改性玉米秸秆纤维素

改性玉米秸秆纤维素（精选6篇）

改性玉米秸秆纤维素 篇1

摘要：研究了用磷酸改性的玉米秸秆吸附水溶液中Cu2+的性能,考察了pH、温度、吸附时间、Cu2+初始质量浓度和吸附剂用量对改性玉米秸秆吸附水溶液中Cu2+性能的影响。结果表明:在实验条件下,改性玉米秸秆对Cu2+的吸附率随改性玉米秸秆用量、吸附时间、溶液pH和温度增加而增大,随Cu2+初始质量浓度的增大而降低,其对Cu2+的吸附率可达78.3%。说明改性玉米秸秆对水溶液中Cu2+具有良好的吸附能力。吸附过程的动力学模型拟合结果表明,改性玉米秸秆吸附Cu2+的过程更符合准二级动力学模型。

关键词：改性,玉米秸秆,Cu2+,吸附,动力学

随着现代工业的快速发展,产生的含重金属离子废水日渐增多,这些废水如不经过处理直接排放,会造成环境的严重污染,并通过食物链进入生物体内引发各种疾病,对动物及人体健康产生严重危害[1]。因此,去除废水中重金属离子、净化水体成为环境保护的重要课题。废水中重金属离子去除方法主要有化学沉淀法、电解法、离子交换法和活性炭吸附法等[2]。这些处理方法大多存在成本高、操作较复杂和易造成二次污染等问题,使其应用受到一定限制[3]。生物吸附法由于操作简单、原料来源丰富、环境友好和适宜处理低浓度重金属废水受到广泛关注,得到较多应用,但也存在吸附容量较低、效率不高等问题。因此研究开发价廉高效的生物吸附剂成为环境废水治理的热点之一。

农业废弃物作为一种可再生的生物材料,一般都具有多孔性和较好的机械强度,且含有多种官能团,因此,吸附重金属离子有很大优势[4]。目前,许多农业废弃物或改性农业废弃物已被用作环境废水处理吸附剂[3,4,5,6,7],但有关以改性玉米秸秆作吸附剂,吸附去除水体中Cu2+的研究鲜有报道。本研究以磷酸改性后的玉米秸秆为吸附剂,Cu2+为吸附对象,探讨改性玉米秸秆对Cu2+的吸附作用,试图开发一种新型玉米秸秆吸附材料,为玉米秸秆在环境水体治理中的应用提供理论基础。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

可见分光光度计(723型),上海光谱仪器有限公司;实验室pH计(FE20型),梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;水浴恒温振荡器(THZ-82型),江苏荣华仪器有限公司;电子分析天平(AL104型),梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;循环水式真空泵(SHZ-D(Ⅲ)型),巩义市予华仪器有限公司;高速中药粉碎机,浙江武义屹立工具有限公司。

铜试剂(二乙基二硫代氨基甲酸钠)、五水硫酸铜和氨水,天津市风船化学试剂科技有限公司;硝酸,天津市耀华化学试剂责任有限公司。所用试剂均为分析纯。

1.2 玉米秸秆的改性

玉米秸秆预处理:将玉米秸秆用蒸馏水洗净,置于烘箱中60℃下烘干,粉碎过60目筛,蒸馏水浸泡24h以除去可溶性物和悬浮物,再在50℃下烘干备用。

按参考文献[8]的方法,称取50g预处理后的玉米秸秆于烧杯中,加入500mL浓度为1.0mol/L的H3PO4溶液,在60℃下搅拌反应3h,抽滤,滤渣用蒸馏水清洗,除去游离的磷酸,在50℃下烘干,置于干燥容器内密封备用。

1.3 静态吸附实验

移取25mL一定质量浓度的Cu2+溶液于150mL锥形瓶中,准确加入一定质量改性玉米秸秆,在恒温振荡器中振荡吸附一定时间后,过滤,用分光光度法[9]测定滤液中Cu2+质量浓度,按式(1)、(2)计算改性玉米秸秆对Cu2+的吸附率(η)和吸附量(Qe)。

式中,C0为Cu2+的初始质量浓度,mg/L;Ce为吸附平衡后溶液中Cu2+的质量浓度,mg/L;V为液相的体积,L;m为改性玉米秸秆的用量,g;η为改性玉米秸秆对Cu2+的吸附率,%;Qe为平衡吸附量,mg/g。

2 结果与讨论

2.1 Cu2+初始质量浓度对吸附效果的影响

分别在25mL不同初始质量浓度的Cu2+溶液中加入改性玉米秸秆0.2g,在25℃下振荡吸附60min,考察Cu2+初始质量浓度对吸附效果的影响,结果如图1所示。可以看出,Cu2+初始质量浓度对吸附效果有较大影响,随着Cu2+初始质量浓度的增大,吸附率逐渐降低。其原因主要是定量吸附剂的吸附位点是有限且相对稳定的,当溶液中Cu2+初始质量浓度增大时,改性玉米秸秆吸附容量有限,导致吸附率明显降低[10]。

2.2 改性玉米秸秆用量对吸附效果的影响

在25mL Cu2+质量浓度为20.0mg/L的溶液中,分别加入不同量的改性玉米秸秆,在25℃下振荡吸附60min,考察改性玉米秸秆用量对吸附效果的影响,结果如图2所示。可以看出,改性玉米秸秆用量对吸附效果影响较大,随着改性玉米秸秆用量的增加,对Cu2+的吸附率先迅速增加,而后增加缓慢,最后基本不变。其原因主要是随改性玉米秸秆用量增加,吸附位点增加,与Cu2+接触概率增大,使吸附更易进行,吸附率增大。当改性玉米秸秆用量达到0.2g后,体系吸附基近平衡,再增加吸附剂用量只能增加无效吸附位点,因溶液中大部Cu2+已被吸附,吸附速率变小,导致吸附率基本不变[11]。

2.3 温度对吸附效果的影响

在一系列25mL Cu2+质量浓度为20.0mg/L的溶液中,加入0.2g改性玉米秸秆,在不同温度下振荡吸附60min,考察温度对吸附效果的影响,结果如图3所示。可以看出,随温度升高,改性玉米秸秆对Cu2+的吸附率逐渐增大,但幅度不大。这说明改性玉米秸秆吸附Cu2+的过程为吸热过程,升温有利于吸附,但温度对吸附效果的影响较小。从实际应用考虑,改性玉米秸秆对Cu2+的吸附可在常温下进行。

2.4 溶液pH对吸附效果的影响

在一系列25mL Cu2+质量浓度为20.0mg/L的溶液中,加入0.2g改性玉米秸秆,在25℃下振荡吸附60min,考察溶液pH对吸附效果的影响。考虑pH大于5.0时,Cu2+开始沉淀[1],所以本实验考察pH为小于5.0条件下对吸附效果的影响,结果如图4所示。可以看出,溶液pH对吸附效果具有较大影响,随溶液pH增大,对Cu2+吸附率迅速增大,当pH为5.0时,对Cu2+吸附率达到78.27%。其原因可能是改性玉米秸秆对Cu2+的吸附为离子交换机制,pH较低时,H+在竞争中处于优势,改性玉米秸秆吸附能力低[12]。

