形态结构玉米秸2012-Cell morphology and chemical characteristics of corn stover fractions

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《玉米秸秆细胞壁纤维素可消化性机制研究》范文

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《玉米秸秆细胞壁纤维素可消化性机制研究》篇一一、引言随着农业生产的快速发展,玉米秸秆的产量逐年增加,如何有效利用这一丰富的资源成为了一个重要的研究课题。

玉米秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素等组成,其中纤维素是一种重要的可再生资源。

然而,由于玉米秸秆细胞壁纤维素的复杂结构,其消化利用率一直较低。

因此,研究玉米秸秆细胞壁纤维素的消化性机制,对于提高其利用效率和推动农业可持续发展具有重要意义。

二、玉米秸秆细胞壁纤维素的组成与结构玉米秸秆细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。

纤维素是一种由葡萄糖分子组成的长链高分子化合物,具有高度有序的微观结构。

半纤维素则是一种复杂的杂多糖,与纤维素交织在一起。

木质素则是一种复杂的酚类化合物,主要起到增强细胞壁的作用。

这些组分相互交织,形成了玉米秸秆细胞壁的复杂结构。

三、玉米秸秆细胞壁纤维素的消化性机制玉米秸秆细胞壁纤维素的消化性机制主要涉及生物化学和生物物理过程。

首先,纤维素需被动物或微生物产生的纤维素酶分解,使其成为可被吸收利用的小分子物质。

这一过程中,纤维素酶通过与纤维素分子表面的特定结构相互作用,逐渐将长链分子切割成短链分子。

此外,半纤维素和木质素的降解也对纤维素的消化性产生影响。

半纤维素和木质素的降解有助于暴露出更多的纤维素分子,从而提高其消化性。

四、影响玉米秸秆细胞壁纤维素消化性的因素1. 酶解条件:酶解温度、pH值、酶浓度等都会影响纤维素酶的活性,从而影响纤维素的消化性。

2. 纤维素的结构:纤维素的结晶度、聚合度、分子链排列等都会影响其被酶解的难易程度。

3. 微生物种类:不同种类的微生物产生的纤维素酶具有不同的特性和活性,对纤维素的消化性产生影响。

4. 半纤维素和木质素的含量:半纤维素和木质素的含量越高,越容易与纤维素形成复杂的网络结构,增加纤维素的消化难度。

五、提高玉米秸秆细胞壁纤维素消化性的途径1. 酶解条件优化:通过调整酶解温度、pH值、酶浓度等条件,提高纤维素酶的活性,从而增强纤维素的消化性。

不同方法预处理的玉米秸秆结构与酶解分析

不同方法预处理的玉米秸秆结构与酶解分析

DOI :10.11895/j.issn.0253⁃3820.171238不同方法预处理的玉米秸秆结构与酶解分析史旭洋1 钱程2 刘艳1 刘心同1 尚鑫1 刘硕2刘禹廷2 于藴波2 张军2 任晓冬*11(吉林大学生命科学学院,长春130012) 2(吉林省公安厅物证鉴定中心,长春130000)摘 要 在利用秸秆进行工业转化时,因为秸秆结构复杂,导致转化效率低,所以需对秸秆进行预处理,破坏秸秆复杂结构,提高转化效率㊂采用扫描电镜(SEM)㊁傅里叶变换红外光谱(FT⁃IR)和X 射线衍射技术分析不同预处理方式对玉米秸秆微观结构的影响,并利用纤维素酶对不同预处理秸秆进行酶解,评价预处理效果㊂扫描电镜结果表明,不同预处理方式对秸秆表面形态和秸秆整体结构造成不同程度的破坏,其中NaOH 预处理后的秸秆表面结构坍塌明显,表明木质纤维素结构被有效打破㊂利用傅里叶变换红外光谱对不同预处理方式的秸秆进行分析,其中1600和1510cm -1为木质素的特征峰,NaOH 预处理后的秸秆在此处的特征峰基本消失,表明NaOH 预处理对秸秆木质素的去除效率比较明显㊂1744~1734cm -1为=C O 伸缩振动特征峰,此峰的强度与木质素和半纤维素的含量有关,采用不同方法预处理后,此峰的吸收强度不同程度地减少,表明各种预处理方法不同程度地去除了秸秆的木质素和半纤维素㊂X⁃射线衍射分析表明,不同预处理后秸秆的结晶度均发生不同程度的改变,其中H 2SO 4预处理后秸秆的结晶度提高最大,达到43.4%㊂其中NaOH 预处理秸秆后,用纤维素酶酶解60h,使其酶解产糖量达到33.32g /L㊂本研究分析了不同秸秆预处理方法的效果,为利用玉米秸秆生产生物化工产品提供了理论依据㊂关键词 秸秆;扫描电镜;傅里叶变换红外光谱;X 射线衍射;预处理;酶解 2017⁃09⁃08收稿;2018⁃07⁃14接受本文系公安部应用创新计划项目(No.2017YYCXJLST020)资助*E⁃mail:renxiaodong@1 引言木质纤维素是自然界上最丰富的自然资源,利用木质纤维素可以生产多种生物化工产品㊂目前,农业废弃物秸秆㊁麦秆等的处理成为影响环境和生态的重大问题㊂通过生物炼制的手段将秸秆㊁麦秆等木质纤维素制成生物化工产品,是秸秆高效转化的重要途径[1]㊂利用木质纤维素进行生物炼制,首先需要对木质纤维素进行糖化,将木质纤维素转化为葡萄糖等单糖后,再通过发酵将葡萄糖转化成生物化工产品[2]㊂木质纤维素主要由纤维素㊁半纤维素和木质素3种成分组成,其中半纤维素和木质素相互缠绕,将纤维素包裹起来形成一种相互缠绕的结构,这种复杂的空间结构使木质纤维素可以有效抵抗外部环境㊂在进行生物炼制时,这种特性使得纤维素酶降解纤维素的效率降低[3]㊂因此,在利用木质纤维素时,需要对其进行预处理,打开纤维素㊁半纤维素和木质素相互缠绕的结构,以提高纤维素酶的水解效率㊂目前,工业上使用的预处理方法主要有H 2SO 4㊁NaOH㊁CaO 和H 2O 2处理等方法[4]㊂其中H 2SO 4等稀酸溶液在预处理过程中主要是破坏秸秆中的半纤维素成分,通过溶解部分半纤维素,从而打开秸秆本身纤维素㊁半纤维素和木质素相互缠绕的结构;NaOH㊁CaO 和H 2O 2等碱性溶液主要是破坏秸秆中木质素成分,从而破坏秸秆原有的结构㊂本研究采用不同方法对玉米秸秆进行预处理,分别用扫描电镜㊁傅里叶变换红外光谱和X⁃射线衍射对预处理的秸秆进行分析,探讨了不同的预处理方式对秸秆结构的影响㊂对不同方式预处理的秸秆进行了纤维素酶酶解效率评价,为利用玉米秸秆生产生物化工产品提供了理论依据㊂第46卷2018年9月 分析化学(FENXI HUAXUE) 研究报告Chinese Journal of Analytical Chemistry 第9期1501~15062051 分析化学第46卷2 实验部分2.1 仪器与试剂1200Series高效液相色谱仪(德国安捷伦公司);FEI Quanta200扫描电镜(荷兰FEI公司); Shimadzu IRPrestige⁃21傅里叶变换红外光谱仪(日本岛津公司);Bruker D8晶体衍射仪(XRD,德国布鲁克公司);HZ⁃8802S水浴恒温振荡器(上海智诚公司);722E型可见分光光度计(上海光谱公司);标准品均购于自Sigma⁃Aldrich公司;H2SO4㊁NaOH㊁CaO和H2O2等试剂均为优级纯;实验用水为去离子水㊂玉米秸秆为吉林省种植的玉米的秸秆㊂2.2 秸秆的预处理秸秆的预处理参照文献[4]的方法㊂向500mL摇瓶中加入30g玉米秸秆,分别加入60mL10% (m/V)H2SO4㊁60mL10%(m/V)NaOH或12g CaO,加水至总体积为300mL,使H2SO4㊁NaOH或CaO 的终浓度分别为2%㊁2%和4%㊂用封口膜封口,121℃反应1h;另向500mL摇瓶中加入30g秸秆,之后加入20mL30%H2O2,加水至总体积为300mL,即H2O2的终浓度为2%,用5mol/L NaOH调节至pH11.5,然后在65℃水浴摇床中摇振3h㊂在500mL摇瓶中加入30g秸秆,加水至总体积为300mL,煮沸1h㊂待上述各反应体系温度降至室温后,用八层纱布过滤预处理液,用去离子水冲洗处理后的秸秆,室温晾干后,-20℃保存,备用㊂2.3 成分分析玉米秸秆中纤维素㊁半纤维素和木质素的含量按美国能源部可再生能源实验室(NREL)的方法测定[5]㊂2.4 电镜观察取少量预处理后的样品,分别烘干㊁粉碎㊁过筛,用导电双面胶带固定在样品台上,在真空环境下进行镀金处理,物料表面形成一层导电膜后,用扫描电子显微镜(SEM)进行观察㊂2.5 傅里叶变换红外光谱(FT⁃IR)分析取预处理后的样品,以1∶100比例同KBr混匀后,在玛瑙研钵中研磨至200~300目粉末,于红外压片机上制成透明薄片,利用傅里叶变换红外光谱仪进行测试,波数扫描范围为4000~400cm-1,分辨率为4cm-1,单一样品共进行32次累加㊂2.6 X⁃射线衍射分析取预处理后的样品,用Bruker D8晶体衍射仪进行纤维素的结晶度分析㊂其中,扫描范围10°~50°(2θ),扫描速度2°/min,扫描电压30kV,扫描电流30mA㊂样品的结晶度(CrI)采用公式(1)计算:CrI(%)=[(I002-I am)/I002]×100(1)式中,I002为002晶格衍射角的峰值,即结晶区的衍射强度;I am为无定形区域衍射强度峰值㊂2.7 纤维素酶酶解反应取含1.2g纤维素的上述预处理秸秆,加入pH5.0的50mmol/L柠檬酸缓冲液和15FPU/(g纤维素)的纤维素酶,补加水至40mL㊂置于水浴摇床上,50℃以130r/min酶解72h,每12h取样一次,离心,取上清液㊂利用高效液相色谱仪,采用伯乐Aminex HPX⁃87H柱测定葡萄糖浓度㊂高效液相色谱条件为:柱温65℃,用0.005mol/L H2SO4以0.6mL/min的流速洗脱㊂3 结果与讨论3.1 不同预处理方式对秸秆成分的影响秸秆中纤维素㊁半纤维素和木质素三者之间复杂的结构关系,严重阻碍了纤维素酶对纤维素的可及性,从而降低了纤维素酶水解产率㊂因此,需要采用化学和物理方法对秸秆进行预处理,尽可能除去秸秆中的木质素和半纤维素,打破秸秆原有的结构,从而提升酶解效率[6]㊂采用不同方式预处理的秸秆成分如表1所示㊂经过不同方式预处理后,秸秆的纤维素含量均上升,而木质素含量均下降㊂H2SO4预处理后秸秆的纤维素含量最高,达59.8%,木质素含量为16.8%㊂NaOH 预处理后,纤维素含量为52.1%,木质素含量仅为8.3%㊂CaO 和碱性H 2O 2处理后,纤维素含量分别为41.5%和49.9%,木质素含量分别为14.7%和13.0%㊂相比于其它预处理方法,H 2SO 4预处理后,半纤维素含量下降最大表1 采用不同方式预处理后秸秆的成分分析Table 1 Composition of corn stover pretreated with different methods 预处理方法Pretreatment method 纤维素Cellulose (%)半纤维素Hemicellulose (%)木质素Lignin (%)H 2SO 459.822.616.8NaOH 52.130.28.3CaO 41.532.614.7H 2O 249.929.113.0热水Hot water 38.730.818.8未处理Untreated 35.835.319.1(22.6%),表明H 2SO 4预处理可有效去除半纤维素㊂热水预处理后,秸秆成分变化不明显㊂在所有预处理方式中,NaOH 去除木质素效果最好㊂在利用纤维素酶水解秸秆时,木质素会吸附纤维素酶,从而降低纤维素酶对纤维素的有效降解㊂通过预处理去除木质素,有利于提高纤维素酶对纤维素的降解效率㊂3.2 电镜分析利用扫描电镜观察到预处理后秸秆表面结构和形貌的变化,如图1F 所示,未处理的秸秆表面被蜡质成分紧密包裹,十分光滑㊂稀H 2SO 4处理后(图1A),秸秆整齐㊁紧密的长管结构被打乱和切断,这是由于秸秆中的大部分半纤维素被稀酸水解[7],秸秆的部分结构被破坏所致㊂NaOH 处理后的秸秆如图1B 所示,由于NaOH 溶解后,很多木质素被去除[8],秸秆表面变得粗糙不平,而且表面结构有大片明显塌陷,部分纤维素被剥离,呈片状结构㊂图1C 为碱性H 2O 2预处理后的秸秆,可以看出,由于部分木质素的去除,出现很多的 碎片”㊂图1D 为CaO 预处理后的秸秆,相比NaOH 处理和碱性H 2O 2处理,CaO 处理对木质纤维素结构的改变不明显,因为木质素脱除效果不佳,秸秆表面结构未出现明显的坍塌情况㊂图1E 为热水处理后的秸秆结构图,秸秆表面出现凹形小孔,而秸秆的长管结构未被切断,表面也没有出现大片的明显塌陷㊂100滋m A 10滋m B 10滋m C 100滋m D 10滋m E 10滋mF图1 不同方法预处理后秸秆的电镜图:(A)H 2SO 4预处理后的秸秆;(B)NaOH 预处理;(C)碱性H 2O 2预处理后;(D)CaO 预处理后的秸秆;(E)热水处理;(F)未处理的秸秆Fig.1 Scanning electron microscopy (SEM)images of corn stove pretreated with (A)H 2SO 4;(B)NaOH;(C)H 2O 2;(D)CaO;(E)hot water;(F)SEM image of untreated corn stover 3.3 傅里叶变换红外光谱分析结果利用傅里叶变换红外光谱对不同预处理的秸秆进行分析,结果如图2所示㊂预处理和未处理秸秆红外吸收峰的主要差异在于某些特征峰的增强㊁减弱或者消失,这表明采用不同预处理方法后,秸秆各成分的分子结构㊁空间结构或排列发生了变化㊂3300~3500cm -1的红外吸收为分子间缔合态羟基OH 和酚羟基伸缩振动谱带㊂如图2所示,在3300~3500cm -1,经过NaOH 和碱性H 2O 2预处理后,振动谱带明显减弱,说明碱处理能够打破纤维素分子间的氢键㊂而氢键的破坏能够使秸秆的纤维素结构发生变化,纤维素酶的可及度增加,有利于纤维素的降解[9]㊂2910cm -1处的峰为CH 3㊁CH 2伸缩振动吸收峰,相比于对照组,预处理后的样品其吸收峰减弱,表明预处理后部分碳链遭到破坏[4]㊂1744~1734cm -1处的峰表示非共轭的酮和酯中的3051第9期史旭洋等:不同方法预处理的玉米秸秆结构与酶解分析 0.6Wavenumber (cm -1)A b s o r b a n c e 0.80.70.50.40.30.20.10.01002003004000H 2SO 4pretreatment NaOH pretreatment CaO pretreatment H 2O 2pretreatment Hot water pretreatment Raw material 5015025003500图2 不同预处理方式秸秆的傅里叶变换红外光谱图Fig.2 Fourier transform⁃infrared (FT⁃IR)spectra ofcorn stover pretreated with different methods =C O 伸缩振动,=C O 的伸缩振动与秸秆中的木质素和半纤维素有关[10]㊂未处理的秸秆此吸收峰较为明显,而经过酸或碱处理后,吸收峰的强度都不同程度地下降,其中经过NaOH 预处理后,吸收峰已基本消失,表明NaOH 对木质素的去除效果较好㊂碱性H 2O 2和CaO 处理后的秸秆,在此波数处吸收峰强度也下降,但不及NaOH 预处理后吸收峰强度变化明显㊂H 2SO 4预处理后的秸秆在此波数处的吸收峰强度减弱,但特征峰仍明显存在㊂经过预热水处理后的秸秆,1744~1734cm -1处特征峰的强度基本未变,表明热水预处理不能去除木质素或半纤维素㊂1600和1510cm -1处为木质素的特征峰,NaOH 处理的秸秆在此处的特征峰基本消失,说明经过强碱处理后的秸秆,木质素结构被较大破坏,木质素成分已经基本去除㊂碱性H 2O 2和CaO 处理后的秸秆,此特征峰的强度明显下降,表明碱对木质素的去除效果明显,但不及NaOH 强烈㊂H 2SO 4和热水处理后的秸秆与未处理秸秆相比,在此处的吸收峰强度没有明显改变,表明H 2SO 4和热水不能有效去除木质素㊂1431和1164cm -1处的吸收峰为纤维素的特征峰,在不同预处理前后变化不大,表明纤维素结构在预处理前后变化不大㊂3.4 X⁃射线衍射分析结果纤维素中存在结晶区和无定形两种区域,结晶区占纤维素整体的百分率称为纤维素的结晶度㊂纤维素的结晶度是衡量纤维素性能的重要指标,反映纤维素聚集时形成结晶的程度[11]㊂利用XRD 技术分析预处理后的秸秆,比较预处理前后秸秆结晶度变化,考察各种预处理方法的效果㊂经过不同的预处理后,由于秸秆中一些成分去除,秸秆结构发生改变,结晶度也发生改变㊂如表2所示,NaOH㊁碱性H 2O 2和CaO 这3种碱性方式预处理秸秆后,秸秆的结晶度分别为40.5%㊁35.4%和14.2%㊂其中,NaOH 处理的秸秆结晶度上升幅度最大㊂NaOH 处理秸秆后,由于半纤维素和木质素这两种无定形区组分的溶出,使得纤维素含量增加,从而使整体结晶度大大提高[12]㊂而碱性H 2O 2和CaO 的碱性比NaOH 低,因此预处理后秸秆结晶度提升不大㊂H 2SO 4预处理秸秆后会引起纤维素基质的部分重结晶,因此秸表2 不同预处理后秸秆的结晶度Table 2 Crystalline of corn stover pretreated with different methods 预处理方法Pretreatment method 结晶度Crystalline (%)1H 2SO 443.42NaOH 40.53CaO 14.24H 2O 235.45热水Hot water25.46未处理Untreated 22.3秆的结晶度得到明显提升[13]㊂由表2可见,H 2SO 4预处理后秸秆的结晶度最高(43.4%),结晶度的增加可能是由于H 2SO 4去除了部分木质素和较多的半纤维素成分(表1),使秸秆纤维结构发生重排,有序度增加,形成比较完整的结晶晶格,因此结晶度提高㊂热水预处理后秸秆的结晶度变化不明显(25.4%),表明热水预处理对秸秆的结构改变很小,其结晶度未发生明显改变㊂3.5 纤维素酶酶解分析在利用秸秆进行生物化工产品生产的过程中,需将秸秆进行酶解,这是秸秆利用的基础;为了提高秸秆的酶解效率,需要采用不同的预处理方法对秸秆进行处理,从而打开秸秆本身的结构㊂本研究以不同方式预处理的秸秆为底物,用纤维素酶进行酶解,评价预处理效果㊂酶解结果如图3所示,不同方式预处理的秸秆酶解效果差异较大㊂以未处理的秸秆为底物酶解,葡萄糖产量在60h 达到最高,浓度达到11.95g /L,而预处理秸秆酶解后葡萄糖产量都比未预处理秸秆高㊂其中NaOH 预处理秸秆所产生的葡萄糖在60h 时达到最大浓度(33.32g /L),明显高于其它预处理方式㊂NaOH 预处理后秸秆表面结构有明显坍塌(图1),能够增加酶与底物接触面积㊂红外光谱分析表明,NaOH 预处理后,木质素得到有4051 分析化学第46卷3012t (h )C g m c o s e (g /L )03525201510502436486072NaOH H 2SO 4H 2O 2CaO Hot water Untreated 40图3 不同方法预处理后的秸秆的纤维素酶降解结果Fig.3 Enzymatic hydrolysis of pretreated corn stovers hydrolyzed with cellulase效消除,有利于纤维素酶吸附到纤维素上,使得NaOH 预处理后秸秆的酶解产糖量达到最大㊂H 2O 2预处理的秸秆酶解60h 时,产糖量最高(24.49g /L)㊂CaO 处理的秸秆酶解后在60h 时,产糖量最高达15.88g /L㊂电镜和红外光谱分析结果表明,碱性H 2O 2和CaO 预处理与NaOH 预处理结果相似,都是通过不同程度地溶解木质素,增加纤维素和纤维素酶的可及度,从而增加酶解产糖量㊂由于碱性H 2O 2和CaO 碱性较弱,对木质素的溶解作用不强,因此酶解效果比NaOH 预处理差㊂H 2SO 4预处理秸秆后,酶解产葡萄糖量在60h 时达到最大值(21.21g /L),与未处理秸秆相比,糖化效果明显提升㊂电镜分析表明,H 2SO 4处理后的秸秆表面出现明显塌陷,有利于纤维素酶附着㊂红外光谱分析表明,半纤维素和木质素等成分被去除,有利于纤维素酶作用于纤维素㊂热水预处理秸秆酶解后产糖量在60h 时达到最大值(13.13g /L),相比于未处理秸秆,产糖量略有提升㊂从图1可见,热水预处理秸秆结构基本未发生变化;秸秆的红外光谱分析结果同样表明,热水预处理后,木质素和半纤维素等特征峰的强度均没有明显的改变,即秸秆的结构未明显改变,糖化产糖效率较低㊂4 结论采用不同方式预处理秸秆,利用扫描电镜㊁红外光谱和X⁃射线衍射对不同方式预处理后的秸秆微观结构进行了分析,考察了不同的预处理方式对秸秆结构的影响㊂通过纤维素酶酶解预处理后的秸秆,对预处理秸秆效果进行了评价㊂本研究通过分析比较不同的方式预处理的秸秆,评价酶解效果,为利用秸秆高效生产生物化工产品提供了依据㊂References 1 Sarks C,Jin M,Sato T K,Balan V,Dale B E.Biotechnol.Biofuels ,2014,7:732 Saha B C,Cotta M A.New Biotechnol.,2010,27(1):10-163 Papa G,Rodriguez S,George A,Schievano A,Orzi V,Sale K L,Singh S,Adani F,Simmons B A.Bioresource Technol.,2015,183:101-1104 Cao W,Sun,Liu R H,Yin R Z,Wu X W.Bioresource Technol.,2012,111:215-2215 Sluiter A,Hames B,Scarlata C.United States:National Renewable Energy Laboratory Golden,20076 Brownell H H,Saddler J N.Biotechnol.Bioengineer.,1987,29(2):228-2357 Chen M,Zhao J,Xia L M.Biomass Bioenergy ,2009,13:1381-13858 Li Q,Gao Y,Wang H S,Li B,Liu C,Yu G,Mu X D.Bioresource Technol.,2012,125:193-1999 ZHENG Ming⁃Xia,LI Lai⁃Qing,ZHENG Ming⁃Yue,WANG Xu,MA Hai⁃Ling,WANG Kai⁃Jun.Environmental Science &Technology ,2012,35(6):27-31郑明霞,李来庆,郑明月,王旭,马海玲,王凯军.环境科学与技术,2012,35(6):27-3110 Gastaldi G,Capretti G,Focher B,Cosentino C.Industrial Crops.Products ,1998,8(3):205-21811 LIU Shu⁃Chai.Analysis and testing of pulping paper.Beijing:Chemical Industry Press,2004,19:13-17刘书钗.制浆造纸分析与检测㊂北京:化学工业出版社,2004,19:13-1712 TANG Hong⁃Tao,WANG Feng,LI Wei⁃Ming,LI An,LI Yan⁃Jie,HA Yi⁃Ming.Journal of Nuclear Agricultural Sciences ,2012,26(3):0535-0542唐洪涛,王锋,李伟明,李安,李彦杰,哈益明.核农学报,2012,26(3):0535-054213 WANG Yong⁃Zhong,RAN Yao,CHEN Rong,LIAO Qiang,ZHU Xun.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering ,2013,29(1):225-231王永忠,冉尧,陈蓉,廖强,朱恂.农业工程学报,2013,29(1):225-2315051第9期史旭洋等:不同方法预处理的玉米秸秆结构与酶解分析6051 分析化学第46卷Structure and Enzymatic Hydrolysis Analysis of CornStover Pretreated with Different Pretreatment MethodsSHI Xu⁃Yang1,QIAN Cheng2,LIU Yan1,LIU Xin⁃Tong1,SHANG Xin1,LIU Shuo2,LIU Yu⁃Ting2,YU Yun⁃Bo2,ZHANG Jun2,REN Xiao⁃Dong*11(School of Life Sciences,Jilin University,Changchun130012,China)2(Certificate Appraisal Center of Public Security Department of Jilin Province,Changchun130000,China) Abstract In the process of industrial transformation of straw,due to the complicated structural relationship of straw itself,the conversion efficiency is low.Therefore,different pretreatment methods are required to pretreat straw to destroy the inherent structure of the straw and improve its enzymatic efficiency.In this study,the effects of different pretreatments on the microstructure of corn stover were investigated by scanning electron microscopy(SEM),Fourier transform infrared spectroscopy(FT⁃IR)and X⁃ray diffraction(XRD). Moreover,the hydrolysis of different pretreated corn stover with cellulase was studied.It was showed that the surface and structure of corn stover were damaged in some extent in pretreatment.The surface of corn stover pretreated with NaOH collapsed mostly,which showed that the structure of lignocellulose was broken effectively.The pretreated corn stover was analyzed with Fourier transform infrared spectroscopy.It was show that the characteristic peaks of ligin at1600and1510cm-1disappeared for corn stover pretreated with NaOH, which indicated that the lignin was removed effectively.The peaks at1744-1734cm-1of pretreated corn stovers(the characteristic peak of C O=),which related to ligin and hemicellulose,reduced in different extent.It was shown that the lignin and hemicellulose were removed with different pretreated methods. Moreover,it was shown that the crystallinities of pretreated corn stovers changed in different extent with X⁃ray scanning.The crystallinity of corn stover pretreated with H2SO4got the maxium value of43.4%.The effects of different pretreated methods were evaluated with corn stover hydrolysis by cellulase.The maxium value of glucose was33.32g/L.This study provided basis for the efficient production of biochemicals with different pretreated corn stover.Keywords Corn stover;Scanning electron microscopy;Fourier transform infrared spectroscopy;X⁃ray diffraction;Pretreatment;Enzymatic hydrolysis(Received8September2017;accepted14July2018) This work was supported by the Project of Applied Innovation Plan of Ministry of Public Security of China(No.2017YYCXJLST020).。

