ邋ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ邋ｏｆ邋ｒａｗ邋ａｎｄ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋

微观形态,蒸汽爆破,玉米秸秆,放大倍数

２．３蒸汽爆破对玉米秸秆的微观形态及结构特性的影响逡逑２．３．１扫描电镜分析逡逑图３－２邋（Ａ－Ｆ）为扫描电镜（ＳＥＭ）下未处理和蒸汽爆破玉米秸秆的表面微观形态。可逡逑以看出，蒸汽爆破后玉米秸杆表面形态发生了明显变化。２０0ｘ放大倍数下扫描电镜结果显逡逑示，经过蒸汽爆破处理后的玉米秸杆，纤维在胞间层分离，纤维束相互松散分开；５０0ｘ放逡逑大倍数下扫描电镜结果显示，蒸汽爆破玉米秸秆呈现蓬松多孔的结构，纤维束间的内部空逡逑隙暴露出来；ｌ000ｘ放大倍数下扫描电镜结果显示，蒸汽爆破处理后玉米秸秆表面裂纹增逡逑多，表面变得粗糙。逡逑寒＿＿姫，逡逑图３－２玉米秸秆蒸汽爆破处理前后扫描电镜图片；（Ａ－Ｃ）未处理玉米秸秆分别在２００ｘ、５０0ｘ和ｌ0０0ｘ逡逑放大倍数下的扫描电镜图，（Ｄ－Ｆ）蒸汽爆破玉米秸秆分别在２０0ｘ、３00ｘ和ｌ000ｘ放大倍数下的扫描电逡逑镜图。逡逑Ｆｉｇ．３－２邋ＳＥＭ邋ａｎａｌｙｓｉｓ邋ｏｆ邋ｃｏｍ邋ｓｔｏｖｅｒ邋ｂｅｆｏｒｅ邋ａｎｄ邋ａｆｔｅｒ邋ｓｔｅａｍ邋ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ：邋（Ａ－Ｃ）邋Ｕｎｔｒｅａｔｅｄ邋ｃｏｍ邋ｓｔｏｖｅｒ邋ａｎｌｙｓｉｓｅｄ逡逑ａｔ邋２０0ｘ邋５０0ｘ邋ａｎｄ邋１００0ｘ邋ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ邋ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S816

【参考文献】