2.5 吸附时间对吸附效果的影响

在一系列25mL Cu2+质量浓度为20.0mg/L的溶液中,分别加入0.2g改性玉米秸秆,在25℃下振荡吸附不同时间,考察吸附时间对吸附效果的影响,结果如图5所示。可以看出,吸附时间对Cu2+的吸附效果影响较大,在60min内,吸附率增加很快,在60min后,吸附率增加缓慢,在70min时,吸附基本达到平衡。其原因主要是开始阶段,溶液中吸附位点多,Cu2+质量浓度梯度大,吸附驱动力大,吸附速度较快,吸附率增大快;吸附60min后,溶液中吸附位点和Cu2+浓度减少,吸附驱动力减少,吸附达到平衡,吸附率基本不变。

2.6 吸附动力学研究

吸附过程的动力学主要用来描述吸附的快慢,可通过动力学模型对实验数据进行拟合,推断吸附机理[13]。准一级动力学模型假设吸附过程受扩散步骤控制;准二级动力学模型是假设吸附速率由化学过程控制[14]。

准一级动力学模型的线性方程为:

准二级动力学模型的线性方程为:

式中,k1为准一级速率常数,min-1;k2为准二级速率常数,g/(mg·min);t为吸附时间,min;Qt、Qe分别为t时刻和平衡时的吸附量,mg/g。

应用上述2个动力学模型对改性玉米秸秆吸附Cu2+的实验数据进行拟合。拟合的准一级动力学方程为:

准二级动力学方程为:

按方程求得的动力学模型参数见表1。

由表1可知,准一级动力学模型和准二级动力学模型都能较好地描述改性玉米秸秆对Cu2+的吸附过程(R2=0.93),表明改性玉米秸秆对Cu2+的吸附过程既受扩散步骤控制,也受化学过程控制,是一个复杂的过程。同时,由于准二级动力学模型计算的理论平衡吸附量与实验测定值更接近,且该模型拟合方程的R2高达0.9916,表明准二级动力学模型能更客观地描述改性玉米秸秆对Cu2+的吸附过程。

2.7 玉米秸秆改性前后吸附能力的比较

分别称取0.2g改性玉米秸秆和未改性玉米秸秆分别置于150mL的锥形瓶,加入25mL质量浓度为20.0mg/L的Cu2+溶液,在25℃振荡吸附60min,比较二者对Cu2+的吸附率。结果显示,改性玉米秸秆对Cu2+的吸附率为78.3%,而未改性的玉米秸秆对Cu2+的吸附率仅为56.4%,说明磷酸改性可显著提高玉米秸秆对Cu2+的吸附效果。

3 结论

实验表明,改性玉米秸秆用量、Cu2+初始质量浓度、溶液pH和吸附时间对改性玉米秸秆吸附Cu2+的效果影响较大,温度影响较小。改性玉米秸秆对Cu2+吸附率随改性玉米秸秆用量、溶液pH、吸附时间和温度的增加而增大,随Cu2+初始质量浓度的增加而降低。改性玉米秸秆吸附Cu2+的过程更符合准二动力学吸附模型。实验条件下,改性玉米秸秆对Cu2+的吸附率可达78.3%,表明改性玉米秸秆对溶液中Cu2+具有强的吸附能力,是一种良好的吸附材料。

改性玉米秸秆纤维素 篇2

生物吸附剂主要由纤维素、半纤维素和木质素等结构中的功能性集团,如羟基、羧基等与水中的重金属离子发生相互作用而吸附[5,6]。利用廉价的生物质作为吸附材料成为研究热点[7,8]。张继义等[9]以小麦秸秆作为吸附剂,研究对Cr6+的吸附,最大吸附量为24.6mg/g。李荣华等[10]以玉米秸秆作为吸附剂,研究对Cr6+的吸附,饱和吸附量为14.46mg/g。研究结果表明,直接利用天然纤维素材料作为水处理吸附剂,吸附容量较小,因此提高生物质材料吸附能力成为研究的关键。本研究将季胺基团接枝到玉米秸秆活性基团上,获得改性玉米秸秆吸附剂。考察了改性玉米秸秆对含Cr6+废水的吸附能力,探讨吸附剂用量,吸附溶液pH值、温度和吸附时间对Cr6+吸附效果影响,为改性玉米秸秆吸附剂应用提供理论依据。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

重铬酸钾、二苯碳酰二肼、环氧氯丙烷、N,N-二甲基甲酰胺、二乙烯三胺、三乙胺、丙酮、溴化钾、硝酸、盐酸,国药集团化学试剂有限公司。

高速多功能粉碎机(HCP-100型),华晨有限公司;可见分光光度计(723型),上海菁华仪器科技有限公司;扫描电子显微镜(JSM-5500LV型),日本电子公司;数显酸度计(PHS-3C型),上海魅宇仪器设备有限公司;气浴恒温振荡器(THZ-82B型),常州申光仪器有限公司;元素分析仪(CHNS-2400型),美国Perkinelmer公司。

1.2 改性秸秆吸附剂制备

玉米秸秆,长春大成集团,经粉碎过筛(250~350um)。N,N-二甲基甲酰胺作为有机溶剂,定量玉米秸秆与环氧氯丙烷反应,玉米秸秆中纤维素/半纤维素中的羟基与环氧氯丙烷发生醚化反应生成纤维素醚,再加入二乙烯三胺,纤维素醚与二乙烯三胺发生交联反应生成含氮纤维素醚,最后加入三乙胺,含氮纤维素醚上引入三乙胺中的季胺基团制得改性玉米秸秆吸附剂。

1.3 吸附实验设计

准确称取0.2829g重铬酸钾用1000mL去离子水溶解,定容制得100mg/L储备液。实验过程所用含Cr6+废水,用上述储备液经稀释配制。

准确加入质量(W)的吸附剂和一定体积(V)、浓度为C0的Cr6+溶液,用HCl溶液调节Cr6+溶液的pH值,不同吸附时间后取出过滤,应用分光光度法(波长为540nm)测定滤液中Cr6+的浓度Ce[11,12]。吸附量qe(mg/g)计算见式(1)。去除率η(%)计算见式(2)。