成型玉米秸秆气化的热重分析及动力学研究

成型玉米秸秆气化的热重分析及动力学研究
were analyzed using the thermogravimetric analysis method, and the gasification characteristics were analyzed from the kinetic point of view. The results showed that the biomass gasification process could be divided into three stages: water evaporation, cellulose/hemicellulose/lignin and other organic matter decomposition and coke gasification. When the concentration of CO2 was 30%, the degree of gasification reaction was intensified, and the activation energy and frequency factor also reached the maximum value. The conversion ratio of gasification reaction increased first and then decreased with the increase of biomass water content. A small amount of moisture promoted gasification reaction, but the moisture content was too high to inhibit gasification reaction. The energy consumption of water evaporation was greater than the energy consumption of chemical reactions during the gasification of the biomass with high water content.

玉米秸秆热解动力学分析

玉米秸秆热解动力学分析

0.5
155.56
0.988
172.52
0.991 571.7~601.3
0.6
160.41
0.99
168.88
0.992 579.8~609.5
0.7
164.60
0.992
181.36
0.996 587.9~617.8
0.8
168.08
0.996
181.55
0.999 596.8~627.4
0.9
摘 要:该文采用耐驰 STA449 同步热分析仪,研究了玉米秸秆在升温速率为 5、10、15、20、30 K/min,反应终止温度 1273K 的热分解反应, 结果表明玉米秸秆热解过程可分为失水预热解、热解和碳化 3 个阶段,随着升温速率增加,反应的特征温度和最大失重速率增加,差示扫描(DSC)
曲线整体向下倾斜,升温速率过大时,出现失水滞后现象。分别用 FWO 法、FRL 法和 Kissi nger 法对玉米秸秆热解进行了动力学计算,其热解
收稿日期:2008-07-24 修订日期:2008-11-09 基金项目:广东省高等学校自然科学基金重点研究项目(06Z004) 作者简介:王明峰(1982-),男,辽宁鞍山人,博士研究生,主要从事生 物质能利用研究。广州 华南农业大学工程学院,510640。 Emai l: wangmf@ ※通 讯作 者:蒋 恩臣( 19 60 -),男 ,黑龙 江人 ,教授 ,博士 生导 师,博 士, 主要从事生物质能利用工程研究。广州 华南农业大学生物质能研究所, 510642。Emai l: ecjia ng@sca u.e
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不同加工方式玉米秸秆型饲粮对肉牛生长性能、养分表观消化率、瘤胃发酵和菌群结构的影响