吸附动力学模型选用准1级动力学模型和准2级动力学模型进行拟合运算[13]。准1级动力学方程式见式(3)。

准2级动力学方程式见式(4)。

式中,t表示时刻,s;Qt为t时刻的吸附量,mg/g;Qe为平衡吸附量,mg/g;K1、K2分别为准1级动力学和准2级动力学模型系数。

等温吸附模型采用Langmuir和Freundlich方程就改性玉米秸秆对Cr6+的吸附等温线进行拟合。Langmuir方程式见式(5)。

Freundlich方程式见式(6)。

式中,Qe为平衡时的吸附量,mg/g;Qm为单分子层饱和吸附量,mg/g;Ce为吸附平衡时溶液的质量浓度,mg/L;KL、KF为吸附平衡常数;1/n为浓度指数。

吸附动力学模型和等温吸附模型均以非线性方程的R2值判断拟合程度的优劣。

2 结果与讨论

2.1 改性玉米秸秆用量对Cr6+吸附效果影响

在浓度为100mg/L的Cr6+溶液中分别加入0.01~0.05g改性玉米秸秆,调pH值为2,考察吸附剂用量对Cr6+吸附效果影响,见图1。结果表明,吸附剂用量为0.03g时,去除率达99.9%,此时吸附量为166.5mg/g。初期随吸附剂用量增加,有利于对Cr6+的吸附,去除率增大。当溶液中的Cr6+几乎被完全吸附后,吸附剂用量增大时,去除率不发生变化,但所吸附Cr6+的单位吸附量会减少。综合考虑去除率与吸附量因素,确定吸附剂投加量为0.03g。

2.2 初始溶液pH值对Cr6+吸附效果影响

在100mg/L(质量浓度,下同)的Cr6+溶液中,加0.03g吸附剂,考察pH值变化对吸附效果影响,见图2。分析表明pH值为1~2,改性玉米秸秆对Cr6+吸附率及吸附量迅速增加,pH值为2时,去除率与吸附量达到最大值[14],分别为99.9%、166.5mg/g。

2.3 吸附动力学研究

在浓度为100mg/L的Cr6+溶液中,加0.03g吸附剂,初始pH=2,吸附时间分别为20、30、40、50、60、80、120和150min。考察吸附剂动态吸附效果,见图3。结果表明改性玉米秸秆对Cr6+吸附过程分2个阶段,0~60min阶段吸附速率很快,60min以后吸附速率减慢,在约120min后吸附量达到平衡。

分别选用准一级动力学方程、准二级动力学方程对该过程的吸附动力学进行拟合,分析其动力学机制,拟合相关参数见表1。

由表1可知,准2级动力学方程拟合效果略好于准一级动力学方程,其相关系数R2达到0.989,当R2>0.980时可认为该模型适合描述该吸附过程的动力学。此外,由准二级动力学方程拟合得到的平衡吸附量(168.96mg/g)更接近实验中所得平衡吸附量(166.5mg/g)。所以准二级动力学模型更能反映改性玉米秸秆对Cr6+的吸附过程。

2.4 吸附热力学研究

取0.03g吸附剂加入不同初始浓度100~500mg/L的Cr6+废水中,在20、30和40℃下达到吸附平衡,在20℃时吸附量为166.5mg/g,研究Cr6+平衡质量浓度与吸附量之间的关系,见图4。分析表明随温度升高,改性玉米秸秆的平衡吸附量随之增大。改性玉米秸秆对Cr6+吸附量随着Cr6+浓度增加而增大,但增大速率逐步减小。

2.5 改性玉米秸秆吸附性能

对浓度为100mg/L的Cr6+废水,在吸附剂用量为0.03g,吸附时间120min,pH=2相同条件下,比较玉米秸秆改性前后的吸附效果。玉米秸秆原料对Cr6+去除率为6.44%,吸附量为11.36mg/g。改性玉米秸秆的Cr6+去除率99.9%,吸附量166.5mg/g,改性玉米秸秆的吸附性能大幅度提高。

2.6 微观形貌分析

采用扫描电子显微镜(JSM-5500LV型,日本电子公司)对改性玉米秸秆微观形貌分析,见图5。从图5可知,与玉米秸秆原料[图5(a)]相比,改性后玉米秸秆[图5(b)]表面明显凹凸不平,比表面积增加,纤维素分子间的链接可能更紧密有序。改性玉米秸秆吸附Cr6+后[图5(c)、5(d)]表面呈现更多的颗粒状物质,说明改性玉米秸秆吸附作用可能主要通过接枝季胺活性基团实现。

[(a)玉米秸秆;(b)改性玉米秸秆;(c)改性玉米秸秆吸附Cr6+;(d)改性玉米秸秆吸附Cr6+]

3 结论

在100mg/L(质量浓度)Cr6+废水中,改性玉米秸秆为吸附剂,改性玉米秸秆用量为0.03g、pH=2、吸附温度20℃、吸附平衡时间120min条件下,对Cr6+的吸附率达99.9%,吸附量166.5mg/g。

改性玉米秸秆对Cr6+吸附的动力学符合准2级动力学程,吸附等温线符合Langmuir方程。改性玉米秸秆对Cr6+的吸附是自发吸热过程。

改性玉米秸秆处理含Cr6+废水效果明显,对电镀、制革、金属加工、钢铁制造、染料、纺织工业和铬酸盐生产等领域的含Cr6+废水治理有较好的应用前景。

摘要：对玉米秸秆进行化学改性,应用改性玉米秸秆对含六价铬(Cr~(6+))废水进行吸附研究。研究了改性玉米秸秆吸附剂用量、pH值、温度对废水中Cr~(6+)吸附作用的影响。结果表明:对≤100mg/L(质量浓度)的Cr~(6+)废水,在秸秆用量为0.03g(质量浓度0.6g/L)、pH值为2、吸附温度20℃、吸附平衡时间120min条件下,对Cr~(6+)的去除率为99.9%,吸附量为166.5mg/g。吸附是自发吸热过程。

改性玉米秸秆纤维素 篇3

1 材料与方法

1.1 材料

供试菌种:侧耳 (平10号) 母种, 东北农业大学食用菌研究室;玉米秸秆:上一年收割的干燥、无污染玉米秸秆。

1.2 方法

玉米秸秆处理与分组 (见表1) 。

玉米秸秆被分成3个处理组, 分别由筛网孔径为1.5 cm (Ⅰ组) 、2.5 cm (Ⅱ组) 、3.5 cm (Ⅲ组) 的粉碎机粉碎, 按照单因素随机分组试验设计, 各处理混合拌匀, 自然pH值, 装袋 (长度17 cm×33 cm, 厚度0.4～0.5 mm) , 灭菌 (1.3～1.4 kg/cm, 30 min) , 待温度降低到室温后接种佛州侧耳菌种, 在22～25 ℃恒温培养, 分别于8, 14, 20, 26, 35天采样, 每次采样各处理取3袋, 去袋, 烘干, 粉碎。

1.3 玉米秸秆木质纤维成分的测定

采用ANKOM220 Fiber Analyzer仪器按照VanSoest分析法分析NDF、ADF、纤维素、ADL的含量。

1.4 数据的处理与统计分析

用DPS 3.01软件和Excel 2003进行统计分析, 差异显著时用LSD法做多重比较。

2 结果

侧耳菌生长正常, 试验进展顺利, 试验过程中未出现菌袋发霉、鼠害等现象。

2.1 粒度对玉米秸秆

NDF降解率的影响 (见表2)

注:同行同项数据肩标小写字母不同表示差异显著 (P<0.05) , 大写字母不同表示差异极显著 (P<0.01) 。

2.2 粒度对玉米秸秆

ADF降解的影响 (见表3)

注:同行同项数据肩标小写字母不同表示差异显著 (P<0.05) , 大写字母不同表示差异极显著 (P<0.01) 。

2.3 粒度对玉米秸秆纤维素降解率的影响 (见表4)

注:同行同项数据肩标小写字母不同表示差异显著 (P<0.05) , 大写字母不同表示差异极显著 (P<0.01) 。

2.4 粒度对玉米秸秆

ADL降解率的影响 (见表5)

3 讨论

3.1 粒度对玉米秸秆NDF、ADF降解的影响

统计结果显示, 粒度增大对玉米秸秆中NDF、ADF的降解有推迟作用。原因在于菌丝首先利用其分泌的超纤维素酶溶解表面的蜡质, 然后菌丝进入秸秆内部并产生纤维素酶、半纤维素酶、内切聚糖酶等, 降解秸秆中的木质素和纤维素。秸秆粒度越小与菌丝的接触面积越大, 越有利于植物细胞壁结构的降解。另一方面, 较大的饲料颗粒可以促进咀嚼和唾液的产生, 日粮中的NDF对于维持乳脂率、瘤胃pH值、VFA产量等具有重要意义。Allen M S[1]报道了用切碎的饲草替代未处理饲草, 唾液分泌量下降5%。当饲草长度小于3 mm时日粮中NDF的含量会提高几个百分点;当饲料NDF的含量低于20%时, 细菌产量下降, NDF每下降1%细菌产量减少2.5%。

3.2 粒度对玉米秸秆纤维素降解的影响

提高秸秆利用效率的关键在于“解放”纤维素, 让瘤胃微生物与纤维素接触更充分。白腐真菌产生的酶使与木质素交连在一起的纤维素和半纤维素游离出来, 同时秸秆细胞内可利用的营养物质也暴露出来, 增加了细胞壁及细胞内容物与消化液的接触机会, 使秸秆的消化率提高。试验统计结果显示, 处理Ⅱ、Ⅲ与Ⅰ纤维素含量随降解时间的延长差异变化在极显著和不显著间波动。可能这一点可以从20～26 d ADL降解率的变化中得到体现。

3.3 粒度对玉米秸秆的ADL降解的影响

试验统计结果显示:随玉米秸秆颗粒增大ADL降解率降低, 降解时间延长的趋势明显;各处理纤维素降解率超过木质素 (ADL) 降解率的时间随着粒度增大而延长。在降解的前8 d, 处理Ⅱ、Ⅲ的ADL降解率均高于其他组分的降解率, 仅处理Ⅰ的ADL降解率略低于纤维素降解率, 这都显示出所选菌种在降解初期对底物的选择性。杜甫佑用白腐菌BP2降解玉米秸木质纤维素, 结果木质素 (33.9%) 降解相对速率最快, 降解纤维素的速率 (19.3%) 最慢, 对木质素具有一定的降解优势, 王宏勋也得到了相似的结论。

4 结论

(1) 侧耳菌对玉米秸秆降解过程中, 木质纤维素成分含量与秸秆颗粒大小呈正相关, 与降解时间呈负相关。

(2) 试验所选侧耳菌对玉米秸秆木质纤维成分中的木质素具有一定的降解优势并且玉米秸秆粒度越大这种选择性越明显。

(3) 经14 d的侧耳菌降解, 处理Ⅲ的ADL含量有较大下降 (6.99%) , 同时纤维素损失较小 (0.37%) 。

参考文献

改性玉米秸秆纤维素 篇4

木质纤维素含有近40%的纤维素，玉米秸秆纤维素含量为41%、半纤维素含量24%、木质素含量17%[1]。作为东北的主要农业剩余物，玉米秸秆具有产量稳定，可以集中采集和处理等优点。对于退去叶和髓后的秸皮，由于纤维素含量为44.69%，可以成为造纸行业的纤维素原料来源[2]。面对制浆行业高能耗和高排污处理成本，利用微生物预处理有望成为一种解决的方案。在常温、常压下降解部分秸秆，在接下来的碱法制浆过程，就会需要较低能耗和化学原料，达到节约能源减少排放的效果。

1 瘤胃微生物处理玉米秸秆的机理

1.1 瘤胃微生物的共生、协同作用机理

反刍动物的瘤胃内具有庞大的厌氧微生物菌群，主要包括细菌、真菌、原生动物和甲烷古菌[3,4,5]。其中，瘤胃细菌和瘤胃真菌能分泌与植物降解有关的纤维素酶、半纤维素酶、酯酶、果胶酶和蛋白酶等[6];原虫在瘤胃内处于真菌和细菌的上层食物链，除直接利用纤维素和淀粉外还吞噬瘤胃细菌，是反刍动物单体蛋白主要来源;甲烷古菌与瘤胃真菌[7]和细菌属于寄生关系对他们的代谢产物进一步的利用，同时消除了他们代谢产物的拮抗作用。反刍动物对纤维素等物质的消化是通过瘤胃微生物对纤维物质的粘附作用和酶类的水解作用来实现的[8]。真菌的假根具有穿透能力。植物组织经真菌作用变得疏松，方便细菌的降解作用，过程是瘤胃真菌孢子在15min内附着在秸秆表面，6h后瘤胃真菌的菌丝定殖到细胞壁组织中，24h后大量繁殖，占优势的是含孢子的球形或椭球体细胞[9]。典型瘤胃真菌休的典型孵形结构，标尺25mm，如图1所示[10]。

1.2 瘤胃微生物的作用效果

厌氧微生物没有线粒体，发酵底物所需的能量较有氧呼吸低的多，厌氧发酵终产物为乙酸、丙酸、丁酸、乙醇、乳酸、甲酸等[11]。厌氧发酵的优点是为了保证微生物的自身生长需要大量的降解底物，而不是充分利用底物，这为秸秆利用和代谢产物的应用提供了可能。瘤胃微生物的缺点是不能完全降解底物，秸秆在瘤胃中仅被利用30%左右[7]。其中木质素由于其稳定的结构不被瘤胃微生物利用[12]，但可以溶解到培养基。

1.3 瘤胃微生物作用于玉米秸秆的酶学特性

好氧微生物的纤维素降解酶表现独立性，瘤胃微生物可分泌一系列的纤维多糖降解酶，在这些酶的共同作用下，纤维素、半纤维素逐步被降解成可以为瘤胃微生物所利用的单糖，最终为宿主提供能量和挥发性脂肪酸等物质。从许多厌氧微生物中分离到了多组分的纤维降解酶复合物(即纤维体)它可以将各种参与纤维素和半纤维素降解的酶整合在一起，并将微生物与纤维性底物连接起来，进而实现对纤维素的高效降解[13]。纤维素体是一个大分子结构，由各种酶和酶的亚基装配在独特结构的脚手架亚基上，以协同方式降解纤维多糖，并且负责连接底物和细胞(如图2所示[14])，纤维素体特性决定其有很大作用。