不同加工方式玉米秸秆型饲粮对肉牛生长性能、养分表观消化率、瘤胃发酵和菌群结构的影响

第31卷 第6期V o l .31 No .6草 地 学 报A C T A A G R E S T I A S I N I C A2023年 6月J u n . 2023d o i :10.11733/j.i s s n .1007-0435.2023.06.034引用格式:徐均钊,王 琦,胡宗福,等.不同加工方式玉米秸秆型饲粮对肉牛生长性能㊁养分表观消化率㊁瘤胃发酵和菌群结构的影响[J ].草地学报,2023,31(6):1894-1901X UJ u n -z h a o ,WA N G Q i ,HUZ o n g -f u ,e t a l .E f f e c t s o fD i f f e r e n t P r o c e s s i n g M e t h o d s o f C o r nS t r a w -a s aB a s e dR a -t i o n s o nG r o w t hP e r f o r m a n c e ,A p p a r e n tN u t r i e n tD i g e s t i b i l i t y ,R u m e nF e r m e n t a t i o na n d M i c r o b i a lC o m p o s i t i o no f B e e fC a t t l e [J ].A c t aA gr e s t i aS i n i c a ,2023,31(6):1894-1901不同加工方式玉米秸秆型饲粮对肉牛生长性能㊁养分表观消化率㊁瘤胃发酵和菌群结构的影响徐均钊,王 琦,胡宗福,吴白乙拉,牛化欣*(内蒙古民族大学动物科技学院,内蒙古通辽028000)收稿日期:2022-12-16;修回日期:2023-02-23基金项目:内蒙古自治区关键技术攻关项目(2020G G 0108和2021G G 0035);内蒙古民族大学研究生科研创新项目(N M D S S 2144);内蒙古自治区高等学校青年科技英才支持计划(N J Y T 22054);内蒙古民族大学博士启动基金(B S 635);内蒙古民族大学肉牛科技创新团队项目资助作者简介:徐均钊(1996-),男,汉族,内蒙古赤峰市人,硕士研究生,从事反刍动物营养与饲料利用,E -m a i l :x u ju n z h a o 1124@163.c o m ;*通信作者A u t h o r f o r c o r r e s po n d e n c e ,E -m a i l :n i u h x @i m u n .e d u .c n 摘要:为探究不同预处理玉米秸秆型全混合日粮(TM R )对肉牛生产性能和菌群结构的影响,本研究选取28头(350.23ʃ23.17)k g 西门塔尔杂交公牛,随机分为4组,每组7头,分别饲喂含揉丝秸秆(C o n t a i n i n g kn e a d e ds t r a w g r o u p ,J G 组)㊁膨化微贮秸秆(P u f f e ds t r a w g r o u p ,P H 组)㊁菌酶协同秸秆黄贮(S t r a w y e l l o ws i l a g e g r o u p ,H Z 组)和全株玉米青贮(W h o l e c o r n s i l a g e g r o u p ,Q Z 组)的TM R ,预试期10d ,正试期56d ㊂结果表明:较J G 和P H 组,Q Z 和H Z 组肉牛的平均日增重㊁干物质采食量㊁干物质消化率㊁酸性洗涤纤维消化率㊁瘤胃丙酸含量和普雷沃氏菌属_1(P r e v o t e l l a _1)相对丰度显著提高(P <0.05);而瘤胃球菌N K 4A 214群(R u m i n o c o c c a c e a e _NK 4A 214_g r o u p )的相对丰度显著降低(P <0.05)㊂普雷沃氏菌属_1与丙酸呈显著正相关(P <0.05),瘤胃球菌N K 4A 214群与乙酸和乙丙比(A /P )呈显著正相关(P <0.05)㊂因此,全株玉米青贮和菌酶协同玉米秸秆黄贮能显著提高秸秆的营养价值和表观消化率,有效改善瘤胃发酵和纤维素降解菌组成,提高肉牛的生产性能㊂关键词:玉米秸秆;青贮玉米;肉牛;生产性能;瘤胃微生物中图分类号:S 548 文献标识码:A 文章编号:1007-0435(2023)06-1894-08E f f e c t s o fD i f f e r e n t P r o c e s s i n g Me t h o d s o fC o r nS t r a w -a s aB a s e dR a t i o n s o n G r o w t hP e rf o r m a n c e ,A p p a r e n tN u t r i e n tD ig e s t i b i l i t y ,R u m e nF e r m e n t a t i o na n d M i c r o b i a l C o m po s i t i o no fB e e fC a t t l e X UJ u n -z h a o ,WA N G Q i ,HUZ o n g -f u ,WU B a i -yi l a ,N I U H u a -x i n *(C o l l e g e o fA n i m a l S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,I n n e rM o n g o l i aM i n z uU n i v e r s i t y ,T o n g l i a o ,I n n e rM o n go l i a 028000,C h i n a )A b s t r a c t :T h i s s t u d y a i m s t o i n v e s t i ga t e t h e e f f e c t s o f v a r i o u s p r e t r e a t e d c o r ns t r a w -a s ab a s e d t o t a lm i x e d r a t i o n s (T M R )o n t h e p e r f o r m a nc e a nd r u me nm i c r o b i a lf l o r a s t r u c t u r e o f b e e f c a t t l e .T w e n t y -e i gh t S i m -m e n t a l c r o s s b r e d s t e e r s (350.23ʃ23.17k g )w e r e r a n d o m l y a s s i g n e d t o f o u r g r o u p s ,e a c h c o n t a i n i n g se v e n s t e e r s .T h e g r o u p sw e r ef e d T M Ra st h ec o n t a i n i ng k n e a d e ds t r a w (J G g r o u p ),t h e p u f f e ds t r a w (P H g r o u p ),t h e s t r a w y e l l o ws i l a g e (H Z g r o u p ),a n d t h ew h o l e c o r ns i l a g e (Q Z g r o u p )f o r a p r e t e s t p e r i o do f 10d a y s f o l l o w e db y a p o s i t i v e t e s t p e r i o do f 56d a y s .T h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h ea v e r a g ed a i l y w e i gh t g a i n ,d r y m a t t e r i n t a k e ,d r y m a t t e r d i g e s t i b i l i t y ,a c i dd e t e r g e n t f i b e r d i g e s t i b i l i t y ,r u m e n p r o p i o n i c a c i d c o n -t e n t ,a n d r e l a t i v e a b u n d a n c e o f P r e v o t e l l a _1o f b e e f c a t t l e i n t h eQ Z a n dH Z g r o u p sw e r e s i g n i f i c a n t l y h i gh -e r (P <0.05)t h a n t h o s e i n t h e J Ga n dP H g r o u p .A d d i t i o n a l l y,t h e r e l a t i v e a b u n d a n c e o f R u m i n o c o c c a c e a e _NK 4A 214_g r o u p wa s s i g n i f i c a n t l y l o w e r (P <0.05)i n t h eH Za n dQ Z g r o u p s c o m p a r e d t o t h e J Ga n d P H g r o u p s .P r e v o t e l l a _1s h o w e d a s i g n i f i c a n t p o s i t i v e c o r r e l a t i o nw i t h p r o pi o n i c a c i d (P <0.05),a n d R u -Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第6期徐均钊等:不同加工方式玉米秸秆型饲粮对肉牛生长性能㊁养分表观消化率㊁瘤胃发酵和菌群结构的影响m i n o c o c c a c e a e_NK4A214_g r o u p e x h i b i t e da s i g n i f i c a n t p o s i t i v e c o r r e l a t i o nw i t ha c e t i c a c i da n dA/Pr a t i o (P<0.05).T h u s,w h o l ec o r ns i l a g ea n db a c t e r i a-e n z y m es y n e r g i s m y e l l o ws i l a g es i g n i f i c a n t l y i m p r o v e d t h en u t r i t i o n a l v a l u e a n d a p p a r e n t d i g e s t i b i l i t y o f s t o v e r,e f f e c t i v e l y e n h a n c e d r u m e n f e r m e n t a t i o na n dc e l-l u l o s e-d e g r a d i n g b a c t e r i a l c o m p o s i t i o n,a n du l t i m a t e l y l e d t ob e t t e r p r o d u c t i v e p e r f o r m a n c e i nb e e f c a t t l e. K e y w o r d s:C o r n s t r a w;C o r n s i l a g e;B e e f c a t t l e;P r o d u c t i o n p e r f o r m a n c e;R u m e nm i c r o b e s我国秸秆产量居世界首位,其中玉米秸秆最为丰富,年产量约3亿吨[1]㊂目前,玉米秸秆饲料化利用率不足20%,主要是干秸秆或初级加工揉丝直接投喂,青㊁黄贮占比较少,约为23%[2],尤其是生物高值化加工利用[3]㊂随着我国节粮型畜牧业的快速发展,饲草短缺已成为制约反刍动物生产因素之一㊂玉米秸秆是反刍动物的低质粗饲料,可通过适宜的技术加工作为反刍动物粗饲料㊂然而,玉米秸秆中含有50%~70%的结构性碳水化合物,主要由纤维素㊁半纤维素和木质素等组成,三者相互镶嵌,其中半纤维素与木质素氢键㊁共价键结合形成复杂的网状结构包裹着纤维素,严重影响玉米秸秆的有效利用[3,4]㊂还有干秸秆或揉丝秸秆适口性差㊁采食量低也是造成反刍动物利用率不高的主要因素㊂因此,利用饲料加工结合生物技术对玉米秸进行高值化处理是提高反刍动物饲料利用率的重要方式之一㊂玉米秸秆通过物理㊁化学㊁生物等不同加工处理方式,可提高反刍动物对其饲料转化率[5-8]㊂蒸汽爆破或湿法膨化微贮是玉米秸秆饲用高值化的一种物化预处理加工技术,可破坏本质纤维素结晶度和细胞壁复杂结构,降低聚合度㊁增加纤维素孔隙,提高秸秆饲料转化效率,作为肉牛的粗饲料改善瘤胃菌群结构,提高肉牛的消化能力和生产性能[5-7]㊂青(黄)贮是一种改善玉米秸秆适口性㊁提高消化率和保存营养价值常用的加工调制方法,G u o等[8]将玉米秸秆接种乳酸菌发酵,能有效提高玉米秸秆青贮发酵品质和纤维消化率㊂白大洋等[9]利用玉米秸秆黄贮作为西门塔尔杂交公牛的粗饲料,提高了肉牛的平均日增重,降低了料重比㊂孙雪丽等[10]发现以乳酸菌发酵的全株玉米青贮作为粗饲料能显著提高肉牛的日增重和经济效益㊂因此,玉米秸秆经过不同的预处理,其致密结构被破坏,木质素包裹的纤维素㊁半纤维素被释放,增加瘤胃微生物与秸秆粘附的表面积,并使纤维素酶高效水解纤维素和半纤维素成小分子糖类进而转化成有机酸,为反刍动物提供能量具有重要意义㊂本文利用物理㊁生物及其物理生物相结合的加工调制方式对玉米秸秆进行预处理,并分别以50%的(揉丝㊁膨化微贮㊁菌酶协同黄贮)玉米秸秆和全株玉米青贮为粗饲料配制肉牛全混合日粮(T M R),比较不同预处理玉米秸秆型T M R对肉牛生产性能㊁养分表观消化率及瘤胃发酵㊁微生物菌群的影响,为进一步寻找提高玉米秸秆高效利用的加工方式及对节粮增效的肉牛饲粮配制提供理论依据和实际生产参考㊂1材料与方法1.1试验材料揉丝玉米秸秆是由收割㊁揉丝㊁打捆一体机(中联9Y F-220S S方捆打捆机)收获加工而成;膨化微贮是先将揉丝粉碎的秸秆调制成50%水分,采用9P-250型秸秆膨化机(辽宁辽源市牧兴机械有限公司)通过挤压(温度约120ħ)瞬间喷出而膨化,然后用裹包机打包微贮60d,在仓库内保存;菌酶协同黄贮是将揉丝玉米秸秆(含水量50%)喷洒混合菌液和复合酶制剂,黄贮窖内压实㊁密封发酵60d后使用㊂全株玉米青贮是将蜡熟期刈割的全株玉米(长度1.0~2.0c m)喷洒混合菌液,青贮窖内压实㊁密封㊁发酵90d后使用㊂试验所用混合菌液(植物乳杆菌Z1-1+布氏乳杆菌B1-3,比例为1ʒ1),菌种购自北纳创联生物技术有限公司,添加量为1ˑ106 c f u㊃g-1鲜重(F r e s hw e i g h t,F W);纤维素酶(酶活力24000U㊃g-1)+木聚糖酶(酶活力40000 U㊃g-1)+果胶酶(酶活力10000U㊃g-1)+葡聚糖酶(酶活力50000U㊃g-1)以2ʒ1ʒ1ʒ1的比例混合制成复合酶制剂,购自北京挑战农业科技有限公司,添加量为0.5g㊃k g-1F W㊂1.2试验设计和饲养管理试验于2021年4 6月在内蒙古通辽市科左中旗蒙智源养殖合作社进行,10d的预饲期和56d的正式期㊂选用28头体重为(350.23ʃ23.57)k g,月龄相近㊁健康状况良好的西门塔尔杂交公牛,单因素试验设计,随机分为4组,每组7头㊂各组分别饲喂揉丝玉米秸秆(J G组)㊁膨化微贮玉米秸秆(P H 组)㊁菌酶协同玉米秸秆黄贮(H Z组)和全株玉米青贮(Q Z组)全混合日粮(T M R)㊂按照‘肉牛营养需要(第8次修订版)“[11]配制,精粗比为50ʒ50,5981Copyright©博看网. All Rights Reserved.草地学报第31卷T M R组成及营养水平见表1㊂试验牛均在单栏舍饲饲喂,饲养试验前所有牛进行驱虫㊁健胃和耳标标号,自由饮水㊂每天喂料2次(06:00和17:00),日剩料量控制在5%,并记录投喂量和剩余量㊂表1饲粮组成及营养水平(干物质基础)T a b l e1 C o m p o s i t i o na n dn u t r i e n t l e v e l s o f e x p e r i m e n t a l d i e t s(D M b a s i s)项目I t e m s J G组J G g r o u p P H组P H g r o u p H Z组H Z g r o u p Q Z组Q Z g r o u p原料I n g r e d i e n t s玉米秸秆C o r n s t r a w/%50.00膨化玉米秸秆P u f f e d c o r n s t r a w/%50.00玉米秸秆黄贮C o r ns t r a w y e l l o ws i l a g e/%50.00全株玉米青贮W h o l e c o r n s i l a g e/%50.00玉米破碎料M a i z e/%24.5024.5024.5021.50小麦麸W h e a t b r a n/%3.503.506.012.0豆粕S o y b e a nm e a l/%11.0011.008.505.50向日葵饼S u n f l o w e r c a k e/%8.008.008.008.00磷酸氢钙C a H P O4/%0.250.250.250.25小苏打N a H C O3/%0.350.350.350.35食盐N a C l/%0.500.500.500.50石粉C a C O3/%0.750.750.750.75预混料P r e m i x1)/%0.500.500.500.50尿素U r e a/%0.650.650.650.65合计T o t a l/%100.00100.00100.00100.00营养水平N u t r i e n t l e v e l s综合净能C o m p r e h e n s i v e n e t e n e r g y/M J㊃k g-16.766.756.796.85粗蛋白质C r u d e p r o t e i n/%13.7513.1812.9813.05中性洗涤纤维N D F/%40.0139.7839.4132.37酸性洗涤纤维A D F/%24.7221.5921.415.28粗灰分C r u d e a s h/%9.559.5110.0510.32注:每千克预混料提供:维生素A150000I U,维生素D320000I U,维生素E3000I U,铁3200m g,锰1500m g,锌2000m g,铜650m g,碘35m g,硒10m g,钴10m g㊂依据我国‘肉牛饲养标准“(N Y/T815-2004)和饲料总能量计算综合净能量,其他营养水平为实测值N o t e:I no n ek i l o g r a m p r e m i x,i tw a s p r o v i d e d t h e f o l l o w i n g:V A150000I U,V D320000I U,V E3000I U,F e3200m g,M n1500m g,Z n 2000m g,C u650m g,I35m g,S e10m g,C o10m g.T h e c o m p r e h e n s i v e n e t e n e r g y w a s c a l c u l a t e d a c c o r d i n g t o t h e f e e d i n g s t a n d a r d o f b e e f c a t-t l e(N Y/T815-2004)a n d t h e t o t a l e n e r g y o f f e e d.O t h e r n u t r i t i o n a l l e v e l sw e r em e a s u r e do n e s i n t h i s e x p e r i m e n t1.3样品采集与指标测定1.3.1高值化秸秆营养成分和肉牛生长性能将不同加工方式调制的玉米秸秆分别随机采集3份用于测定常规营养成分㊂干物质(D r y m a t t e r,D M)含量采用105ħ烘干法测定[12],粗蛋白(C r u d e p r o-t e i n,C P)含量采用凯氏定氮法测定[13],粗灰分(C r u d e a s h,A s h)含量在马弗炉550ħ下灼烧4h测定[12],中性洗涤纤维(N e u t r a ld e t e r g e n tf i b e r, N D F)和酸性洗涤纤维(A c i dd e t e r g e n t f i b e r,A D F)含量采用V a nS o e s t方法利用滤袋技术测定[14]㊂每天定时称量和记录每头牛T M R的饲喂量和剩余量,依据T M R干物质含量,计算平均日干物质采食量(A v e r a g ed r y m a t t e r i n t a k e,A D F I);试验第1d 和56d晨饲前称量空腹试验牛的体重,计算平均日增重(A v e r a g ed a i l yg a i n,A D G);根据A D M I和A D G计算料重比(F e e d t o g a i n,F/G)㊂1.3.2营养物质表观消化率于正式期的第54~ 56d,进行为期3d的消化试验,采用盐酸不溶灰分法测定养分表观消化率,每天收集2次粪便各取约1k g,混匀后称取200g,加入40m L浓度为10%的H2S O4固氮,置于密封袋-20ħ保存,连续收集3d 并混匀编号备用㊂试验结束后,将饲粮和粪便于65ħ烘干48h,自然条件下回潮24h后称重,计算初水分,然后粉碎经1.0m m网筛过滤后测定粪便和饲料的D M,C P,A s h,N D F和A D F含量㊂利用粪样和饲料中的盐酸不溶灰分(A I A)做内源指示剂计算营养物质表观消化率㊂计算公式如下:营养物质表观消化率(%)=(a/c)-(b/d)a/cˑ100%式中:a为饲料中某养分含量(%);b为粪样中该养分含量(%);c为饲料中A I A的含量(%);d为粪样中A I A的含量(%)㊂1.3.3瘤胃液的采集与测定正式期第56d,从每个处理组中随机选取5头牛,晨饲前采用胃管式采样器(G C Y Q-1-A,武汉市科立博器材有限公司)采集瘤胃液,先抽取约300m L并舍弃,再抽取6981Copyright©博看网. All Rights Reserved.第6期徐均钊等:不同加工方式玉米秸秆型饲粮对肉牛生长性能㊁养分表观消化率㊁瘤胃发酵和菌群结构的影响150m L ,4层纱布过滤后分装,立即测定p H ,剩余瘤胃液样品分装至5个15m L 离心管中液氮保存,用于测定瘤胃发酵参数和菌群㊂瘤胃发酵参数测定:瘤胃液p H 采用便携式p H计(雷磁P H S -3C 精密p H 计,上海精密科学器有限公司)测定,使用气相色谱仪(T P -2060,北京北分天普仪器技术有限公司)测定瘤胃液挥发性脂肪酸(V F A )浓度,配置Φ6m m ˑ2m 石英玻璃填充柱(固定相15%F F A P ,担体80~100目C h r o m o s o r b ),柱温150ħ,进样口温度220ħ;进样量1μL ;F I D 检测器温度280ħ;载气为高纯N 2,流量30m L ㊃m i n -1,压力200k P a ;燃气为H 2,流量30m L ㊃m i n -1;助燃气为空气,流量300m L ㊃m i n -1㊂瘤胃细菌多样性高通量测序:瘤胃液中细菌总D N A 的提取使用H i P u r e S o i l D N A 提取试剂盒(美吉生物,广州)操作㊂用带有b a r c o d e 的特异引物扩增16s r D N A V 3~V 4区㊂使用2%琼脂糖凝胶评估扩增产物质量,并从中提取扩增产物,使用A x y P r e p D N A 提取试剂盒(A P -G X -250,A x y ge n -B i o s c i e n c e s ,U n i o n C i t y,C A ,U n i t e d S t a t e s )进行纯化后,将纯化的扩增产物等比例混合,在I l l u m i n a 平台(广州基迪奥,中国)上进行双端测序(P E 250)㊂首先用F A S T P 对测序原始数据进行过滤,以获得c l e a nr e a d s ㊂使用F L A S H (版本1.2.11)将c l e a nr e a d s 合并为t a g ㊂将原始t a g 用QI I M E (1.9.1版)流程过滤,嵌合体序列用U C H I M E (8.1版)算法去除,得到有效序列㊂使用U P A R S E (版本9.2.64)将有效序列聚类成ȡ97%相似性的可操作分类单元(O T U )㊂使用K r o n a (版本2.6)显示每个物种分类的丰度统计数据㊂物种的P e a r s o n 相关分析使用p s yc h 包(版本1.8.4)计算㊂1.4 数据统计与分析试验数据用E x c e l2020初步整理后,利用S P S S26.0软件对数据进行单因素方差分析,采用L S D 进行多重比较,P <0.05表示差异显著,结果以平均值ʃ标准差表示㊂2 结果与分析2.1 不同加工方式玉米秸秆营养成分及其T M R对肉牛生长性能的影响由表2可知,全株玉米青贮的营养价值显著高于其它3组(P <0.05)㊂玉米秸秆黄贮的C P 含量显著高于揉丝秸秆和膨化微贮秸秆(P <0.05),且N D F 和A D F 含量显著低于揉丝秸秆(P <0.05)㊂由表3可知,Q Z 组的末重㊁干物质采食量㊁平均日增重均显著高于J G 和P H 组(P <0.05),同时,H Z 组的干物质采食量也显著高于J G 和P H 组(P <0.05)㊂此外,Q Z 和H Z 组的料重比显著低于J G 组(P <0.05)㊂表2 不同加工方式玉米秸秆营养成分(风干基础)T a b l e 2 N u t r i t i o n a l c o m p o s i t i o no f c o r n s t r a wf r o md i f f e r e n t p r o c e s s i n g m e t h o d s (a i r d r y ma t t e rb a s i s )项目I t e m s 揉丝秸秆K n e a d e dw i r e s t r a w膨化秸秆P u f f e d s t r a w黄贮秸秆S t a l ks i l a ge 青贮玉米S i l a ge c o r n P 值P -v a l u e干物质D M /%88.86ʃ1.50a47.92ʃ1.22b38.05ʃ2.41c30.52ʃ0.68d<0.001粗蛋白C P/%4.66ʃ0.15c 4.88ʃ0.20c 5.46ʃ0.35b 8.18ʃ0.37a <0.001中性洗涤纤维N D F /%71.48ʃ2.51c 69.40ʃ0.90bc 67.86ʃ1.80b 46.51ʃ0.73a <0.001酸性洗涤纤维A D F/%45.87ʃ2.08c 42.57ʃ0.95b c 40.65ʃ1.28b 28.17ʃ2.03a <0.001粗灰分C A /%11.27ʃ1.0011.17ʃ0.8710.80ʃ0.459.43ʃ0.430.051注:同行数据肩标不同的小写字母表示差异显著(P <0.05),下同N o t e :I n t h e s a m e r o w ,v a l u e sw i t hd i f f e r e n t l o w e r c a s e s u p e r s c r i p t s d i f f e r s i g n i f i c a n t l y b e t w e e n t h e d i f f e r e n t l ypr o c e s s e d c o r n s t r a w s (P <0.05),t h e s a m e a s b e l o w表3 不同玉米秸秆型T M R 对肉牛生长性能的影响T a b l e 3 E f f e c t o f d i f f e r e n t c o r n s t r a w TM R s o n g r o w t h p e r f o r m a n c e o f b e e f c a t t l e项目I t e m sJ G 组J G g r o u p P H 组P H g r o u p H Z 组H Z g r o u p Q Z 组Q Z g r o u p P 值P -v a l u e初始体重I n i t i a lw e i g h t /k g 350.07ʃ23.17353.14ʃ23.56350.64ʃ27.77350.07ʃ20.671.000终末体重F i n a lw e i g h t /k g421.76ʃ34.84b 423.63ʃ35.07b432.13ʃ32.27a b445.14ʃ32.22a0.032平均日增重A D G /k g㊃d -11.28ʃ0.25c1.31ʃ0.24c1.52ʃ0.25b1.71ʃ0.30a0.041平均干物质采食量A D F I /k g㊃d -19.47ʃ0.81b9.58ʃ0.90b10.78ʃ0.65a10.77ʃ0.99a0.020料重比F /G7.43ʃ0.64a7.33ʃ0.96a b7.09ʃ0.35b c6.30ʃ0.22c 0.0247981Copyright ©博看网. All Rights Reserved.