1.4 瘤胃与瘤胃微生物的适应关系及协同对玉米秸秆降解

瘤胃的形态结构、动态的蠕动特性和消化系统对于瘤胃内环境的调控，都为瘤胃微生物的生长提供了便利条件[15]。瘤胃可以吸收VFA、氨、无机盐、水和可溶性糖，同时通过血液系统将营养物质通过瘤胃进入以稳定内环境和提供微生物营养物质[16]。瘤胃真菌假根的穿透作用[10]，瘤胃微生物酶的作用和瘤胃蠕动的机械作用是达到秸秆降解的几个主要因素。

2 基于瘤胃微生物降解机理的仿生工艺

2.1 工艺仿生的生物原型

自然界的各种玉米秸秆生物处理原型中，反刍动物消化系统以其处理量大、高效(周期在24～48h)而成为首选仿生生物原型。在反刍动物消化系统中，瘤胃及其瘤胃微生物对玉米秸秆的作用最为重要，玉米秸秆的降解主要在其中进行。亦即，将瘤胃及其瘤胃微生物的协同处理秸秆过程作为工艺仿生的生物原型。

2.2 可供使用的两种工艺路线

方案1：采用厌氧微生物处理废水方案，直接接种瘤胃内容物，逐渐添加底物进行厌氧微生物驯化，直到稳定运行，适用于大规模秸秆处理。方案2：采用微生物发酵方案，严格控制底物，添加确定的共培养菌种，进行发酵过程调控，适用于实验室及小试研究瘤胃微生物降解规律。

2.3 工艺仿生的可行性

由于瘤胃微生态系统是为达到尽可能高效的秸秆降解率，而本文所说的生物预处理制备玉米秸秆纤维的工艺目的是为了达到较高的半纤维素降解率和相对较低的纤维素降解率。瘤胃微生物基本不能降解木质素，木质素主要是瘤胃微生物的附着点，为了尽量提高半纤维素的降解率，需要尽量解开木质素和半纤维素之间的酯键。由于需求的差异仿生工艺中需要的微生物与瘤胃的微生物体系不可能完全相同，真正相同的应当是瘤胃微生物体系的降解规律，即初级代谢产物成为次级代谢产物的底物，并且相互抑制对方竞争菌。其实瘤胃微生态系统也是随着底物变化发生改变，从另一个角度说明改变瘤胃微生物体系是可行的。

对瘤胃液及真菌经过62代传代的培养液总DNA均能扩增，可以得到条带清晰的PCR产物,真菌培养62代，即200天后，仍能在其培养液中检测到甲烷菌的存在，这说明甲烷菌能与这些厌氧真菌长时间共存[17]。

去除纤毛虫可增加真菌数量。纤毛虫在瘤胃生态系统里的主要作用是增加单细胞蛋白，所以考虑去除纤毛虫。瘤胃真菌与瘤胃细菌共培养出现相互抑制，降低秸秆降解率的问题，主要是相同的底物竞争所致，但他们在瘤胃中共生主要在于具有抑制其他杂菌的作用。

由于瘤胃真菌的独特地位以及瘤胃真菌的酶活高于瘤胃细菌[18]。在瘤胃微生物预处理秸秆纤维体系中首选瘤胃真菌中的单中心体和其降解产物利用菌;瘤胃真菌降解产物厌氧利用菌，要求去除原虫，另外还需要有效的调控手段。

不同瘤胃真菌酶活比较，如表1所示[19]。表1中单中心体N.hurleyensis酶活高于多中心体Orpino-myces sp，足以表现出其在工业降解秸秆的潜力。连续培养木聚糖酶活十倍以上于纤维素酶，与在批次培养中两种酶之酶活相近有较大差别，而高的木聚糖酶活可能会降解更多的半纤维素[20]。单中心真菌中Piromyces的木聚糖酶活要高于Neocallima-stix[21]。

只有有效的调控才能保证较高的降解率，单中心体瘤胃真菌N.hurleyensis连续培养和批次培养降解麦秆，如图3所示[22]。图3说明的是连续培养要高于批次培养，连续培养中半纤维素降解率高于纤维素降解率。玉米秸皮相对含量较少的木聚糖和瘤胃真菌相对高的木聚糖酶活可以大量降解以木聚糖为主要成分的半纤维素，正是这点使玉米秸皮纤维瘤胃微生物预处理工艺成为可能。

3 工业应用存在的问题

3.1 瘤胃微生物降解秸秆仅适合作为玉米秸秆纤维制备的预处理工艺

微生物的复合酶可以对玉米秸秆产生多种作用，但还无法完全替代碱法制浆工艺。碱法制浆的机理：一是木质素与碱作用生成碱木素，树脂被皂化成树脂皂，蜡质被乳化，三者均被溶解，大部分被除去，使纤维得以分离，主要成分木质素被除去;二是大部分半纤维素直接溶解在碱液中，并水解成戊糖，主要成分半纤维素被除去;三是纤维素发生碱性氧化降解，聚合度降低，有利于达到粘胶纤维的指标要求;四是碱液使纤维细胞膨润，初生壁被破坏，浆粕的反应得以继续。对纤维进行高温碱蒸煮过程中发生了多种反应，而且是有利于纤维素的分离[23]。生物方法如能产生上述作用就可以取代碱法制浆粕工艺，如果能部分取代上述反应，则可以进行纤维原料的预处理，降低用碱量和能耗。

由于瘤胃微生物降解后的木质素没有完全脱离，还粘附在半纤维素上，角质层的酯类物质是否降解还不确定，一部分半纤维素并未降解。因此，这种处理不能完全替代碱法制备纤维浆粕，只能作为预处理工艺。

3.2 瘤胃微生物发挥高效作用需要特殊的环境

瘤胃微生物属于极度厌氧的微生物，需要严格的厌氧环境和稳定的内环境，温度不能高于42℃，代谢产物需要被瘤胃吸收，瘤胃壁还需渗出营养物质供微生物生长需要，唾液需要不断添加调节微生物生长的内环境满足pH值和微量元素之需要。只有连续培养情况下，半纤维素降解率才高于纤维素降解率，批次培养下纤维素降解率高于半纤维素降解率[10]。瘤胃微生物只有在连续培养的环境下才能真正发挥瘤胃真菌的高效降解特性，并且有望实现秸秆纤维制备瘤胃微生物预处理工艺。