草 地 学 报第31卷2.2 不同加工方式玉米秸秆型T M R 对肉牛的养分表观消化率的影响由表4可知,Q Z 组D M 表观消化率显著高于J G 和P H 组(P <0.05),且N D F 表观消化率显著高于其他3组(P <0.05)㊂P H 和H Z 组的N D F消化率显著高于J G 组(P <0.05),且H Z 组的A D F 表观消化率显著高于J G 和P H 组(P <0.05)㊂表4 不同玉米秸秆型T M R 对肉牛的养分表观消化率的影响T a b l e 4 E f f e c t o f d i f f e r e n t c o r n s t r a w TM R s o na p p a r e n t n u t r i e n t d i g e s t i b i l i t y of b e e f c a t t l e 项目I t e m sJ G 组J G g r o u pP H 组P H g r o u pH Z 组H Z g r o u pQ Z 组Q Z g r o u pP 值P -v a l u e干物质D M /%68.84ʃ0.89b 69.15ʃ0.20b70.33ʃ0.95a b 71.64ʃ0.92a0.048粗蛋白C P/%64.34ʃ0.6268.25ʃ0.6468.27ʃ0.8266.08ʃ0.600.081中性洗涤纤维N D F /%49.98ʃ0.41b51.74ʃ1.27b53.99ʃ1.30b61.08ʃ1.93a0.035酸性洗涤纤维A D F/%43.28ʃ0.65b43.80ʃ1.28b52.85ʃ1.21a57.41ʃ0.52a0.018粗灰分C A/%33.82ʃ1.52c35.33ʃ0.53b37.36ʃ0.66a35.54ʃ0.84b0.0362.3 不同加工方式玉米秸秆型T M R 对肉牛瘤胃发酵参数的影响由表5可知,4组瘤胃液的p H ㊁T V F A ㊁乙酸和丁酸的含量无显著差异㊂但H Z 和Q Z 组的丙酸含量显著高于J G 和P H 组(P <0.05),且乙丙比显著降低(P <0.05)㊂表5 不同玉米秸秆型T M R 对肉牛发酵参数的影响T a b l e 5 E f f e c t o f d i f f e r e n t c o r n s t r a w TM R s o n r u m e n f e r m e n t a t i o n p a r a m e t e r s o f b e e f c a t t l e项目I t e m sJ G 组J G g r o u p P H 组P H g r o u p H Z 组H Z g r o u p Q Z 组Q Z g r o u p P 值P -v a l u epH 6.57ʃ0.066.60ʃ0.106.63ʃ0.066.73ʃ0.060.089总挥发性脂肪酸酸T V F A /m m o l㊃L -158.56ʃ1.7557.94ʃ0.6257.87ʃ1.3557.85ʃ1.000.878乙酸A c e t i c a c i d /m m o l㊃L -139.53ʃ1.1438.92ʃ1.2737.65ʃ0.5337.51ʃ0.670.084丙酸P r o p a n o i c a c i d /m m o l ㊃L -110.96ʃ0.38b11.01ʃ0.38b12.32ʃ0.47a12.68ʃ0.38a0.001丁酸B u t yr i c a c i d /m m o l ㊃L -18.08ʃ0.558.01ʃ0.337.90ʃ0.477.60ʃ0.500.718乙酸/丙酸A c e t i c a c i d /P r o pa n o i c a c i d 3.61ʃ0.04a 3.54ʃ0.24a 3.06ʃ0.07b 2.96ʃ0.09b <0.0012.4 不同加工方式玉米秸秆型T M R 对肉牛瘤胃细菌的影响表6列出了属水平上相对丰度排名前10的物种,各组的优势菌属是普雷沃氏菌属_1㊂Q Z 组的普雷沃氏菌属_1丰度显著高于其它3组(P <0.05),同时H Z 组的普雷沃氏菌属_1丰度也显著高于J G 和P H 组(P <0.05)㊂与J G 组相比,Q Z 和H Z 组的解琥珀酸菌属丰度显著增加(P <0.05)㊂此外,Q Z 和H Z 组的瘤胃球菌科N K 4A 214群显著低于J G 和P H 组(P <0.05)㊂表6 不同玉米秸秆型T M R 对肉牛菌群组成和结构的影响T a b l e 6 E f f e c t o f d i f f e r e n t c o r n s t r a w TM R s o n t h e c o m po s i t i o na n d s t r u c t u r e o f t h e s t r a i n i nb e e f c a t t l e 菌种S t r a i nJ G 组J G g r o u pP H 组P H g r o u pH Z 组H Z g r o u pQ Z 组Q Z g r o u pP 值P -v a l u e普雷沃氏菌属P r e v o t e l l a _129.84ʃ0.96c31.44ʃ2.18c35.3ʃ0.92b39.30ʃ2.06a<0.001解琥珀酸菌属S u c c i n i c l a s t i c u m 6.56ʃ0.33c 6.65ʃ0.2b c7.21ʃ0.15a b 7.65ʃ0.30a0.003理研菌科R C 9群R i k e n e l l a c e a e _R C 9_g u t _g r o u p4.47ʃ0.424.23ʃ0.964.09ʃ0.373.94ʃ0.450.743瘤胃球菌科N K 4A 214群R u m i n o c o c c a c e a e _NK 4A 214_g r o u p3.55ʃ0.33b3.34ʃ0.12b 2.71ʃ0.16a 2.42ʃ0.28a0.001不动杆菌属A c i n e t o b a c t e r2.72ʃ0.432.52ʃ0.192.33ʃ0.262.42ʃ0.190.418克里斯滕森菌科R 7群C h r i s t e n s e n e l l a c e a e _R 7_g r o u p1.71ʃ0.251.92ʃ0.252.05ʃ0.132.23ʃ0.370.186土壤芽孢杆菌属S o l i b a c i l l u s 1.49ʃ0.351.59ʃ0.171.57ʃ0.281.53ʃ0.240.971赖氨酸芽孢杆菌属L ys i n i b a c i l l u s 1.31ʃ0.231.22ʃ0.141.61ʃ0.191.25ʃ0.140.094甲烷短杆菌属M e t h a n o b r e v i b a c t e r1.65ʃ0.141.67ʃ0.051.68ʃ0.131.69ʃ0.040.957糖化假丝酵母菌属C a n d i d a t u s _S a c c h a r i m o n a s1.53ʃ0.281.55ʃ0.271.52ʃ0.361.53ʃ0.110.9992.5 瘤胃菌群与发酵参数关联性分析将属水平的前10种瘤胃菌群与瘤胃发酵参数进行相关性分析,如图1所示,p H 与S u c c i n i c l a s t i c u m 呈显著正相关(P <0.05),与R u m i n o c o c c a c e a e _N K 4A 214_g r o u p 呈显著负相关(P <0.05)㊂R u m i n o c o c c a c e a e _N K 4A 214_g r o u p 与A c e t a t e 和A c e t a t e /P r o pi n a t e 呈显著正相关(P <0.01),与P r o pi n a t 和p H 呈显著负相关(P <0.05)㊂P r e v o t e l l a _1和S u c c i n i c l a s t i c u m 与P r o pi -n a t e 呈显著正相关(P <0.01),与A c e t a t e 和A c e t a t e /P r o pi n a t e 呈显著负相关(P <0.05)㊂8981Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第6期徐均钊等:不同加工方式玉米秸秆型饲粮对肉牛生长性能㊁养分表观消化率㊁瘤胃发酵和菌群结构的影响图1 肉牛瘤胃细菌与发酵参数的相关性热图F i g .1 C o r r e l a t i o nh e a t m a p of r u m e nb a c t e r i a i nb e e f c a t t l ew i t h f e r m e n t a t i o n p a r a m e t e r s注:图中T V F A ㊁A c e t a t e ㊁P r o p i n a t e ㊁B u t y r a t e 和A c e t a t e /P r o pi n a t e 分别代表总挥发性脂肪酸㊁乙酸㊁丙酸㊁丁酸和乙酸/丙酸㊂*0.01<P <0.05,**0.001<P <0.01,***P <0.001N o t e :T V F A ,A c e t a t e ,P r o p i n a t e ,B u t y r a t ea n dA c e t a t e /P r o pi n a t e i n t h e f i g u r e r e p r e s e n t t h e t o t a l v o l a t i l e f a t t y a c i d s ,a c e t a t ea c i d ,p r o p i -n a t e a c i d ,b u t y r a t ea c i da n da c e t a t ea c i d /p r o pi n a t ea c i dr a t i o .*0.01<P <0.05,**0.001<P <0.01,***P <0.0013 讨论3.1 不同加工方式玉米秸秆营养成分及其T M R对肉牛生长性能的影响玉米秸秆经过物理㊁生物及物理生物相结合的加工调制方式可改变纤维素结构㊁改善秸秆储存的营养价值[5-8]㊂本研究中,膨化微贮玉米秸秆的营养成分与揉丝玉米秸秆相比差异不显著,但菌酶协同玉米秸秆黄贮的粗蛋白含量较两者提升了17.17%和11.89%㊂王玉婷[7]认为膨化微贮秸秆的粗蛋白含量较秸秆和黄贮提升了65%和27%,这可能是挤压膨化工艺不同,以及黄贮或微贮添加的菌酶差异所致㊂王晋莉等[15]发现玉米秸秆黄贮作为粗饲料饲喂肉牛,其日增重较玉米秸秆组提升了48.54%㊂肖蕊等[16]也发现秸秆经过黄贮处理后能显著提高可消化有机物的进食量和肉牛养殖经济效益㊂本研究中,揉丝组与膨化微贮组之间肉牛的生长性能无显著差异,但黄贮组的肉牛日增重显著升高,而且减少蛋白原料的用量,育肥效果优于膨化和揉丝组,说明菌酶协同玉米秸秆黄贮可以提高肉牛的生长性能和经济效益㊂全株玉米青贮因制作时带有籽粒,其营养价值在三者中最高,作为粗饲料能显著提高肉牛的生长性能[10,17-18]㊂本试验结果表明,相比3种不同加工玉米秸秆型T M R ,全株玉米青贮T M R 显著提高了肉牛日增重㊁降低了料重比,原因在于全株玉米青贮中非结构性碳水化合物含量较高,纤维含量和木质化程度较低,从而提高了消化率㊂3.2 不同玉米秸秆型T M R 对肉牛的养分表观消化率的影响表观消化率可表示动物对饲粮的消化吸收情况,值的高低㊂反映动物的生长快慢[10]㊂粗饲料的不同处理方式对消化率有直接影响㊂张智安等[19]发现,与玉米秸秆组相比,全株玉米青贮组湖羊的N D F 和A D F 消化率显著升高㊂孙雪丽等[10]研究表明,采食全株玉米青贮的肉牛C P ㊁N D F 和A D F 的消化率均显著高于玉米秸秆黄贮组㊂本研究中,饲喂全株玉米青贮T M R 的肉牛养分表观消化率最高,可能是不同收获期的玉米秸秆纤维素结构不同所致,全株玉米收割是在蜡熟期,而玉米秸秆收割一般处于完熟期之后或更晚,晚收获的玉米秸秆A D L含量比全株玉米青贮高,而A D L 是N D F 和A D F的重要组成部分,不易被瘤胃微生物分解利用,从而降低了饲粮中N D F 和A D F 的表观消化率[20],这也间接说明了全株玉米青贮组生长性能最高㊂诸多研究表明,菌酶复合添加剂协同处理玉米秸秆可以显著提高N D F 和A D F 的瘤胃降解率[21-23]㊂本试验也得到相似的结果,这可能会影响肉牛的生长性能,因为秸秆经过菌酶协同黄贮处理后,会破坏秸秆的细胞壁,使秸秆更柔软[24],提高了适口性和采食量㊂挤压膨化(1.8M P a 和120ħ~140ħ)[25]和蒸汽爆破(1.3M pa 和100ħ~120ħ)[5]结合纤维素酶㊁乳酸菌协同处理能使瘤胃中玉米秸秆N D F 和A D F表观消化率提高,但本研究相比揉丝玉米秸秆并没有显著提高,其原因可能是挤压膨化加工方式不同所致,也与膨化挤压后的秸秆未添加菌酶微贮有关,从而导致了挤压膨化加工方式的玉米秸秆型饲粮表观消化率没有得到显著改善㊂3.3 不同玉米秸秆型T M R 对肉牛瘤胃发酵参数的影响瘤胃p H 值是衡量瘤胃内环境稳定和反映瘤胃发酵状况的重要指标,其正常范围在5.5~7.5之间波动[26]㊂本试验中各组瘤胃p H 值均处于正常范围内,说明不同加工方式的玉米秸秆不会影响瘤胃pH 值,这与张兴夫等[27]研究结果相似㊂瘤胃发酵饲料的终产物主要是乙酸㊁丙酸和丁酸㊂随着粗纤维含量的降低,乙酸下降而丙酸增加[28]㊂乙酸是动物脂肪酸的合成前体,而丙酸能提高葡萄糖转化和9981Copyright ©博看网. All Rights Reserved.草地学报第31卷贮存[29]㊂因此,丙酸发酵可以为机体提供更多能量,帮助牲畜增重㊂本试验中,全株玉米青贮和玉米秸秆黄贮组的肉牛瘤胃液中乙酸含量有降低的趋势,但丙酸含量显著升高,A/P显著降低,这与屈雷宇等[30]利用乳酸菌发酵玉米秸秆饲喂肉牛的瘤胃发酵结果一致㊂菌酶协同玉米秸秆黄贮和全株玉米青贮的纤维含量较低,促进了肉牛瘤胃发酵类型向丙酸型转变,使动物更有效地利用能量促进生长[31],这也可能是全株玉米青贮和玉米秸秆黄贮组改善肉牛生长性能的原因之一㊂3.4不同玉米秸秆型T M R对肉牛瘤胃微生物组成及与瘤胃发酵参数相关性的影响瘤胃微生物群是反刍动物瘤胃的重要组成部分,其功能主要是发酵动物摄入的粗饲料[32]㊂普雷沃氏菌属是反刍动物瘤胃内优势菌属,主要通过丙烯酸和琥珀酸途径发酵瘤胃碳水化合物和蛋白质生成丙酸[31,33-34]㊂本试验中,各组优势菌属是普雷沃氏菌属_1,且全株玉米青贮和黄贮组的相对丰度显著高于揉丝和膨化组,这可能与两组饲粮中淀粉和蛋白水平较高有关,它们是普雷沃氏菌属_ 1生长的底物,同时,发酵这些底物能生成丙酸,为动物生长提供更多能量[34],进一步印证了全株玉米青贮和黄贮组生长性能较高的结果㊂这与陈跃鹏[18]的研究结果相似㊂解琥珀酸菌属可将瘤胃微生物分解碳水化合物后产生的琥珀酸代谢成丙酸盐,进而生成丙酸[35]㊂本试验中青贮和黄贮组丙酸含量升高可能与解琥珀酸菌属相对丰度升高有关㊂瘤胃球菌属通过分泌纤维素酶来降解纤维生成乙酸[36]㊂粗纤维含量降低,瘤胃球菌纤维分解菌的数量会减少[37],本研究中也发现全株玉米青贮和黄贮组瘤胃球菌科N K4A214群相对丰度低于秸秆和黄贮组㊂瘤胃微生物与挥发性脂肪酸密切相关㊂本研究中,普雷沃氏菌属_1和解琥珀酸菌属与丙酸呈正相关,说明这些菌属促进了丙酸的合成㊂此外,本研究还发现,瘤胃球菌科N K4A214群与乙酸呈正相关㊂这与王亚玲等[38]研究结果相似,揭示了乙酸浓度显著降低产生的原因㊂4结论菌酶添加处理有效提高了玉米秸秆黄贮饲料和全株玉米青贮饲料的粗蛋白含量,降低了N D F和A D F含量,提高了玉米秸秆的营养价值㊂在精粗比为50ʒ50的玉米秸秆型饲粮中,青贮和黄贮加工方式能显著提高瘤胃中普雷沃氏菌属_1和解琥珀酸菌属的相对丰度,提高了N D F和A D F的消化率,促进瘤胃向丙酸型发酵转变,提高了肉牛日增重,降低了料重比,为肉牛饲用不同加工方式的玉米秸秆提供生产参考㊂参考文献[1]司丙文.开发农副饲料资源助力草食畜牧业快速发展[J].中国畜牧业,2021(17):23-24[2]陈浩铭.龙井地区玉米青贮生产情况和质量情况调查研究报告[D].延边:延边大学,2022:6-7[3]梁运祥,胡宝娥,陈宏声,等.利用生物技术,加快秸秆 高值饲料化 转化,促进草食畜牧业发展[J].饲料工业,2022,43(12):1-9[4]李彦军,郑楠,王加启,等.秸秆饲料的蒸汽爆破预处理技术研究进展[J].动物营养学报,2021,33(12):6676-6683 [5] N I ED,Y A O L,X U X,e t a l.P r o m o t i n g c o r ns t o v e rd e g r a d a-t i o nv i a s e q u e n t i a l p r o c e s s i n g o f s t e a me x p l o s i o n a n d c e l l u l o s e/ l a c t i c a c i db a c t e r i a-a s s i s t e de n s i l a g[J].B i o r e s o u r c e sT e c h n o l-o g y,2021,33(7):125392-125392[6]冉福,焦婷,雷赵民,等.不同汽爆处理下玉米秸秆品质综合评价[J].草地学报,2020,28(3):835-843[7]王玉婷.膨化微贮玉米秸秆营养价值的评定及其对肉牛生产性能的影响[D].长春:吉林农业大学,2019:19-20 [8] G U O G,S H E NC,L I U Q,e t a l.T h e e f f e c t o f l a c t i c a c i d b a c t e-r i a i n o c u l u m s o n i nv i t r o r u m e n f e r m e n t a t i o n,m e t h a n e p r o d u c-t i o n,r u m i n a l c e l l u l o l y t i cb a c t e r i a p o p u l a t i o n sa n dc e l l u l a s ea c-t i v i t i e s o f c o r ns t o v e r s i l a g e[J].J o u r n a l o f I n t e g r a t i v eA g r i-c u l t u r e,2020,19(3):838-847[9]白大洋,温媛媛,李艺,等.玉米秸秆黄贮为主型粗饲料的饲粮能量水平对西门塔尔杂交牛生长性能㊁屠宰性能及肉品质的影响[J].动物营养学报,2021,33(9):5064-5075[10]孙雪丽,李秋凤,刘英财,等.全株青贮玉米对西门塔尔杂交牛生产性能㊁表观消化率及血液生化指标的影响[J].草业学报, 2018,27(9):201-209[11]孟庆翔,周振明,吴浩.肉牛营养学要[M].第8版.北京:科学出版社,2018:136-138[12]张丽英.饲料分析及饲料质量检测技术[M].第2版.北京:中国农业大学出版社,2007:20-68[13]张义顺.植物生理学实验教程[M].北京:高等教育出版社,2009:21-23[14]V A N S O E S T PJ,R O B E R T S O NJB,L E W I SB A.M e t h o d sf o rd i e t a r y f i b e r,n e u t r a ld e t e rg e n t f i b e r,a n dn o n s t a r ch p o l y-s a c c h a r i d e s i n r e l a t i o n t o a n i m a l n u t r i t i o n[J].J o u r n a l o f D a i r y S c i e n c e,1991,74(10):3583-3597[15]王晋莉,杨瑞娥,高照平.不同处理玉米秸育肥肉牛效果比较[J].山西农业大学学报(自然科学版),2008(3):320-323,337 [16]肖蕊,赵祥,岳勇伟,等.肉牛饲喂不同处理玉米秸秆日粮营养物质消化和生产效益的差异比较[J].中国农学通报,2009,25(3):8-120091Copyright©博看网. All Rights Reserved.第6期徐均钊等:不同加工方式玉米秸秆型饲粮对肉牛生长性能㊁养分表观消化率㊁瘤胃发酵和菌群结构的影响[17]薛宵,牛岩,蔡阿敏,等.不同类型玉米青贮的粗饲料组合对肉牛生长性能㊁营养物质表观消化率及血清生化指标的影响[J].动物营养学报,2019,31(9):4070-4079[18]陈跃鹏.全株玉米与玉米秸秆青贮品质评价及对肉牛生长性能和瘤胃微生物区系的影响[D].郑州:河南农业大学,2018: 23-24[19]张智安,周文静,潘发明,等.粗饲料中不同全株玉米青贮比例对湖羊生长性能㊁养分表观消化率㊁肉品质及血液生理指标的影响[J].动物营养学报,2021,33(9):4998-5006 [20]K I N G KJ,B E R G E N W G,S N I F F E N CJ,e ta l.A na s s e s s-m e n t o f a b s o r b a b l e l y s i n e r e q u i r e m e n t s i n l a c t a t i n g c o w s[J].J o u r n a l o fD a i r y S c i e n c e,1991,74(8):2530-2539 [21]毛建红.酶 菌制剂发酵玉米秸秆对其瘤胃降解及微观结构的影响[D].阿拉尔:塔里木大学,2018:39-40[22]王红梅,屠焰,司丙文,等.不同配伍酶制剂处理玉米秸秆对肉用绵羊生长性能和营养物质消化率的影响[J].中国农业科学,2016,49(24):4806-4813[23]冯鹏,吴宏达,孟凡坤,等.外源生物制剂对玉米秸秆青贮质量及肉羊瘤胃降解率的影响[J].中国农业大学学报,2022,27(1):134-144[24]吕竑建,邹璇,吴硕,等.添加辣木叶和香肠乳杆菌对玉米秸秆青贮品质的影响[J].草地学报,2021,29(6):1343-1349 [25]张祖立,朱永文,刘晓峰,等.螺杆挤压膨化机加工农作物秸秆的试验研究[J].农业工程学报,2001,17(6):97-101 [26]赵国宏,王世琴,王芬,等.湖羊育肥期饲粮添加酵母培养物对营养物质表观消化率及瘤胃发酵参数的影响[J].畜牧兽医学报,2019,50(10):2156-2165[27]张兴夫,钱英红,李国东,等.不同粗饲料日粮对西门塔尔繁殖母牛瘤胃发酵和血液指标的影响[J].畜牧与饲料科学,2022, 43(5):22-28[28]李岚捷,成述儒,刁其玉,等.不同N F C/N D F水平饲粮对犊牛瘤胃发酵参数和微生物区系多样性的影响[J].畜牧兽医学报,2017,48(12):2347-2357[29]O R S K O VER,G R U B BD A,S M I T HJS,e t a l.E f f i c i e n c y o fu t i l i z a t i o no f v o l a t i l e f a t t y a c i d s f o rm a i n t e n a n c e a n d e n e r g y r e-t e n t i o nb y s h e e p[J].B r i t i s hJ o u r n a lo fN u t r i t i o n,1979,41(3):541-51[30]屈雷宇,金楚砚,李可人,等.富硒乳酸菌发酵秸秆对延边黄牛瘤胃发酵的影响[J].饲料工业,2022,43(23):44-50 [31]姚喜喜,陈永珑,徐成体,等.日粮能量水平对牦牛生产性能㊁肉品质和瘤胃菌群的影响[J].草地学报,2022,30(2):432-439[32]R E NZ,Y A O R,L I U Q,e t a l.E f f e c t s o f a n t i b a c t e r i a l p e p t i d e so n r u m e n f e r m e n t a t i o n f u n c t i o na n dr u m e n m i c r o o r g a n i s m s i ng o a t s[J].P L o SO n e,2019,14(8):e0221815[33]C U IY,L I U H,G A O Z,e ta l.W h o l e-p l a n tc o r ns i l a g ei m-p r o v e sr u m e nf e r m e n t a t i o na n d g r o w t h p e r f o r m a n c eo fb e e fc a t t l e b y a l t e r i n g r u m e nm i c r o b i o t a[J].A p p l i ed M i c r o b i o l o g ya n dB i o t e c h n o l o g y,2022,106(11):4187-4198[34]张洁,张力莉,徐晓锋.反刍动物瘤胃内普雷沃氏菌的研究进展[J].中国饲料,2020(7):17-21[35]V A N G Y L S WY K N O.S u c c i n i c l a s t i c u mr u m i n i s g e n.n o v.,s p.n o v.,ar u m i n a l b a c t e r i u mc o n v e r t i n g s u c c i n a t e t o p r o p i o-n a t e a s t h e s o l ee n e r g y-y i e l d i n g m e c h a n i s m[J].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f S y s t e m a t i cB a c t e r i o l o g y,1995,45(2):297-300 [36]庞凯悦,柴沙驼,王迅,等.饲粮精粗比对牦牛瘤胃菌群结构的影响[J].草业科学,2022,39(10):1-10[37]L I J,L I A N H,Z H E N G A,e t a l.E f f e c t s o f d i f f e r e n t r o u g h a g e so n g r o w t h p e r f o r m a n c e,n u t r i e n t d i g e s t i b i l i t y,r u m i n a l f e r m e n-t a t i o n,a n d m i c r o b i a lc o m m u n i t y i n w e a n e d H o l s t e i nc a l v e s [J].F r o n t i e r s i nV e t e r i n a r y S c i e n c e,2022,9:864320 [38]王亚玲,孔鹏辉,袁冬冬,等.饲粮添加乙酸钠对奶山羊泌乳性能和瘤胃微生物区系的影响[J].动物营养学报,2023,35(1): 428-438(责任编辑彭露茜)1091Copyright©博看网. 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《玉米秸秆细胞壁纤维素可消化性机制研究》范文

《玉米秸秆细胞壁纤维素可消化性机制研究》范文

《玉米秸秆细胞壁纤维素可消化性机制研究》篇一一、引言随着农业的快速发展,玉米秸秆的产量逐年增加,如何有效利用这一资源成为了一个重要的研究课题。

玉米秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素等组成,其中纤维素占据了很大的比例。

因此,研究玉米秸秆细胞壁纤维素的消化性机制,不仅可以为农业废弃物的资源化利用提供理论依据,还能为饲料、食品和生物能源等领域提供新的原料来源。

本文旨在探讨玉米秸秆细胞壁纤维素的消化性机制,为相关领域的进一步研究提供参考。

二、玉米秸秆细胞壁纤维素的组成与结构玉米秸秆细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质素等组成。

纤维素是细胞壁的主要成分,具有线性的葡萄糖分子链结构;半纤维素则是由多种单糖组成的复杂高分子化合物,与纤维素相互交织;木质素则是一种复杂的芳香族聚合物,起到增强细胞壁强度的作用。

这些成分的组成与结构决定了玉米秸秆的物理化学性质,也影响了其消化性的高低。

三、玉米秸秆细胞壁纤维素的消化性机制1. 酶解作用酶解作用是玉米秸秆细胞壁纤维素消化的主要机制。

纤维素酶是一种能够降解纤维素的酶类,主要包括纤维素二糖水解酶、内切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶等。

这些酶通过作用于纤维素的非结晶区和结晶区,将长链纤维素分子水解为低分子量的糖类,从而提高纤维素的消化性。

2. 微生物发酵作用玉米秸秆中的纤维素也可以通过微生物发酵作用进行消化。

在厌氧环境下,微生物能够利用纤维素作为能量来源,通过发酵产生挥发性脂肪酸等物质。

这些物质不仅可以作为微生物自身的能量来源,还可以作为动物饲料的营养成分,提高饲料的消化性和营养价值。

3. 物理化学作用除了酶解和微生物发酵作用外,物理化学作用也对玉米秸秆细胞壁纤维素的消化性产生影响。

例如,通过酸碱处理、热处理等物理化学方法可以改变纤维素的结晶度和结构,从而提高其消化性。

此外,一些添加剂如离子液体、生物表面活性剂等也可以改善纤维素的消化性。

四、影响因素及优化措施1. 影响因素玉米秸秆细胞壁纤维素的消化性受多种因素影响,包括纤维素的结晶度、结构、表面积、孔隙度等物理性质,以及酶解条件、微生物种类和数量等生物因素。

玉米秸秆不同部位碳水化合物组分体外发酵动态分析

玉米秸秆不同部位碳水化合物组分体外发酵动态分析
Nort h Col lege , Z hangj iakou 075131 , Chi na )
Abstract :T he aim of t his expe riment w as t o evaluate t he fermenta tion ki netics of carbohy drate f ractio ns (A , B1 , B2 and NDS) of 7 various secti ons of corn stalks of “No ng da 108” , including leaf blade (LB), leaf sheat h (LS), st em bark (SB), stem pith (SP), stem node (SN), w hole st alk (WS) and ear husk (EH). T he result s show ed that carbohydrate f racti ons w ere signi ficantly dif fe rent (P < 0. 000 1) among various sections of co rn stalks. Content o f carbohydrate f ractions A f ro m high t o low rank as fol low s :SB >SN > LB >WS > LS > EH >SP ;co nt ent of carbohy drate f ractions B1 as fo llow s :EH > LS > WS > SN > LB > SP > SB ;SP had the hig hest co nt ent o f carbohydrates f ractio n B2 , w hile SB had the lowest content. Gas productio ns of various secti ons of co rn stalks f or carbohydrates three fractions w it h rank fro m hig h to low values were consistent wi th thei r content s. SB and SN had t he highest content o f neut ral deterg ent soluble (NDS), w hile SP had t he low est content , how ever , SN had t he hi ghe st g as pro duct ion ,

生物质秸秆热重分析及几种动力学模型结果比较

生物质秸秆热重分析及几种动力学模型结果比较

文章编号:025322409(2003)0420311206 收稿日期:2002207209;修回日期:2003202217 基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金(2000014115) 联系作者:胡浩权(19612),男,教授,博士生导师。

T el :04112363133323250;E 2mail :hhu @chem 1dlut 1edu 1cn 作者简介:宋春财(19742),男,辽宁桓仁人,博士生,化学工艺专业。

E 2mail :s ongchuncai @sina 1com生物质秸秆热重分析及几种动力学模型结果比较宋春财,胡浩权,朱盛维,朱英华(大连理工大学煤化工研究所,辽宁大连 116012)摘 要:利用热重分析在不同升温速率和氮气气氛下对两种生物质(玉米秸秆和稻秆)的热失重行为进行了研究。

根据热重实验数据,采用四种利用热分析获取动力学参数的方法(C oats 2Red fern 法,D oyle 法,最大速率法和分布活化能模型(DAE M )),计算生物质秸秆热分解反应活化能E 、反应级数n 及频率因子A ,并进行比较。

结果表明,采用不同的处理方法,得出的热分解动力学参数不同。

利用C oats 2Red fern 法,玉米秸秆和稻秆在热解主要阶段(失重约5w %~80w %时)可由一段一级反应过程描述,升温速率10K /min 时活化能值分别为6818k J/m ol 和7010k J/m ol 。

D oyle 法和DAE M 模型得到的结果较为接近,可以得到生物质热解过程中的活化能随失重率的变化曲线。

生物质秸秆热解包含分子键能断裂的一系列复杂、连续反应过程。

关键词:生物质;玉米秸秆;稻秆;热重分析;动力学中图分类号:TK 6 文献标识码:A 生物质作为可再生资源,是潜在的能源和化工原料。

据统计,全世界每年农村生物质的产量为300亿吨,生物质能在世界能源消耗中仅次于石油、煤炭及天然气等化石能源,居第四,约占14%。

27040647_玉米秸秆皮、髓纤维素提取及表征

27040647_玉米秸秆皮、髓纤维素提取及表征

·玉米秸秆纤维素·玉米秸秆皮、髓纤维素提取及表征李梦扬李明昕张涛项钰洲岳金权*(东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨,150040)摘要:以玉米秸秆为原料,研究玉米秸秆皮、髓纤维素的性质。

玉米秸秆皮、髓分别用苯-醇抽提后,进一步用亚氯酸钠在酸性环境下脱除木质素,最后用氢氧化钾脱除多戊糖,得到玉米秸秆皮、髓纯化纤维素。

结果表明,秸秆皮中纤维束排列更整齐紧密,秸秆皮和髓化学组分相似。

从秸秆皮、髓得到的纯化纤维素得率分别为38.9%和38.2%,其中α-纤维素含量为87.5%和82.4%,绝大多数多戊糖和木质素被脱除。

秸秆皮、髓纯化纤维素的晶型结构仍为纤维素I 型,结晶度由纯化前的51.2%和30.4%提高到67.7%和42.1%;纯化纤维素的起始分解温度和最高分解温度相对于秸秆皮、髓均提高,热稳定性优于玉米秸秆皮、髓。

关键词:玉米秸秆;秸秆皮、髓;纤维素;纯化中图分类号:TS721+.4文献标识码:ADOI :10.11980/j.issn.0254-508X.2022.05.009Extraction and Characterization of Cellulose from Corn Straw Bark and PithLI Mengyang LI Mingxin ZHANG Tao XIANG Yuzhou YUE Jinquan *(Key Lab of Bio -based Materials Science and Technology of Ministry of Education ,Northeast Forestry University ,Harbin ,Heilongjiang Province ,150040)(*E -mail :yuejinq@ )Abstract :Corn straw was used as raw material to study the properties of cellulose in the bark and pith of corn straw.The purified cellulosefrom corn straw bark and pith was obtained by extracting the bark and pith with benzene -ethanol ,respectively ,and further removing lignin with sodium chlorite under acidic environment ,and finally removing pentosane by potassium hydroxide.The results showed that the fiber bundles in the straw bark were more neatly and tightly arranged ,and the chemical fractions of straw bark and pith were similar.The yield of purified cellulose from corn straw bark and pith were 38.9%and 38.2%,respectively ,of which the α-cellulose content was 87.5%and82.4%,respectively ,and most of pentosane and lignin were removed.The crystalline structure of purified cellulose from straw bark and pith was still cellulose type pared with corn straw bark and pith before purification ,the crystallinity of purified cellulose increasedfrom 51.2%and 30.4%to 67.7%and 42.1%,respectively.The starting and maximum decomposition temperatures of purified cellulosewere increased compared with those of straw bark and pith ,and the thermal stability was better than that of corn straw bark and pith.Key words :corn straw ;corn straw bark and pith ;cellulose ;purification黑龙江省每年玉米秸秆产量约9万t [1],资源丰富。