4 瘤胃微生物前处理工艺应用关键问题

4.1 瘤胃微生物的共培养技术

厌氧微生物共培养的降解处理有广泛应用。传统的池塘沤麻，其实就是利用了池塘底部的厌氧微生物体系进行麻的脱胶预处理，现在已开始菌种分离和调控研究[24]。污水的厌氧菌群落对废水的降解处理、瘤胃真菌和甲烷菌共培养能够提高半纤维素的利用及降解率，其主要原因是共培养改变了厌氧真菌的代谢产物类型，而且增强了酶活，这是因为真菌代谢产物乳酸和甲酸被甲烷菌利用生成乙酸和甲烷[6,25]。预计利用瘤胃真菌和其产物利用菌共培养进行玉米秸秆纤维预处理是完全可以实现的。瘤胃真菌与其它可利用其代谢产物的瘤胃细菌同样可以共培养，如瘤胃真菌与反刍兽月形单胞菌共培养，纤维发酵程度增加[26]。

反刍动物对秸秆的利用堪称自然界的典范，可以作为仿生原型。瘤胃和其内部的微生物菌群构成一个复杂的生态系统。运用可调控的人工系统和有限的几种瘤胃微生物实现降解半纤维素，解开木质素与半纤维素的连接及纤维素与半纤维素的连接，成为工业化应用可行性的关键。

4.2 满足瘤胃微生物生长的设备

利用瘤胃微生物进行玉米秸秆纤维预处理，需要提供一个供瘤胃微生物生长繁殖的装置，孟庆翔曾设计一套全瘤胃液发酵装置[27]。相关人员在使用后认为一个比较理想的持续人工瘤胃发酵装置应包括：发酵系统、喂料系统、缓冲液输送系统、气体导入系统、排出物收集系统(包括气体收集系统和固、液相食糜收集系统)、pH值校正系统、加热控温系统和搅拌系统[28]。

笔者依据瘤胃这一生物原型仿生设计了一种蠕动发酵罐[29]。其具有发酵内环境调控、发酵与分离耦合的功能，受控的振动部件作用于柔性内囊，产生蠕动混料效果，滤膜在柔性内囊与其相接触。其原理简图，如图4所示。

1.膜渗出液出口管2.E字形支架支撑圆环体3.E字形支架下脊4.E字形支架中的大半圆环体5.E字形支架上脊6.培养基液体入口管7.排气口管8.Z型弹簧9.换热管10.进料管11.支撑壁12.柔性壁13.螺旋弹簧14.压电片15.下半部分膜16.发酵产物出口管17.排渣管

5 结束语

改性玉米秸秆纤维素 篇5

近年来,淀粉型浸润剂已成为纺织纱浸润剂中的主流。但淀粉溶液成膜性差,易回生,不耐酸和高温等缺点。通过物理和化学方法处理能得到克服淀粉自身缺陷的改性淀粉。主要方法有:醚化、交联、酶解、接枝和酯化等。此外,在淀粉成膜剂中添加助剂也能起到优化成膜剂的性能[3,4,5]。

魔芋葡甘露聚糖是一种从魔芋块茎中提取得到的复合凝胶多糖。分子内具有大量的羟基,可作为乳化剂、稳定剂和填充剂,在化工生产各领域都有很好的应用前景[6,7,8]。本研究选取廉价易得的玉米淀粉为原料,采用魔芋葡甘露聚糖对其改性,制得性能优异的改性淀粉型浸润成膜剂,并研究了魔芋葡甘露聚糖含量对乳液、薄膜和浸润纱线性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要材料与试剂

玉米淀粉(使用前在45℃下烘12h),陕西西安下店玉米淀粉厂;魔芋葡甘露聚糖,四川绵阳安县都乐魔芋制品有限公司;EC9-34型玻璃纤维(68Tex),四川省玻纤集团有限公司;丙酮、无水硫酸钠、丙三醇,均为分析纯,成都市科龙化工试剂厂。

1.2 仪器

旋转黏度计(DV-Ⅱ+Pro型),美国博勒飞公司;表面张力仪(K-100型),德国克吕士公司;万能试验机(H5KS型),美国天氏欧森公司;激光粒度分析仪(MS2000型),英国马尔文仪器有限公司。

1.3 样品的制备

称取一定量的玉米淀粉和魔芋葡甘露聚糖,配制成总质量分数为5%(wt,质量分数,下同)的混合溶液,其中魔芋葡甘露聚糖的质量分别为总质量的4%、8%、12%和16%,再加入少量的甘油和氯化钠作为增塑剂和抗回生剂,在90℃水浴下搅拌1h,冷却至室温,制得魔芋葡甘露聚糖改性玉米淀粉浸润成膜剂;将成膜剂在玻璃板和聚四氟乙烯平板上铺膜,并置于电热鼓风干燥箱中45℃下烘干12h,即制得魔芋葡甘露聚糖改性玉米淀粉薄膜成品。

模拟工业玻璃纤维牵引浸润原理,将玻璃纤维原丝涂覆魔芋葡甘露聚糖改性玉米淀粉浸润成膜剂,浸润后纱线在50℃烘箱中烘干48h,即制得浸润后的纱线成品。

1.4 性能测试

1.4.1 成膜剂性能的测试

取适量的魔芋葡甘露聚糖改性玉米淀粉浸润成膜剂,采用旋转粘度计(DV-Ⅱ+Pro型,美国博勒飞公司)对样品的溶液黏度进行测试。采用激光粒度分析仪(MS2000型,英国马尔文仪器有限公司)对样品进行溶液粒度测试。采用吊片法测定溶液表面张力。所得数据均为3次测试数据的平均值。采用静置法测定浸润成膜剂的凝沉性,采用黏度法测定浸润成膜剂的短期回生率。凝沉稳定性和回生率指标共同评价了浸润成膜剂稳定性能的好坏。

1.4.2 薄膜性能的测定

采用铅笔硬度测试法测试涂膜的硬度,采用百格刀测试法测定薄膜与玻璃板表面的漆膜附着力。薄膜吸潮率计算见式(1)。

式中,m1为薄膜干重,g;m2为置于养护箱(20℃,75%RH)24h的薄膜质量,g。

1.4.3 纱线性能的测试

采用万能试验机(H5KS型,美国天氏欧森公司)测定玻纤纱线的拉伸断裂强力。采用悬挂法测定纱线的硬挺度。内层与外层纱线灼烧率计算见式(2)。玻璃纤维的外迁率计算见式(3)。

式中,w0为涂覆浸润剂后纱线质量,g;w1为原玻璃纤维纱线质量,g。

2 结果与讨论

2.1 改性淀粉成膜剂的黏度性能分析

魔芋葡甘露聚糖含量对改性淀粉成膜剂黏度的影响图见图1。从图可以看出,成膜剂黏度随着魔芋葡甘露聚糖含量增加而变大,这是因为魔芋葡甘露聚糖溶液的自身黏度大于淀粉溶液,原淀粉成膜液在加入魔芋葡甘露聚糖后,魔芋葡甘露聚糖分子与淀粉分子缔合分子间氢键,使分子增大,分子链延长,分子间摩擦力变大,溶液流动性变差[9]。黏度对浸润成膜剂对玻纤的吸附粘接性能和玻纤原丝的集束性有着很大影响。黏度过高,会导致灼烧率过高以及对牵引拉丝过程产生阻力,但黏度过低,成膜剂集束性和粘结性也会受到影响。因此必须适当控制成膜剂的黏度,使之既对玻纤具有好的粘附性能以提高原丝集束性,又不会影响纱线浸润和后续的纺织加工过程。当魔芋葡甘露聚糖含量为8%时的成膜剂黏度为35.69MPa·s,此时成膜剂具有最适中的黏度取值。