玉米秸秆的力学特性测试研究

玉米秸秆的力学特性测试研究

玉米秸秆的力学特性测试研究在以往的研究中,许多学者主要于玉米秸秆的物理特性,如密度、含水量和纤维长度等,而对于其力学特性的研究相对较少。

然而,力学特性作为材料的重要性能指标,对于评估玉米秸秆在饲料和燃料方面的应用潜力具有关键作用。

本次研究的主要目的是通过对玉米秸秆的力学特性进行测试,探究其在饲料和燃料使用中的潜力和优劣。

为了实现这一目标,我们首先需要对玉米秸秆进行详细的实验分析,以获取其真实的力学性能数据。

在实验过程中,我们采用了拉伸实验和流变实验两种方法对玉米秸秆的力学特性进行测试。

拉伸实验可以有效地反映玉米秸秆在承受拉伸载荷时的力学性能,而流变实验则能够揭示其在长时间内抵抗变形和剪切的能力。

为保证实验结果的可靠性,我们还采用了纤维增强塑料(FRP)材料制作了标准试样,用于对实验设备进行校准和验证。

经过一系列实验,我们获得了玉米秸秆的抗拉强度、弹性模量等关键力学参数。

实验结果表明,玉米秸秆具有较好的抗拉强度和弹性模量,分别为290兆帕和850兆帕。

同时,我们也发现玉米秸秆具有较好的抗变形和抗剪切性能,这为其在饲料和燃料领域的应用提供了良好的基础。

根据实验结果,我们可以得出以下玉米秸秆作为一种可再生资源,具有较好的力学特性和应用潜力。

其在饲料和燃料方面的应用可以有效地降低成本,提高资源利用率,同时对于环境保护和可持续发展具有积极意义。

然而,目前对于玉米秸秆的力学特性研究还存在一定的不足,未来需要进一步加强对其应用过程中的优化措施和条件等方面的研究。

本次研究为进一步了解玉米秸秆的力学特性奠定了基础,对于推动其在实际工程中的应用具有重要意义。

未来可以结合材料科学、生物学等领域的知识,对玉米秸秆的力学性能进行更深入的研究,以期在饲料和燃料等领域发掘更多的应用价值。

玉米秸秆作为一种具有广泛应用价值的资源,对其进行力学特性测试研究可以为优化其应用提供科学依据。

本次研究为这一领域的研究提供了新的思路和方法,也为未来的研究指明了方向。

玉米秸秆聚乳酸复合材料的制备及性能测试

玉米秸秆聚乳酸复合材料的制备及性能测试

林业工程学报,2019,4(5):92-99JournalofForestryEngineeringDOI:10.13360/j.issn.2096-1359.2019.05.013收稿日期:2018-12-03㊀㊀㊀㊀修回日期:2019-06-17基金项目:国家自然科学基金(31670569);东北林业大学大学生创新创业训练计划项目(CL201910)㊂作者简介:周帅,男,研究方向为玉米秸秆与聚乳酸复合材料的制备及其性能㊂通信作者:张彦华,女,高级工程师㊂E⁃mail:zhangyanhua@nefu.edu.cn玉米秸秆/聚乳酸复合材料的制备及性能测试周帅,候璞,李云龙,从海山,毕晓柯,张彦华∗,万露,黄子翔(东北林业大学材料科学与工程学院,哈尔滨150040)摘㊀要:近年来,在资源短缺和环境污染的压力下,生物可降解材料的开发与利用成为学者研究的热点之一㊂采用熔融共混的方法制备了一种玉米秸秆/聚乳酸生物可降解复合材料,并通过向复合材料中添加3种不同的改性剂对复合材料进行改性处理,旨在提高农林废弃物的附加值及改善复合体系的各项性能㊂采用X射线衍射㊁电镜扫描㊁接触角㊁力学性能测试等分析手段对复合材料的各项性能进行分析表征,对3种改性剂马来酸酐接枝聚乳酸(MAH⁃g⁃PLA)㊁马来酸酐(MAH)和硅烷偶联剂(KH⁃550)对复合材料的改性效果进行对比研究㊂X射线衍射分析的结果表明,MAH⁃g⁃PLA改性复合材料的结晶度变化不大,MAH改性复合材料的结晶度显著增加,而经过KH⁃550改性的复合材料的结晶度较未改性的复合材料有所下降㊂接触角分析结果表明经过改性之后的复合材料的表面接触角均有所增加,表明复合材料在改性之后的疏水性有所增加㊂其中MAH⁃g⁃PLA改性的复合材料的接触角增加最多,表明MAH⁃g⁃PLA能够更好地改善复合材料的亲水性㊂扫描电镜的断面分析结果表明,MAH和KH⁃550均有效改善了复合材料的界面相容性,且KH⁃550改性的复合材料的界面相容性更佳并具有较高的力学强度㊂力学测试结果表明,KH⁃550改性的复合材料的拉伸强度提高了5.47%,弯曲强度提高了2.50%㊂关键词:复合材料;聚乳酸;玉米秸秆;改性;力学性能;熔融性能中图分类号:TB332㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀㊀㊀开放科学(资源服务)标识码(OSID):文章编号:2096-1359(2019)05-0092-08Preparationandpropertiesofcornstalk/polylacticacidcompositesZHOUShuai,HOUPu,LIYunlong,CONGHaishan,BIXiaoke,ZHANGYanhua∗,WANLu,HUANGZixiang(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)Abstract:Inenvironmentalpollutionandshortageoffossilresourcehavebecomethebiggestchallengeforhumans.Itisurgenttodevelopenvironmentallyfriendlyandbiodegradablematerialstoreplacethepetroleum⁃basedplastics.Inthiswork,cornstalkandbiodegradableplasticpolylacticacid(PLA)wereusedtoprepareagreenandbiodegradablecomposite.Toimprovetheinterfacialcompatibilityofcornstalk/PLAcomposites,threedifferentmodificationagents,namelymaleicanhydride(MAH⁃g⁃PLA),MAH,andsilanecouplingagent(KH⁃550)wereaddedintothecornstalk/PLAcompositesystemsduringmeltblendingprocess.Theeffectsoftheadditionofthesethreemodifiersontheperformanceofcornstalk/PLAcompositeswerecomprehensivelystudied.TheresultsofX⁃raydiffractionshowedthatthecrystallinityofthecompositeschangeddifferentlyviamodificationwithdifferentagents.ThecrystallinityofMAH⁃g⁃PLAmodifiedcompositesdidnotshowsignificantincrease,whilethecrystallinityofMAHmodifiedcompositesin⁃creasedobviously.However,thecrystallinityofKH⁃550modifiedcompositesdecreased.ThesignificantincreaseofthecrystallinityofMAHmodifiedcompositescouldbeowedtothebettermobilityofMAHmolecularchains,which⁃thencouldenhancethecrystallizationabilityandindicatedbythehighermeltindexoftheMAHmodifiedcompositethanothercomposites.Thecontactanglesofallthecompositesincreasedaftermodification,indicatingthatthehydro⁃phobicityofthecompositeswasimprovedafterthemodification.Theincreasementinthecontactangleofthecompos⁃itesmodifiedbyMAH⁃g⁃PLAwashigherthantheothertwocomposites.Thefracturesurfaceofthecompositeswasobservedbyscanningelectronmicroscopytoanalyzetheinfluenceofthethreemodifiersontheinterfacialcompatibili⁃ty.TheresultsshowedthatMAHandKH⁃550couldeffectivelyimprovetheinterfacialcompatibilitybetweenthecornstalkandPLAmatrix.ThecompositesmodifiedbyKH⁃550hadthebestinterfacialcompatibility,suggestingthatKH⁃㊀第5期周帅,等:玉米秸秆/聚乳酸复合材料的制备及性能测试550hadbetterinterfacialinteractionandadhesionwithbothcornstalkandPLAthantheothertwoagents.Asaresult,thecompositesmodifiedbyKH⁃550showedhighermechanicalstrengthsduetothebetterinterfacialbonding.Theten⁃silestrengthoftheKH⁃550modifiedcompositesincreasedby5.47%andtheflexuralstrengthincreasedby2.50%whencomparedwiththeunmodifiedcornstalk/PLAcomposites.Keywords:composites;polylacticacid;cornstalk;modification;mechanicalproperties;meltproperties㊀㊀石油能源作为全球消耗量最大的不可再生能源,在人类加速社会经济发展的同时被大量消耗和日益枯竭,致使人们面临着环境污染和资源短缺的危机[1]㊂当今世界各国开始致力于研究开发新的可再生资源,生物降解高分子材料是近年研究热点之一[2-3]㊂而聚乳酸(PLA)作为一种可降解的脂肪族聚酯,具有良好的生物相容性㊁力学性能㊁热性能等,可作为很多石油基塑料的替代品[4]㊂聚乳酸来源广泛,是以可再生的农作物作为合成原料,例如玉米㊁甘蔗和木薯等[5];另一方面,废弃的PLA制品在自然界可降解成CO2和H2O,可避免类似于石油基塑料使用后带来的 白色污染 [4-5],且CO2和H2O又可作为植物光合作用的原料,形成一个绿色循环[6]㊂但聚乳酸因其结晶慢以及价格相对昂贵等缺点[7],并未得到广泛的应用,在实际应用中必须对聚乳酸(PLA)进行增韧改性或增强改性处理㊂近年来,关于天然植物纤维增强聚合物性能的研究备受关注,主要有木纤维㊁麻纤维㊁竹纤维以及玉米秸秆等[8]㊂而在我国玉米产量巨大,长期以来无法经济有效地对玉米秸秆进行处理,普遍的处理方式是将玉米秸秆焚烧,释放大量粉尘以及有毒有害物质,威胁人与其他生物体的健康,因此对玉米秸秆进行合理有效化的利用具有重要意义[9-10]㊂针对我国的现状,将玉米秸秆作为增强材料是一种可行的方法,其不仅取材方便㊁来源广泛㊁价格低廉,还具有可生物降解㊁可再生等优点[11-12]㊂目前国内外对玉米秸秆纤维增强聚合物的相关研究报道较少,结合我国的回收利用现状,本研究采用玉米秸秆和聚乳酸制备复合材料㊂常见的PLA改性方法为溶液共混㊁熔融共混和原位聚合3种[13-14],考虑到玉米秸秆和聚乳酸的物理特性与工艺条件,本研究将玉米秸秆与PLA采用熔融共混的方法进行复合㊂由于天然植物纤维与PLA极性相差较大,导致两相差的界面相容性,因此需要对天然植物纤维进行物理或化学的改性处理㊂化学改性处理中常用的相容剂或偶联剂有马来酸酐㊁硅烷㊁甘油物质等㊂Wang等[15]在制备PLA/竹纤维复合材料时,用一定量甲基丙烯酸缩水甘油酯作为增容剂,结果表明,复合材料的冲击强度得到一定提高㊂周长奉等[16]加入1%的硅烷偶联剂(KH⁃550)到PLA/木粉复合材料时,结果表明KH⁃550的加入明显改善了材料的力学性能㊂因此本研究采用不同的相容剂以提高玉米秸秆/PLA复合材料的界面相容性,马来酸酐㊁硅烷偶联剂(KH⁃550)或使用马来酸酐与聚乳酸的接枝物代替部分聚乳酸,旨在改善两相界面的相容性,并通过红外光谱(FT⁃IR)㊁X射线衍射(XRD)㊁扫描电镜(SEM)等测试手段研究其改性效果,寻找出力学性能更加优异㊁相容性更加良好且可降解的高分子复合材料㊂具体改性过程如图1所示㊂图1㊀玉米秸秆/PLA复合材料的改性示意图Fig.1㊀Modificationofcornstalk/PLAcomposites1㊀材料与方法1.1㊀试验材料聚乳酸,牌号4032D,宁波环球塑料制品有限公司;玉米秸秆,自制,皮穰全用,2000μm>粒径尺寸>900μm(10目以上);马来酸酐(MAH),分析纯,寿光市骏佳化工有限公司;硅烷偶联剂,KH⁃550,分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司㊂1.2㊀样品的制备马来酸酐接枝聚乳酸(MAH⁃g⁃PLA)制备:将PLA粒子放置在真空烘箱中,50ħ干燥,12h㊂取少量过氧化二异丙苯(DCP)与MAH按质量比1ʒ1准确称取,并溶于丙酮中㊂然后将丙酮溶液倒入装有PLA颗粒的烧杯中,并通过搅拌分散均匀㊂由DCP嫁接后,样品被冷却并粉碎,待用㊂玉米秸秆/PLA复合材料的制备:将玉米秸秆皮穰分离进行粉碎,干燥后的玉米秸秆纤维与聚乳39林业工程学报第4卷酸(m玉米秸秆ʒmPLA=2ʒ8)在高速搅拌机中进行共混,混合均匀后于密封袋中放置一段时间㊂采用同向双螺杆挤出机(SHJ⁃20,南京杰恩特机电有限公司)挤出造粒,其中挤出温度分别为135ң150ң170ң170ң135ħ(从进料口到出料口)㊂然后经过粉碎机(FW80,天津市泰斯特仪器有限公司)粉碎成小颗粒状,再经过注塑机(WZS10D,上海泓利机器有限公司)注塑成型得到哑铃型复合材料试样,其中注塑温度为185ħ,工作压力为0.6MPa,加热时间为300s㊂玉米秸秆/PLA/MAH⁃g⁃PLA的制备:其中玉米秸秆㊁mPLA和MAH⁃g⁃PLA的质量比为2ʒ5ʒ3,制备流程同上㊂玉米秸秆/PLA(1%相容剂)的制备:其中玉米秸秆与PLA的质量比为2ʒ8,相容剂为马来酸酐和硅烷偶联剂(KH⁃550),制备流程同上㊂编号分别代表:A为玉米秸秆/PLA复合材料;B为玉米秸秆/PLA/MAH⁃g⁃PLA复合材料;C为玉米秸秆/PLA(MAH)复合材料;D为玉米秸秆/PLA(KH⁃550)复合材料㊂1.3㊀复合材料性能测试与表征1.3.1㊀傅里叶红外光谱(FT⁃IR)分析取微量复合材料加入添加剂后聚合得到的不同聚乳酸玉米秸秆样品压片后通过傅里叶红外光谱仪(TensorII,德国Bruker有限公司)进行测试,光谱设置范围为500 4000cm-1,参数设置为分辨率为4cm-1,扫描次数32次㊂同时,对不加添加剂的聚乳酸玉米秸秆聚合物进行扫描作为空白对照㊂1.3.2㊀X射线衍射(XRD)分析通过X射线衍射仪(D/max220,日本理学公司)对样品进行分析,参数设置:管电压40kV,管电流20mA,扫描范围5 40ʎ,扫描速率5ʎ/min,步宽0.02ʎ㊂1.3.3㊀吸水率测试按照GB/T1034 1998要求,将测试样品裁成30mmˑ10mmˑ3mm大小,50ħ真空鼓风干燥箱(DGG⁃9070,中国上海一恒科学仪器有限公司)24h,称质量(记为m1)㊂将样品置于蒸馏水中浸泡24h后,用滤纸擦拭干样品表面,再次称质量(记为m2),每组测5次取平均值,按吸水率公式W=(m2-m1)/m1ˑ100%计算,直到材料的吸水达到饱和㊂1.3.4㊀亲水性测试每个样选取5个比较平整的位点,每个位点通过接触角测定仪(OCA20,德国DATAPHYSICS公司)进行亲水性接触测试,每个点测试5次,取第30s时的亲水性接触角作为测试值,取平均值为材料的亲水性接触角测试值㊂1.3.5㊀扫描电镜(SEM)观察借助扫描电子显微镜(QUANTA220,美国FEI公司)观察复合材料液氮脆断断面的形貌,加速电压为5kV,放大倍数为500和1000倍㊂1.3.6㊀力学性能测试拉伸性能和弯曲性能采用万能力学试验机(CMT5504,中国深圳新三思材料检测有限公司)在室温条件下分别按照GB/T1040 2006和GB/T9341 2008进行测试㊂拉伸测试中试样形状为哑铃型尺寸为150mmˑ10mmˑ4mm,试样标距50mm,拉伸速度为5mm/min;弯曲测试中试样形状为长条状,尺寸为80mmˑ10mmˑ4mm,跨距为48mm,测试速度为5mm/min㊂每组试样结果取至少5次测试的平均值㊂1.3.7㊀熔融指数测试参照GB/T3682 2000国家标准,在温度190ħ㊁载荷2.16kg的实验条件下使用熔融指数测试仪(RLS400型中国长春科新公司实验仪器研究所)进行测试,称取干燥粉状式样,每次取6g,采用熔融指数(IM)计算公式IM=mˑ600/t进行计算㊂2㊀结果与分析2.1㊀官能团分析聚乳酸和聚乳酸玉米秸秆复合材料改性前后的FT⁃IR谱图见图2㊂从图2a可知:聚乳酸和复合材料改性前后的红外光谱中3332cm-1处归属于 OH伸缩振动峰,2896cm-1处归属于甲基弯曲振动吸收峰,1733cm-1处的吸收峰归属于酯羰基C O的伸缩振动峰,1382和1365cm-1处归属于 CH变形峰(对称和不对称弯曲峰),1082cm-1处归属于C O C伸缩振动峰,1041cm-1处归属于 OH弯曲峰,867cm-1处归属于C C骨架伸缩振动峰;玉米秸秆的外壳外表面(E3)㊁外壳内表面(E2)以及内芯(E1)在3400 3300cm-1处归属于羟基 OH伸缩振动特征峰,在1730cm-1附近处归属于半纤维素中的C O伸缩振动特征吸收峰,在1032cm-1附近处归属于 OH弯曲峰㊂由图2b可以看出,MAH⁃g⁃PLA较纯PLA在1190和1130cm-1峰位上有一定偏移并且在1750cm-1和强度变大,可以证明马来酸酐(MAH)接枝在聚乳酸上㊂图2b中,通过对加入相容剂的复合材料和复合材料与PLA的红外谱图对比可得,A在49㊀第5期周帅,等:玉米秸秆/聚乳酸复合材料的制备及性能测试1747cm-1处归属于聚乳酸主链C O的伸缩振动峰,而C㊁D的酯羰基C O伸缩振动峰在1748cm-1,有一定的偏移,可能是改性剂的接枝导致峰迁移[17]㊂比较复合材料改性前后的红外光谱图可知,复合材料改性前后特征峰,波数分别为2997,1747,1382和1084cm-1,主要基团的特征峰并没有显著改变,其中复合材料改性前的特征吸收峰的强度高于改性后复合材料吸收峰,复合材料755cm-1处相对于聚乳酸多出个峰,归属于为多平面亚甲基的特征峰,其主要是玉米秸秆纤维自身特有832cm-1处吸收峰在复合材料红外光谱向低处偏移至755cm-1㊂图2㊀玉米秸秆及其复合材料傅里叶红外光谱图Fig.2㊀Fouriertransforminfraredspectroscopyofcornstalkandcompositematerials2.2㊀结晶度分析复合材料改性前后的结晶性能分析谱图见图3㊂由图3可见:在16.3ʎ时出现了尖锐的衍射峰[18],证明复合材料的主部分是PLA;在22.0ʎ左右时又出现了另一个明显的衍射峰,是玉米秸秆中的纤维素晶体㊂图3中复合材料C(加入1%马来酸酐作为相容剂改善后的复合材料)的图形峰最尖锐,而峰越尖锐表明复合材料的结晶度越高,结晶性越好[19];而使用不同相容剂改性后,硅烷偶联剂对复合材料的性能改进更加显著,其结晶度下降,主要原因是破坏了聚合物分子链的规整度和无定形区,结晶度的下降使得复合材料界面张力减小,各组分间的界面相容性增加[20]图3㊀玉米秸秆/PLA/MAH⁃g⁃PLA复合材料XRD图Fig.3㊀TheXRDofthecompositeofcornstalk/PLA/MAH⁃g⁃PLA一般来说,复合材料的结晶度越高,力学性能越高,但复合材料变脆,韧性较差,延展性较差㊂因此,相比于马来酸酐改性,硅烷偶联剂改性后的复合材料的力学性能显著提升㊂2.3㊀吸水性能分析玉米秸秆聚乳酸复合材料加入马来酸酐接枝聚乳酸㊁MAH相容剂,以及加入硅烷偶联剂复合材料吸水率趋势和最大饱和吸水率见图4㊂由图4a可见,随着时间的延长,吸水率迅速增加之后趋于平缓最后达到饱和㊂PLA是一种疏水性树脂,玉米秸秆中含有纤维素㊁半纤维素和木质素,纤维素中含有大量羟基㊂当复合材料与水接触时,羟基迅速与水分子结合形成氢键,PLA与玉米秸秆二者相容性较差,在加入30%马来酸酐聚乳酸接枝产物后引入酸酐基团,酸酐基团可与秸秆中纤维上的羟基结合,而酸酐水解后的羰基又可以和羟基形成氢键[21]㊂因此,马来酸酐作为增溶剂增加了玉米秸秆与PLA两相之间的相容性和分散性,使得两者结合更加紧密,水分子不易进入㊂由图4b可以看出,加入MAH作为相容剂后同样增加了与玉米秸秆的相容性,强度提高㊂偶联剂在水解后与玉米纤维素表面的活性羟基反应形成稳定的化学键[22],因此加入1%的硅烷偶联剂(KH⁃550)后改善了复合材料的界面相容性,增强界面黏结力,使得水分子不易进入材料的内部导致材料的吸水率下降㊂综合上述分析,加入一系列相容剂改性对复合材料的吸水率影响较小㊂59林业工程学报第4卷图4㊀玉米秸秆/PLA/MAH⁃g⁃PLA复合材料的吸水率和最大饱和吸水率的曲线Fig.4㊀Thewaterabsorptionandmaximumsaturatedwaterabsorptioncurvesofthecompositeofcornstalk/PLA/MAH⁃g⁃PLA2.4㊀接触角分析聚乳酸玉米秸秆复合材料中加入一系列相容剂前后材料的接触角变化情况见图5㊂加入相容剂前后材料的接触角变化示意图见图6㊂由图5可知:加入相容剂后接触角变大,说明改性后复合材料的疏水性增加,玉米秸秆和聚乳酸的界面结合力显著升高;加入MAH接枝后聚乳酸的接触角增大显著,说明分子间结合更加紧密[23]㊂由图6可知,引入了疏水性的酸酐基团C和D,经MAH接枝增容改性后复合材料的疏水性较好㊂图5㊀玉米秸秆/PLA/MAH⁃g⁃PLA复合材料的接触角Fig.5㊀Thecontactanglecurvesofthecompositeofcornstalk/PLA/MAH⁃g⁃PLA图6㊀玉米秸秆/PLA/MAH⁃g⁃PLA复合材料接触角示意图Fig.6㊀Thecontactanglepicturesofthecompositeofcornstalk/PLA/MAH⁃g⁃PLA图7㊀米秸秆/PLA/MAH⁃g⁃PLA复合材料电镜断裂面的扫描图Fig.7㊀TheSEMofthecompositeofcornstalk/PLA/MAH⁃g⁃PLA2.5㊀SEM分析加入相容剂改性玉米秸秆PLA复合材料前后的拉伸断口SEM图见图7㊂从图7可以看出,拉伸断口处有一些被拉出的玉米秸秆纤维素所遗留下的散落孔洞,出现严重相分离㊂如图7a所示,断面相对平滑,说明了聚乳酸基体与玉米秸秆之间较弱界面结合能力,导致复合材料的拉伸强度不高㊂图7b加入马来酸酐接枝聚乳酸后断口几乎看不到被拉出物,相比较图7a中孔洞的数目和孔径变小,断面粗糙,说明加入马来酸酐接枝后改善界面的相容性,使玉米秸秆能较好地分散到聚乳酸中,拉伸强度得到提升㊂图7c是加入MAH作为相容剂后断面的SEM图,经过交联复合材料的界面强度明显增强,断面粗糙,有少量的拔丝现象,并伴有极少的69㊀第5期周帅,等:玉米秸秆/聚乳酸复合材料的制备及性能测试孔洞数,说明经过相容剂作用后复合材料界面结合力显著升高,也相应解释了加入相容剂后材料拉伸强度提高的现象㊂加入了硅烷偶联剂改性之后如图7d所示,拉伸断面平滑几乎没有拔丝现象,断裂表面几乎分不清聚乳酸基体相和玉米秸秆纤维素相,说明硅烷偶联剂显著改善了复合材料的相容性,增强了基体与填料之间的相互作用力,在力学性能上表现为提高了复合材料的拉伸强度㊂2.6㊀力学性能分析2.6.1㊀拉伸性能测试玉米秸秆/PLA(质量比2ʒ8)使用相容剂改性前后复合材料的拉伸性能㊁断裂伸长率对比见图8㊂从图8可知,与改性材料相比,未经任何处理的玉米秸秆/PLA(质量比2ʒ8)复合材料的拉伸性能和断裂伸长率相对较高㊂玉米秸秆纤维与聚乳酸基体之间相容性较差,存在应力缺陷,加入MAH相容剂和MAH⁃g⁃PLA作为增容剂后界面相容性改善不显著,导致拉伸强度下降㊂聚乳酸基体本身是脆性材料,纤维本身断裂伸长率低,拉伸过程中,基体与填料由于相容性差可能存在滑移现象并且部分纤维会先发生断裂,最终在力学实验上表现为断裂强度与断裂伸长率都有所降低㊂刘晓静等[25]也得出类似的结论㊂而加入MAH和KH⁃550做相容剂,复合材料拉伸强度显著提高(提高了5.47%)㊂KH⁃550中的氨基会与聚乳酸两端活性基团发生反应,并且玉米秸秆中的羟基与偶联剂中的氧烷基发生反应产生嵌合部分,从而形成整体,两个界面间相容性得到显著改善,抵抗外力的作用能力增强,拉伸强度得到提高㊂基体与填料之间存在结构变性差异,导致整个复合材料表现出差的断裂伸长率[26]图8㊀玉米秸秆/PLA/MAH⁃g⁃PLA复合材料拉伸性能Fig.8㊀Thestretchingpropertiesofthecompositeofcornstalk/PLA/MAH⁃g⁃PLA2.6.2㊀弯曲性能测试弯曲强度测试结果见图9㊂由图9可知,玉米秸秆/PLA/MAH⁃g⁃PLA(质量比2ʒ5ʒ3)复合材料与用相容剂马来酸酐改性(改性剂占总量1%)处理的玉米秸秆/PLA(质量比2ʒ8)复合材料的弯曲强度变化较小㊂加入相容剂力学性能没有增加的原因是相容剂混合不均匀造成局部量过多,过多的相容剂会在界面处形成应力层,从而降低材料的力学性能[26]㊂硅烷偶联剂(是一种高效的表面改性偶联剂)做相容剂,复合材料的弯曲强度显著提高(提高了2.50%),并且弯曲模量提高了5.73%㊂杨琳强等[27]利用核磁共振氢谱证实了硅烷偶联剂可以接枝在PLA分子上㊂使用双螺杆挤出机进行反应挤出制备了聚乳酸接枝硅烷偶联剂复合材料,通过改性接枝使分子链产生嵌合部分,使两种性能差异很大的材料界面偶联起来;将偶联剂中烷氧基能与木粉纤维中羟基基团作用,其长链烷基可与聚合物发生缠绕,使两相界面相容性增强,提高了弯曲性能㊂图9㊀玉米秸秆/PLA/MAH⁃g⁃PLA复合材料的弯曲性能Fig.9㊀Thebendingperformanceofthecompositeofcornstalk/PLA/MAH⁃g⁃PLA图10㊀玉米秸秆/PLA/MAH⁃g⁃PLA复合材料熔融指数Fig.10㊀Themeltindexofthecompositeofcornstalk/PLA/MAH⁃g⁃PLA2.7㊀熔融性能分析复合材料的熔融指数见图10㊂从图10可知,加入相容剂复合材料熔融指数比不加相容剂的复合材料熔融指数显著增大,而且加入MAH的复合材料熔融指数比加入硅烷偶联剂(KH⁃550)的更大,说明加入MAH的复合材料流动性更高,具有79林业工程学报第4卷较好的可加工性㊂加入相容剂会增大分子间作用力,物理结合作用越强,复合材料的熔融流动性减低㊂即加入硅烷偶联剂(KH⁃550)使分子间作用力更强,物理结合作用更强,所以熔融指数稍有降低,但可以进行较好加工㊂由MAH接枝改性PLA所得的复合材料熔融指数比玉米秸秆与纯PLA所得复合材料的熔融指数要低,是由于MAH有效增加了PLA分子间的结合力,物理结合作用变强,熔融流动性降低,导致熔融指数降低㊂3㊀结㊀论采用简单的熔融共混,通过3种不同的处理方法:用MAH⁃g⁃PLA替代部分PLA,分别加入马来酸酐(MAH)和硅烷偶联剂(KH⁃550)作为相容剂,来改性制备玉米秸秆/PLA复合材料㊂研究分析复合材料的力学㊁吸水性能等的影响,得出以下结论:1)XRD和SEM表明使用硅烷偶联剂(KH⁃550)作为玉米秸秆/PLA复合材料的相容剂,可以显著提高聚乳酸基体和玉米秸秆填料之间的相容性㊂2)比较力学实验(其中包括拉伸和弯曲实验)后得出,采用硅烷偶联剂改性后的复合材料拉伸和弯曲性能得到了改善㊂其中拉伸强度和弯曲强度有略微提高,拉伸强度提高了5.47%㊁弯曲强度提高了2.50%㊁弯曲模量提高了5.73%㊂3)3种不同的相容剂对玉米秸秆/PLA复合材料界面相容性的改善效果较好的是硅烷偶联剂(KH⁃550)㊂参考文献(References):[1]张映红,路保平.世界能源趋势预测及能源技术革命特征分析[J].天然气工业,2015,35(10):1-10.DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2015.10.001.ZHANGYH,LUBP.Predictionofglobalenergytrendanda⁃nalysisonenergytechnologyinnovationcharacteristics[J].NaturalGasIndustry,2015,35(10):1-10.[2]RODRIGUESCA,TOFANELLOA,NANTESIL,etal.Biolog⁃icaloxidativemechanismsfordegradationofpoly(lacticacid)blendedwiththermoplasticstarch[J].ACSSustainableChemistry&Engineering,2015,3(11):2756-2766.DOI:10.1021/acs⁃suschemeng.5b00639.[3]MORREALEM,DINTCHEVANT,LAMANTIAFP.Theroleoffillertypeinthephoto⁃oxidationbehaviourofmicro⁃andnano⁃filledpolypropylene[J].PolymerInternational,2011,60(7):1107-1116.DOI:10.1002/pi.3049.[4]ANDERSONJM,SHIVEMS.Biodegradationandbiocompati⁃bilityofPLAandPLGAmicrospheres[J].AdvancedDrugDeliv⁃eryReviews,2012,64:72-82.DOI:10.1016/j.addr.2012.09.004.[5]PORRASA,MARANONA,ASHCROFTIA.CharacterizationofanovelnaturalcellulosefabricfromManicariasacciferapalmaspossiblereinforcementofcompositematerials[J].CompositesPartB:Engineering,2015,74:66-73.DOI:10.1016/j.compositesb.2014.12.033.[6]OZDEMIRE,LEKESIZTO,HACALOGLUJ.Polylactide/or⁃ganicallymodifiedmontmorillonitecomposites;effectsoforganicmodifieronthermalcharacteristics[J].PolymerDegradationandStability,2016,134:87-96.DOI:10.1016/j.polymdegradstab.2016.09.028.[7]窦庶华,孙姣霞,阮长顺,等.新型聚乳酸⁃聚酰亚胺嵌段共聚物的合成与表征[J].功能材料,2012,43(3):317-319,323.DOUSH,SUNJX,RUANCS,etal.Preparationandcharac⁃terizationofanewpolylactide⁃b⁃polyimidecopolymer[J].JournalofFunctionalMaterials,2012,43(3):317-319,323.[8]张雷,吕闪闪,孙策,等.植物纤维增强聚乳酸基复合材料研究进展[J].塑料科技,2018,46(2):79-84.DOI:10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2018.02.011.ZHANGL,LYUSS,SUNC,etal.ResearchprogressonPLAreinforcedwithplantfibercompositematerial[J].PlasticsScienceandTechnology,2018,46(2):79-84.[9]CHENSH,YUEQY,GAOBY,etal.Adsorptionofhexavalentchromiumfromaqueoussolutionbymodifiedcornstalk:afixed⁃bedcolumnstudy[J].BioresourceTechnology,2012,113:114-120.DOI:10.1016/j.biortech.2011.11.110.[10]严婷婷,史凯欣,易鹏,等.秸秆/合成橡胶复合材料的界面改性及性能研究[J].森林工程,2017,33(3):48-52.DOI:10.3969/j.issn.1006-8023.2017.03.011.YANTT,SHIKX,YIP,etal.Studyonchemicalsurfacemod⁃ificationandperformanceofthestraw⁃syntheticrubbercomposites[J].ForestEngineering,2017,33(3):48-52.[11]丁芳芳,张敏,王景平,等.玉米秸秆纤维/PBS复合材料的制备及性能[J].高分子材料科学与工程,2011,27(10):158-161.DOI:10.16865/j.cnki.1000-7555.2011.10.041.DINGFF,ZHANGM,WANGJP,etal.Preparationandper⁃formanceofcornstrawfiber/PBScomposites[J].PolymerMateri⁃alsScience&Engineering,2011,27(10):158-161.[12]张佳宁,郭仁全,曹潇文,等.处理麦秸制备麦草刨花板性能研究[J].森林工程,2016,32(5):44-47.DOI:10.3969/j.issn.1001-005X.2016.05.010.ZHANGJN,GUORQ,CAOXW,etal.Researchonpropertiesofwheatstrawparticleboardpreparedbytreatedwheatstraw[J].ForestEngineering,2016,32(5):44-47.[13]赵龙龙,黄东升,王骁睿,等.秸秆轻质隔墙复合条板工程应用的试验研究[J].森林工程,2016,32(5):97-100,110.DOI:10.3969/j.issn.1001-005X.2016.05.020.ZHAOLL,HUANGDS,WANGXR,etal.Experimentalstudyoflight⁃weightstrawcompositepanelusedinpracticalengi⁃neering[J].ForestEngineering,2016,32(5):97-100,110.[14]CHENHM,CHENJW,CHENJ,etal.Effectoforganicmont⁃morilloniteoncoldcrystallizationandhydrolyticdegradationofpoly(l⁃lactide)[J].PolymerDegradationandStability,2012,97(11):2273-2283.DOI:10.1016/j.polymdegradstab.2012.07.037.[15]WANGYN,WENGYX,WANGL.Characterizationofinterfa⁃cialcompatibilityofpolylacticacidandbambooflour(PLA/BF)89㊀第5期周帅,等:玉米秸秆/聚乳酸复合材料的制备及性能测试inbiocomposites[J].PolymerTesting,2014,36:119-125.DOI:10.1016/j.polymertesting.2014.04.001.[16]周长奉,彭培辉,吴彩茵,等.硅烷偶联剂对PLA/木粉复合材料性能的影响[J].塑料科技,2014,42(12):85-89.DOI:10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2014.12.013.ZHOUCF,PENGPH,WUC,etal.EffectofsilanecouplingagentonpropertiesofPLA/woodflourcomposites[J].PlasticsScienceandTechnology,2014,42(12):85-89.[17]叶超林.改性剑麻纤维及其增强聚乳酸复合材料的性能研究[D].广州:华南理工大学,2016.YECL.Researchonthepropertiesofmodifiedsisalfibersandreinforcedpolylactidebiocomposites[D].Guangzhou:SouthChinaUniversityofTechnology,2016.[18]TYLERB,GULLOTTID,MANGRAVITIA,etal.Polylacticacid(PLA)controlleddeliverycarriersforbiomedicalapplications[J].AdvancedDrugDeliveryReviews,2016,107:163-175.DOI:10.1016/j.addr.2016.06.018.[19]付宏业,任天斌,任杰,等.马来酸酐接枝共聚物增容聚乳酸/改性淀粉复合材料的制备与性能研究[J].工程塑料应用,2008,36(11):11-14.DOI:10.3969/j.issn.1001-3539.2008.11.003.FUHY,RENTB,RENJ,etal.Preparationandcharacteriza⁃tionofpla/starchblendscompatibilizedbymahcresin[J].Engi⁃neeringPlasticsApplication,2008,36(11):11-14.[20]杨龙.木粉/聚乳酸复合材料的制备及性能表征[D].哈尔滨:东北林业大学,2015.YANGL.Preparationandcharacterizationofwoodpowder/PLAcomposites[D].Harbin:NortheastForestryUniversity,2015.[21]HUDAMS,DRZALLT,MOHANTYAK,etal.Effectoffibersurface⁃treatmentsonthepropertiesoflaminatedbiocompositesfrompoly(lacticacid)(PLA)andkenaffibers[J].CompositesScienceandTechnology,2008,68(2):424-432.DOI:10.1016/j.compscitech.2007.06.022.[22]陈嘉川,谢益民,李彦春,等.天然高分子科学[M].北京:科学出版社,2008:5-100.CHENJC,XIEYM,LIYC,etal.Naturalpolymerscience[M].Beijing:SciencePress,2008:5-100.[23]姜爱菊.剑麻纤维增强聚乳酸复合材料的制备及性能研究[D].广州:华南理工大学,2012.JIANGAJ.Researchontheperformanceandpreparationofsisalfibersreinforcedpolylacticacidcomposites[D].Guangzhou:SouthChinaUniversityofTechnology,2012.[24]穆春玉.木质素/聚乳酸复合材料的制备与性能研究[D].成都:西南交通大学,2014.MUCY.Explorationsforprocessingandpropertiesoflignin/Poly(L⁃lactic)acidcomposites[D].Chengdu:SouthwestJiaotongU⁃niversity,2014.[25]刘晓静,吕闪闪,谭海彦,等.偶联改性对木粉/PLA复合材料性能的影响[J].材料导报,2016,30(18):56-59.DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2016.18.013.LIUXJ,LYUSS,TANHY,etal.Influenceofcouplingmodifi⁃cationonthepropertiesofwoodFlour/PLAcomposites[J].Mate⁃rialsReview,2016,30(18):56-59.[26]ALMAADEEDMA,KAHRAMANR,NOORUNNISAKHANAMP,etal.Datepalmwoodflour/glassfibrereinforcedhybridcom⁃positesofrecycledpolypropylene:mechanicalandthermalproperties[J].Materials&Design,2012,42:289-294.DOI:10.1016/j.matdes.2012.05.055.[27]杨琳强,金立维.聚乳酸接枝硅烷偶联剂的制备及对聚乳酸/木粉复合材料的影响[J].高分子材料科学与工程,2016,32(7):125-130.DOI:10.16865/j.cnki.1000-7555.2016.07.024.YANGLQ,JINLW.Preparationofpoly(lacticacid)graftedwithsilanecouplingagentanditsinfluenceonpoly(lacticacid)/woodflourcomposites[J].PolymerMaterialsScienceandEngi⁃neering,2016,32(7):125-130.(责任编辑㊀梁辉)99。

不同界面玉米秸秆腐解特征及其碳释放量动态变化

不同界面玉米秸秆腐解特征及其碳释放量动态变化

不同界面玉米秸秆腐解特征及其碳释放量动态变化
玉米秸秆是农业生产过程中产生的一种常见农业废弃物,其有效利用对于农田生态系
统的健康发展具有重要意义。

玉米秸秆的腐解特征及其碳释放量动态变化对于了解其分解
过程和影响因素具有重要意义。

玉米秸秆的腐解特征主要包括分解速率、碳、氮、磷等养分的释放规律。

研究表明,
玉米秸秆的分解速率受到环境因素、初始化条件、秸秆质量等因素的影响。

温度、湿度、
土壤质地、微生物等环境因素的变化会影响分解速率。

初始化条件包括秸秆的数量、质量
和分布方式等,不同的初始化条件会导致不同的分解速率。

秸秆的质量指标如C/N比、Lignin/N比等也会影响分解速率,其中C/N比一般越高,分解速率越低。

玉米秸秆的碳释放量动态变化主要包括碳氮比的变化、有机碳和无机碳的释放等。


究发现,玉米秸秆的碳氮比会随着分解的进行而降低,并且在分解早期下降较快,而在后
期变化较慢。

有机碳主要以二氧化碳的形式释放,而无机碳包括酸性溶解性有机碳和非酸
性溶解性有机碳等形式,它们会在分解过程中逐渐释放。

玉米秸秆的腐解特征及其碳释放量动态变化是一个复杂的过程,受到多种因素的影响。

在实际生产中,应根据具体情况合理利用玉米秸秆,并采取措施促进其有效分解,以减少
碳的排放,并提高土壤肥力。

对于玉米秸秆的腐解特征及其碳释放量动态变化的研究还有待进一步深入,特别是对
于不同处理方式的秸秆分解特征的研究,可以为秸秆的利用提供科学依据,促进农业的可
持续发展。

玉米秸秆降解真菌的筛选鉴定

玉米秸秆降解真菌的筛选鉴定

玉米秸秆降解真菌的筛选鉴定作者:张艳萍赵瑛张运晖来源:《甘肃农业科技》2022年第05期摘要:為筛选适宜的玉米秸秆纤维素降解菌株作为玉米秸秆腐熟菌剂菌株资源储备,通过采用腐殖玉米秸秆土壤微生物培养筛选、刚果红水解圈测试及酶活测定等多种方法的应用,筛选得到2株具有纤维降解能力的真菌1#菌株和2#菌株。

经形态学和分子生物学鉴定,初步确定1#菌株为长枝木霉,2#菌株为聚多曲霉。

真菌1#菌株和2#菌株在刚果红培养基上均呈现比生长圈大2倍的水解圈。

2个菌株在液体、固体2种酶液发酵情况下均表现内切酶活较强(65.202~217.614 U/mL),均高于外切酶活(55.398~85.322 U/mL)和滤纸酶活(46.074~141.366 U/mL),认为这2个菌株可作为玉米秸秆专用腐熟菌剂研发的储备菌株。

关键词:玉米秸秆;降解;真菌;菌株;纤维素;筛选;鉴定中图分类号:S513;X172 文献标志码:A 文章编号:1001-1463(2022)05-0055-05doi:10.3969/j.issn.1001-1463.2022.05.014Screening and Identification of Fungi for Maize Straw DegradationZHANG Yanping, ZHAO Ying, ZHANG Yunhui(Institute of Biotechnology, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou Gansu 730070, China)Abstract:In order to screen cellulose-degrading strains for maize straw as the reserve of decomposing agents, in this study, a variety of methods such as screening medium with only corn stalk powder,congo red hydrolytic circle test and enzyme activity determination were used toscreen out two strains 1# and 2# with fiber degradation ability. After morphological and molecular identification, strain 1# was Trichodema longibrachiatum and strain 2# was Aspergillus sydowii. Two fungi showed hydrolytic circles twice larger than growth circles on congo red medium. Through liquid and solid fermentation, two fungi showed stronger endonuclease activity(65.202 to 217.614 U/mL) than exonuclease activity(55.398 to 85.322 U/mL) and filter paper activity (46.074~141.366 U/mL), two fungi could be used as reserve strains for developing special decomposing agent of maize straw.Key words:Maize straw; Degrade; Fungus; Strain; Cellulose; Screening; Identification作物的秸秆是一种有利于土壤改良的有机肥源,是直接有效的可再生资源,主要由木质素和纤维素组成,含有非常丰富的有机质、微量元素、氮、磷、钾,可以提供农作物生长所需的多种营养元素,对作物增产起到一定作用[1 - 2 ]。

《2024年玉米秸秆细胞壁纤维素可消化性机制研究》范文

《2024年玉米秸秆细胞壁纤维素可消化性机制研究》范文

《玉米秸秆细胞壁纤维素可消化性机制研究》篇一一、引言玉米秸秆作为农作物的重要残余物,含有丰富的纤维素成分。

随着生物质能源和饲料资源的日益重视,玉米秸秆的利用价值逐渐被发掘。

然而,由于玉米秸秆细胞壁纤维素的复杂结构,其消化性一直是限制其高效利用的关键因素。

因此,研究玉米秸秆细胞壁纤维素的消化性机制,对于提高其利用效率和开发新的应用领域具有重要意义。

二、玉米秸秆细胞壁纤维素的组成与结构玉米秸秆细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质素等组成。

纤维素是细胞壁的主要成分,具有线性的β-D-葡萄糖链结构;半纤维素则是由多种单糖组成的复杂聚合物;木质素则是一种复杂的酚类聚合物,与纤维素、半纤维素交织在一起,形成复杂的网络结构。