2.2 改性淀粉成膜剂的表面张力性能分析

葡甘露聚糖含量对改性淀粉成膜剂表面张力的影响图见图2。从图可以知,成膜剂的表面张力随魔芋葡甘露聚糖含量的增加而下降。这是由于魔芋葡甘露聚糖分子主链是疏水的,而链端的—OH是亲水基团,可以自发在成膜剂的表面定向吸附,呈现亲水基指向溶液,疏水基背离溶液相,成膜剂表层的水分子层被疏水基团打破,这些疏水基团隔离和降低水分子间的相互作用,使得成膜剂的表面张力下降。

2.3 改性淀粉成膜剂的粒度及稳定性性能分析

改性淀粉成膜剂的粒度、凝沉稳定性、回生率表见表1。表1中样品编号1—5分别表示魔芋葡甘露聚糖含量为0%、4%、8%、12%和16%时的改性淀粉成膜剂。从表1可知,经过改性后淀粉的粒径平均粒径明显增大,均在(40±5)μm,大于原淀粉的35.646μm,说明淀粉分子和魔芋葡甘露聚糖分子通过氢键和范德华力发生了分子间结合。魔芋葡甘露聚糖含量升高,结合量增多,粒径逐渐变大。

注:(1)样品编号1—5分别为魔芋葡甘露聚糖含量0%、4%、8%、12%和16%的改性成膜剂。

2.4 改性淀粉膜的硬度、漆膜附着力和吸潮率分析

改性淀粉膜的硬度、漆膜附着力和吸潮率表见表2。淀粉膜由于分子间结合力不强,表面分子分散不均,很容易出现空隙,薄膜硬度不高,附着性也不好。加入魔芋葡甘露聚糖后,膜性能明显得到改善。这是由于魔芋葡甘露聚糖成膜性更好,2种分子通过缔合氢键交联呈网状,使得溶质粒子分散更均匀,弥补了膜的孔洞、使成膜更致密、硬度更高。随着魔芋葡甘露聚糖含量的增加,分子间结合更为紧密,薄膜的硬度更高。漆膜附着力与薄膜硬度变化规律一致,魔芋葡甘露聚糖是多羟基化合物,加入魔芋葡甘露聚糖使得分子中羟基增多,所成膜与玻璃板表面贴合得更好,贴合度远优于原淀粉成膜剂。漆膜附着力则反映了浸润成膜剂与玻纤表面键合作用的大小。原淀粉膜的吸潮率为45.61%,魔芋葡甘露聚糖含量为8%时的改性淀粉成膜剂制得的改性淀粉膜的吸潮率为19.69%。经过魔芋葡甘露聚糖改性淀粉膜在吸潮率方面要优于原淀粉膜,这是由于魔芋葡甘露聚糖能与淀粉通过氢键作用形成更牢固的网状结构,弥补淀粉膜的孔洞,薄膜更加致密,能有效地阻止水分子的进入,降低了吸潮率。

2.5 改性成膜剂浸润后纱线的灼烧率分析

魔芋葡甘露聚糖含量对改性成膜剂浸润后纱线灼烧率的影响见图3。灼烧率的大小可以反映成膜剂在纱线上涂覆量的多少。从图可知,在牵引速度相同的条件下,经魔芋葡甘露聚糖改性后的淀粉成膜剂浸润后的外层纱线灼烧率高于原淀粉成膜液浸润后的外层纱线,这主要因为:魔芋葡甘露聚糖加入后,溶液黏附性增加,能有效地粘接和铺展在玻璃纤维表面;魔芋葡甘露聚糖是多羟基化合物,能与带Si—OH的玻璃纤维表面有更好地贴合,使之对纱线起到良好的粘接作用的同时也使得其在玻璃纤维表面的涂覆量增大。魔芋葡甘露聚糖含量为8%时的改性淀粉成膜剂浸润后纱线的灼烧率为4.2%。魔芋葡甘露聚糖含量为16%时的改性淀粉成膜剂浸润后纱线的灼烧率为7.0%。

2.6 改性成膜剂浸润后纱线的外迁率、硬挺度和拉伸强度的性能分析

外迁率是考察浸润成膜剂性能的又一重要指标。它的产生主要由拉丝过程丝饼受向外离心力作用和烘干过程中水分子蒸发带动有机物向外迁移两方面原因综合所致[10]。改性成膜剂浸润后的纱线的外迁率、硬挺度和拉伸强度表见表3。从表3可知,魔芋葡甘露聚糖改性的淀粉成膜剂浸润后的纱线在外迁性能上明显优于原淀粉成膜剂浸润的纱线,因为改性后成膜剂粒度变大、黏度升高、更多的羟基使得其与玻璃纤维贴合的更为紧密,在拉丝和烘干时均不易发生外迁。

硬挺度和拉伸强度可以反映纱线的力学性能,其变化趋势与魔芋葡甘露聚糖含量呈正比关系。通过改性成膜剂的浸润后,纱线的硬挺度和拉伸强度明显优于玻璃纤维原丝和原淀粉浸润后的纱线,当魔芋葡甘露聚糖含量为8%时,浸润纱线硬挺度达到了5.07cm,拉伸强度达到0.44N/tex,已与市场上所销售的石蜡型玻纤纱线力学性能相当[11]。由于浸润后的纱线表面被韧性更大的改性淀粉膜包裹,集束性得以提高,不易发生破损,抗拉伸强度增大,故改性淀粉成膜剂浸润后纱线力学性能优于原淀粉成膜剂浸润纱线。

3 结论

(1)成功制得新型的魔芋葡甘露聚糖改性玉米淀粉浸润成膜剂,确定魔芋葡甘露聚糖含量为8%时的浸润成膜剂性能最佳,改性成膜剂能更好地吸附和铺展于玻璃纤维表面,凝沉稳定性和回生率也得到了改善。

(2)当魔芋葡甘露聚糖含量为8%时,改性成膜剂性能最佳,黏度为35.69MPa·s,表面张力为51.84mN/m;改性成膜剂浸润后的纱线力学强度最佳,拉伸断裂强度为0.44N/tex,硬挺度为5.07cm,综合性能优异。

魔芋葡甘露聚糖改性玉米淀粉浸润成膜剂性能优良,在纺织领域有较好的应用前景。

摘要：以玉米淀粉为原料,添加魔芋葡甘露聚糖对其共混改性,制得改性淀粉型浸润成膜剂。研究了魔芋葡甘露聚糖含量对乳液、薄膜和浸润纱线性能的影响。当魔芋葡甘露聚糖含量为8%时,改性成膜剂性能最佳,黏度为35.69MPa·s,表面张力为51.84mN/m,成膜剂能够有效地吸附和铺展在玻璃纤维表面,薄膜更加致密;改性成膜剂浸润后的纱线力学强度最佳,拉伸断裂强度为0.44N/tex,硬挺度为5.07cm,综合性能优异。

关键词：玻璃纤维,成膜剂,玉米淀粉,魔芋葡甘露聚糖,改性

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改性玉米秸秆纤维素 篇6

1 材料与方法

1.1 试验设计

复合秸秆发酵菌由黑龙江省农业科学院畜牧研究所提供, 每吨粉碎玉米秸秆加入红糖2 kg、食盐7 kg、水500 kg、试验Ⅰ组加发酵菌2 kg、试验Ⅱ组加发酵菌4 kg, 室温 (15℃以上) 条件下发酵30 d。

试验选用体重为550 kg左右、泌乳期安装永久性三位点瘘管的健康荷斯坦奶牛 (由东北农业大学实验基地提供) 3头。采用3×3拉丁方试验设计, 各组日粮精饲料相同, 粗饲料不同, 对照组为羊草和未处理秸秆, 试验组为羊草和发酵秸秆。试验共3期, 每期20 d。试验在东北农业大学香坊实习基地进行。奶牛日粮营养需要参照2004年版《奶牛饲养标准》, 日粮精粗比控制在50∶50, 基础日粮组成及营养水平见表1。

注:每千克预混料中Cu 4 560 mg, Mn 4 590 mg, Zn 12 100 mg, I270 mg, Co 60 mg, 维生素A 200 000 IU, 维生素D3450 000 IU, 维生素E 10 000 IU, 烟酸3 000 mg。泌乳净能为计算值, 其他营养水平为实测值。

1.2 饲养管理

试验牛均舍饲栓系, 各组饲养管理条件相同, 每日6:00、18:00各饲喂1次, 先粗后精, 自由饮水, 注意观察牛只采食和反刍情况。

1.3 样品的采集

每期试验的第18天, 在供体牛饲喂0, 2, 4, 6, 8小时时分别采集瘤胃内容物50 m L左右, 4层纱布过滤, 冷冻保存瘤胃液, 用于测定菌体蛋白浓度和瘤胃内纤维素酶活性。

1.4 指标的测定

将冷冻保存的样品置4℃冰箱中解冻, 4 000 r/min离心15 min;收集上清液, 再以20 000 r/min离心20 min;收集沉淀, 采用全自动凯氏定氮仪测定菌体蛋白浓度, 采用3, 5-二硝基水杨酸比色法 (DNS法) 测定瘤胃内纤维素酶活性。

1.5 统计学分析

采用Excel 2007软件对试验数据进行整理, 运用JMP 7.0.1软件包中的模型拟合方差进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 发酵玉米秸秆对菌体蛋白浓度的影响 (结果见表2)

mg·dL-1

注:同行数据肩标字母完全不同表示差异显著 (P<0.05) , 含相同字母或无肩标表示差异不显著 (P>0.05) 。

由表2可知:试验Ⅱ组菌体蛋白浓度在4~8 h显著高于对照组 (P<0.05) ;试验Ⅰ组在6~8 h显著高于对照组 (P<0.05) ) ;其他时间段, 随着时间的延长, 试验组菌体蛋白浓度均有增加的趋势, 但差异不显著 (P>0.05) 。各组均在饲喂8小时时达到最大值。

2.2 发酵玉米秸秆对瘤胃纤维素酶活性的影响 (结果见表3)

由表3可知:试验组木聚糖酶、微晶纤维素酶活性与对照组相比差异极显著 (P<0.01) ;羧甲基纤维素酶活性与对照组相比差异显著 (P<0.05) ;试验Ⅱ组水杨苷酶活性显著高于对照组 (P<0.05) , 而试验Ⅰ组水杨苷酶活性比对照组提高13.44% (P>0.05) ;试验Ⅱ组木聚糖酶活性极显著高于试验Ⅰ组 (P<0.01) ;微晶纤维素酶、羧甲基纤维素酶、水杨苷酶这3种酶的活性2个试验组间差异不显著 (P>0.05) 。

IU

注:同行数据肩标小写字母完全不同表示差异显著 (P<0.05) , 大写字母不同表示差异极显著 (P<0.01) , 含相同字母或无肩标表示差异不显著 (P>0.05) 。

3 讨论

菌体蛋白是微生物经复杂发酵过程合成的, 是反刍动物最主要的氮源供应者, 可满足其营养需要量的40%~80%[1,2]。本试验结果表明, 试验Ⅱ组菌体蛋白浓度在4~8 h显著高于对照组, 试验Ⅰ组在6~8 h显著高于对照组, 饲喂发酵秸秆4 h后, 瘤胃菌体蛋白浓度升高, 而NH3-N浓度逐渐降低, 说明有较多的NH3被细菌利用, 此时瘤胃内含有足量的能量和氮源, 因而细菌菌体蛋白浓度逐渐升高, 这与刘大程等[3]的研究结果类似。本试验结果表明, 试验组木聚糖酶、微晶纤维素酶活性与对照组相比差异极显著 (P<0.01) , 羧甲基纤维素酶活性显著高于对照组 (P<0.05) 。木聚糖酶、微晶纤维素酶、羧甲基纤维素酶、水杨苷酶是瘤胃内分解纤维素的重要酶类, 能直接反映出瘤胃微生物降解粗纤维的作用。玉米秸秆发酵后, 能够向瘤胃微生物提供更多的易消化细胞壁的物质、蛋白质和营养底物, 有利于刺激纤维分解菌的生长和繁殖, 从而提高各种纤维素酶的活性, 这与刘彩娟等[4]、吕文龙等[5]研究结果相似。

摘要：为了研究发酵玉米秸秆对泌乳期奶牛瘤胃菌体蛋白及纤维素酶的影响, 试验选取3头体况相近、健康的泌乳期荷斯坦奶牛, 分为对照组 (未处理秸秆) 、试验Ⅰ组 (低菌发酵秸秆) 和试验Ⅱ组 (高菌发酵秸秆) , 采用3×3拉丁方试验设计, 试验分为3期, 每期20 d。结果表明:试验Ⅱ组菌体蛋白浓度在48 h显著高于对照组 (P<0.05) , 试验Ⅰ组在68 h显著高于对照组 (P<0.05) ) ;试验组木聚糖酶、微晶纤维素酶活性与对照组相比差异极显著 (P<0.01) , 羧甲基纤维素酶活性显著高于对照组 (P<0.05) ;试验Ⅱ组水杨苷酶活性显著高于对照组 (P<0.05) 。说明饲喂发酵玉米秸秆后, 有利于维持瘤胃功能的健康, 提高瘤胃内纤维素酶活性。

关键词：发酵,玉米秸秆,奶牛,瘤胃,菌体蛋白,纤维素酶

参考文献

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