这种复杂的组成和结构使得玉米秸秆的消化性受到限制。

三、玉米秸秆细胞壁纤维素的消化性机制1. 物理消化机制:物理消化主要指动物通过咀嚼和消化道蠕动等机械作用对食物进行破碎和混合。

玉米秸秆的物理消化主要依赖于动物的口腔和消化道内的物理破碎作用,使细胞壁破裂,释放出纤维素等营养成分。

2. 酶解消化机制:酶解消化是植物细胞壁的主要消化方式。

通过纤维素酶、半纤维素酶等的作用,将植物细胞壁的复杂结构分解为可溶性糖类等营养物。

其中,纤维素酶的作用最为关键,能将纤维素长链切割为可溶性寡糖,提高其消化性。

四、影响玉米秸秆细胞壁纤维素可消化性的因素1. 纤维素的结晶度:纤维素的结晶度越高,其结构越稳定,酶解消化的难度越大。

因此,降低纤维素的结晶度是提高其消化性的关键。

2. 半纤维素和木质素的含量:半纤维素和木质素与纤维素交织在一起,形成复杂的网络结构,增加了玉米秸秆的抗消化性。

适当降低半纤维素和木质素的含量,可以提高玉米秸秆的消化性。

3. 动物消化道的微生物群落:动物消化道的微生物对植物细胞壁的分解具有重要作用。

微生物的种类、数量和活性对玉米秸秆的消化性具有重要影响。

通过调节动物消化道微生物群落的结构和功能,可以提高玉米秸秆的消化性。

毕业论文(农学)__不同类型玉米种子形态结构和活力特性的研究

毕业论文(农学)__不同类型玉米种子形态结构和活力特性的研究
fresh weight to the vigor index was higher under the artificiat accelerated aging test
than that of under the standard germination test.
As the 1 00·kernel weight,the proportion of every part to the whole kernel WaS different among different types of maize seeds,SO the TTC activities of different
the embryo and that of the embryo to the endosperm were the main factors.The
cortex thickness and its proportion to the whole kernel had a negative relation tO the
was higher than the conventional types.Under the artificial accelerated aging test, the vigor of conventional types of maize seeds Was higher than that of the special types.Among the eight different types of maize seeds,seed vigor of half-dent type, dent type.flint type and high oil type WaS higher,and that of waxy type,pop type,

玉米秸秆苞叶与茎皮中磨木木质素与木素-碳水化合物复合体

玉米秸秆苞叶与茎皮中磨木木质素与木素-碳水化合物复合体

玉米秸秆苞叶与茎皮中磨木木质素和木素-碳水化合物复合体的傅里叶红外光谱分析李猛,张亚茹,高梦亚,李术娜,王树香,李明,李红亚*(河北农业大学生命科学学院河北保定071000)摘要:通过傅立叶红外光谱(FT-IR)对玉米秸秆苞叶和茎皮中的磨木木质素(MWL)和木素-碳水化合物复合体(LCC)的结构进行表征,旨在明确玉米秸秆不同部位木质纤维素的结构。

采用改良的Björkman方法,分别从玉米秸秆苞叶与茎皮部位提取分离到MWL和LCC,并通过FT-IR对其结构进行了表征和分析。

结果表明:两个部位中的MWL组成明显不同。

其中茎皮木质素中的苯丙烷侧链上的支链结构以及苯环结构比重均高于苞叶木质素,而羟基、甲基和共轭羰基结构则低于苞叶木质素。

并且茎皮木质素结构中以紫丁香基结构单元为主,而苞叶木质素中则主要以愈创木基结构单元为主。

两个部位的LCC结构也存在差异:苞叶LCC中的羟基含量高于茎皮LCC,而甲基、亚甲基含量较茎皮LCC低;而茎皮LCC中木质素与半纤维素连接强度明显高于苞叶LCC,因此可推断茎皮中木质素与纤维素的分离难度大于苞叶。

研究结果为开发高效木质纤维素降解技术,提高玉米秸秆利用率奠定了基础。

关键词:玉米秸秆;磨木木质素;木素-碳水化合物复合体;傅立叶红外光谱FT-IR Analysis of MWL and LCC in Different Parts of Corn StalkLI Meng,ZHANG Ya-ru,GAO Meng-ya,LI Shu-na,WANG Shu-xiang,LI Ming,LI Hong-ya*(College of Life Science,Hebei Agriculture University,Baoding 071000, China)Abstract:The structures of milled wood lignin (MWL) and lignin carbohydrate complex (LCC) in corn stalk ear husk and stem bark were characterized by FT-IR spectroscopy in order to clarify the difference of lignocellulosic structure in different sections of corn stalks. MWL and LCC were first extracted and separated from the corn stalk ear husk and stem bark by the improved method of Björkman, and then were identified and analyzed by FT-IR.The results showed that the structure of MWL in the two sections was distinctly different. The concentration of branched chain structure and benzene ring structure of phenylpropane side chains in stem bark lignin were higher than those in ear husk, while the concentration of hydroxyl, methyl and conjugated carbonyl groups were lower than those of stem bark. The lignin in the stem bark was mainly composed by the syringyl structure units and the lignin in the ear husk was mainly composed by guaiacyl structure units. There are also differences between the LCC structure of two sections: the hydroxyl content of LCC in ear husk was higher and the methyl and methylene content was lower than those of LCC in the stem bark. In addition, the strength of the bond connecting the lignin and hemicellulose in stem bark LCC was significantly higher than that of ear husk LCC, which indicates that it is more difficult to separate lignin from the lignocellulose in stem bark than in the ear husk. The results have laid a foundation for the efficient degradation and effective utilization of corn stalk lignocellulose. The results laid the basis for the development of efficient lignocellulose degradation technology and the improvement of utilization rate of corn stalk.Key words: Corn stalk; MWL; LCC; FT-IR玉米是中国北方极其重要的粮食作物,种植广泛,其秸秆产量也十分巨大。

玉米秸秆基多孔生物质碳的制备、表征及电化学性能

玉米秸秆基多孔生物质碳的制备、表征及电化学性能

玉米秸秆基多孔生物质碳的制备、表征及电化学性能李义;李纯;于开锋【摘要】Corn stalk was used as raw material to prepare mesoporous biomass carbon using CaCl2as activator. The mesoporous biomass carbon was characterized by means of X-ray diffraction(XRD),Raman spectroscopy, scanning electron microscopy(SEM), transmission electronmicroscopy(TEM)and N2adsorption-desorption analysis. The electrochemical properties of the mesoporous biomass carbon were analyzed and the formation mechanism of the mesoporous structure was explored. For the sample that calcined at 600 ℃, the specific surface area was 370.6 m2/g,the average pore size was 9.65 nm.When it was applied as the anode material of lithium ion battery,the discharge capacity of the sample was 783 mA·h/g at 0.2C rate after 100 cycles.Ev en at 10C rate,the electrode demonstrated an excellent high rate capability of 347 mA·h/g after 1000 cycles. The sample showed good rate performance and excellent cycle stability due to the large specific surface area, which can improve the permeability of electrolyte and increase the reactive sites. Moreover, the porous struc-ture increased the free movement space for lithium ions and charges,which was conducive to the improvement of electrochemical performance.%以玉米秸秆为原料,CaCl2为活化剂,制备了多孔生物质碳.通过X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和N2吸附-脱附分析表征了其微观形貌和结构.结合微观形貌和结构分析了其电化学性能,并探究了多孔结构的形成机理.在600 ℃下所得样品的比表面积为370.6 m2/g,平均孔径为9.65 nm.将该样品用作锂离子电池负极材料,在0.2C 倍率下循环100次后其放电比容量为783 mA·h/g,在10C倍率下循环1000次后比容量为347 mA·h/g,表明样品具有良好的倍率性能和循环稳定性.该方法制备的样品具有较大的比表面积,能够提高电解液的渗透率和增加反应活性位点,而且丰富的孔结构增大了锂离子和电荷的自由运动空间,有利于电化学性能的提高.【期刊名称】《高等学校化学学报》【年(卷),期】2018(000)004【总页数】7页(P607-613)【关键词】玉米秸秆;介孔结构;生物质碳;锂离子电池【作者】李义;李纯;于开锋【作者单位】吉林大学材料科学与工程学院,汽车材料教育部重点实验室,长春130025;吉林大学材料科学与工程学院,汽车材料教育部重点实验室,长春130025;吉林大学材料科学与工程学院,汽车材料教育部重点实验室,长春130025【正文语种】中文【中图分类】O613.71锂离子电池具有比容量高、重量轻、循环寿命长及自放电小等优点, 已被广泛应用于移动通信设备、笔记本电脑、摄像机、数码相机等便携式电子产品中[1~4]. 作为主要的负极材料, 碳材料对锂离子电池的性能有重要的影响. 碳材料主要包括石墨、软碳和硬碳. 其中, 石墨是最常见的负极材料, 具有能量密度高、导电性能和循环性能好及成本较低等优点[5,6]. 然而, 石墨的层间距离(0.335 nm)较小且锂离子在石墨晶体中的扩散距离较长, 这增加了锂离子的扩散阻力[7]; 并且在大电流充放电时可能导致锂枝晶在石墨表面生长, 造成锂离子电池内部短路[8]. 因此, 需要寻求一种新的既能避免产生锂枝晶现象, 同时又兼具石墨优点的结构材料.生物质碳作为一种锂离子电池负极材料, 具有能量密度更大、稳定性更好、安全性更高等特点. 这种废料再利用的方式不仅可以减小环境污染, 还可以实现能源绿色化, 在锂离子电池、燃料电池和超级电容器等领域具有广阔的应用前景[9]. 利用玉米秸秆制备的多孔生物质碳具有孔径分布可调控、比表面积高、孔体积大、导电性和导热性良好等特点, 不仅可以有效抑制锂枝晶生长, 还可以提供更多的锂离子传递通道[10~12]. Wang等[13]以稻壳为原料合成了一种多孔碳材料, 其在被用作锂离子电池负极材料时, 在10C的电流密度下放电容量为137 mA·h/g. Li等[14]从稻壳中制备出无定形碳, 其在0.2C的电流密度下循环100次后可逆容量为502 mA·h/g. 但是, 它们的可逆容量还不高且循环性能不稳定.本文在传统的制备方法基础上进行了改进, 以玉米秸秆为原料, CaCl2为活化剂, 制备了多孔碳材料. 该方法有以下优点: (1) 以玉米秸秆为碳源, 可以减少环境污染, 实现资源的再利用; (2) CaCl2具有很好的阻燃效果, 在玉米秸秆的碳化和活化过程中, 特别是在出料时, 能有效地防止炽热炭的氧化, 可有效提高活性炭的产率; (3) CaCl2作为活化剂价格便宜, 且可回收循环使用, 降低了生产成本. 另外, 所制备的生物质碳作为锂离子电池的负极材料, 放电比容量大, 循环性能稳定. 在10C的大电流密度下, 其放电比容量仍然较高.1 实验部分1.1 试剂与仪器玉米秸秆从长春市南关区耕地上收集; CaCl2、盐酸和无水乙醇(CH3CH2OH)(分析纯, 北京化工厂); 乙炔黑导电剂(电池级, 瑞士TIMCAL公司); 聚偏氟乙烯[PVDF, 阿法埃莎(天津)化学有限公司]; N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP, 化学纯, 西陇化工股份有限公司); LiPF6(纯度99.9%, 金锦乐化学有限公司); 实验用水均为去离子水.D/MAX-3 B型X射线粉末衍射仪(XRD, 日本Rigaku公司, Cu Kα射线,λ=0.15406 nm); Renishaw inVia型显微拉曼光谱仪(Raman, 英国Renishaw公司); JSM-6700 F型扫描电子显微镜(SEM, 日本JEOL公司); JEM-2100 F型透射电子显微镜(TEM, 日本JEOL公司); ASAP 2420型比表面积测试仪(美国麦克仪器公司); CT2001 A Land型电池测试仪(武汉金诺电子有限公司); CHI 660型电化学工作站(上海辰华仪器公司); GL-200 S型手套箱(米开罗那(中国)有限公司).1.2 玉米秸秆基多孔生物质碳的制备将玉米秸秆用去离子水清洗后在干燥箱中于60 ℃下恒温干燥后粉碎成粉末. 将一定量的秸秆粉末与氯化钙以1∶2.5的质量比进行混合, 充分浸渍后将中间产物在干燥箱中于60 ℃下烘干, 平均分成3份. 将烘干后的样品放入带盖的坩埚后置于马弗炉中, 以10 ℃/min的速率从室温升温至300 ℃, 预碳化3 h, 然后自然冷却至室温. 将预碳化产物放入马弗炉中, 以10 ℃/min的速率分别升温至500, 600和700 ℃, 活化1 h后自然冷却至室温. 将活化后的产物研磨成粉末后, 先加入200 mL去离子水溶解出氯化钙, 再置于2 mol/L的稀盐酸中浸泡24 h. 用真空抽滤机对盐酸浸泡的混合液进行抽滤, 反复用70~80 ℃的去离子水洗涤直至滤液呈中性后在恒温干燥箱中于60 ℃下烘干. 将烘干的产物研磨后得到黑色粉末, 即玉米秸秆基多孔生物质碳, 分别标记为CSC-500, CSC-600, CSC-700.1.3 电化学性能测试Fig.1 XRD patterns(A) and Raman spectra(B) of the CSC-500(a), CSC-600(b),and CSC-700(c) samples将样品、乙炔黑和聚偏氟乙烯按照8∶1∶1的质量比混合后充分研磨. 在磁力搅拌下, 加入N-甲基-2-吡咯烷酮, 使混合物形成均一的浆料. 然后将该浆料均匀涂覆在铜箔上, 在真空干燥箱中于120 ℃下恒温干燥12 h, 即制得电极片. 在压片机中将电极片压成直径为12 mm的圆片作为工作电极, 活性物质的载量约为0.70mg/cm2. 纽扣型(CR 2025)电池在充满氩气的手套箱中装配, 湿度和氧气浓度低于1 mg/L. 以锂片作为对电极和参比电极. 使用1 mol/L的LiPF6溶液(碳酸亚乙酯和碳酸二乙酯的质量比为1∶1)作为电解液. 在LAND(CT2001 A)电池测试系统上进行倍率循环性能测试, 测试电压范围为0.02~3.0 V. 循环伏安(CV)曲线和阻抗测试在CHI660 C电化学工作站上进行.2 结果与讨论2.1 X射线衍射和拉曼光谱分析图1(A)为样品CSC-500, CSC-600及CSC-700的XRD谱图. 样品在2θ=22°和43°附近的衍射峰分别对应于碳的(002)和(100)晶面, 表明3个样品均为无定形碳结构. 2θ=22°处衍射峰的出现说明碳材料中的部分石墨层片之间存在平行堆叠和相互连接. 2θ=43°处的衍射峰则表明碳材料中的sp2杂化碳原子相互作用形成了六角晶格结构[15~17]. 图1(B)为样品CSC-500, CSC-600及CSC-700的拉曼光谱对比图. 1580 cm-1处的特征峰对应的是碳材料的“G峰”, 归因于碳材料中六角晶格上以sp2杂化形式结合而形成的C—C的振动; 1360 cm-1处的特征峰是碳材料的“D峰”, 是由碳材料中的无序结构和部分缺陷引起的[18,19]. 碳材料的无序化程度通常用ID/IG来表示. 经计算可知, CSC-500, CSC-600以及CSC-700的ID/IG值分别为0.85, 0.98, 0.79. 其中, CSC-600具有最高的ID/IG值, 这说明在600 ℃下活化后得到的碳材料无定形程度较高, 材料中含有的缺陷较多, 有利于提高Li+储存能力, 提高可逆容量[20].2.2 微观形貌表征图2为CSC-500,CSC-600和CSC-700样品的SEM照片. 由图2可见, 所制备的生物质碳材料由很多孔和通道结构组成. 对比3个样品可以看出, CSC-600具有最多的孔道结构, 且带有孔结构的层片结构相互交错形成了较多的狭缝, 这使得样品具有较高的比表面积, 增大了反应物与电解液的接触面积和渗透率, 为锂离子的嵌入和脱出提供了更大的自由运动空间, 有利于提高样品的比容量和循环稳定性. 而CSC-500样品由于活化温度较低, 不能提供足够的热能而孔道较少[17]. CSC-700样品由于过高的活化温度使得一部分孔道结构坍塌, 比表面积较小.Fig.2 SEM images of the CSC-500(A), CSC-600(B) and CSC-700(C) samples图3为样品CSC-500, CSC-600及CSC-700的TEM照片. 3个样品的TEM照片中均有许多浅色的斑点, 有些斑点周围还有颜色较深的封闭环, 这是由于样品内部存在中空结构, 另外一些没有封闭的斑点是开放的孔道结构. 其中CSC-500样品的孔径较小, 且相互连通的比较少, 而CSC-700样品具有较多相互连通的孔结构. CSC-600样品除了具有许多白色的斑点外, 还有许多颜色较深的枝蔓状物交错分布, 这是由多孔的层状结构相互交叉重叠导致的, 表明活化温度不同会影响孔道分布, 这与SEM分析结果一致. 这种多级孔道结构使得样品具有较大的比表面积, 提高了锂离子和电子传输空间, 有利于提高样品的电化学性能.Fig.3 TEM images of the CSC-500(A), CSC-600(B) and CSC-700(C) samples2.3 比表面积和孔径分析图4(A)为CSC-500, CSC-600及CSC-700的N2吸附-脱附等温线. 3个样品的N2吸附-脱附等温线均属于具有H4型滞后环的Ⅳ型等温线, 表明3个样品中均存在大量的介孔, 这一结果与SEM和TEM的分析结果一致[21,22]. 图4(B)示出了CSC-500, CSC-600及CSC-700的孔径分布曲线. 从图中可以看出, 3个样品的孔径分布主要集中在2~20 nm, 这与N2吸附-脱附等温线的结果一致. 根据BET分析可知, CSC-500, CSC-600及CSC-700的比表面积分别为273.9, 370.6和237.2 m2/g. 平均孔径分别为8.48, 9.65和6.93 nm. CSC-600的比表面积较大,孔径分布较均匀, 能够为电极和电解液提供更多的接触位点, 降低电荷扩散的阻力, 提高充放电比容量.Fig.4 Nitrogen adsorption-desorption isotherms(A) and pore size distributions(B) of the CSC-500, CSC-600 and CSC-700 samples2.4 形成机理分析玉米秸秆基多孔生物质碳的形成机理如图5所示. 在浸渍过程中, CaCl2可渗入玉米秸秆内部. 在热解和碳化过程中, CaCl2的脱水作用将使热解反应更容易进行. 在一定温度下, 玉米秸秆中的CaCl2将溶解其中的纤维素、半纤维素和木质素, 并在秸杆内部形成孔道, 这些孔道将成为碳的活化中心. 在碳化过程中, CaCl2留在碳中形成骨架, 形成乱层石墨微晶结构. 当进一步加热活化时, 碳在CaCl2骨架上发生沉积和重排, 从而形成了由石墨晶粒和以CaCl2为骨架的无定形碳组成的多相物质. 当用水洗去CaCl2后, 得到了具有独特的介孔结构的玉米秸秆活性炭材料.Fig.5 Formation mechanism of mesoporous biomass carbon derived from corn stalk2.5 电化学性能分析图6(A)为样品在0.2C倍率下循环100次的充放电曲线. CSC-500, CSC-600及CSC-700首次放电比容量分别为1114.6, 1173.9和569.6 mA·h/g, 对应的首次库仑效率分别为50.7%, 47.4%和48.1%. 首次库仑效率较低是由于电解液与多孔生物质碳材料反应生成了固体电解质膜(SEI), 消耗了部分锂离子, 从而降低了库仑效率[23]. CSC-500, CSC-600及CSC-700在循环100次后的放电比容量分别为783.8, 578.1和453.9 mA·h/g, 库仑效率几乎稳定在97%, 表明样品具有较高的比容量和循环稳定性. 图6(B)为样品的倍率性能曲线. 从图中可以看出, 随着电流密度的增加, 各样品的比容量均逐渐降低, 但当电流密度重新变回0.2C时, 电池的可逆容量可恢复, 说明样品具有非常好的倍率性能. 其中CSC-600在各个倍率下均表现出高于其它2种材料的比容量. 为进一步测试样品在大电流充放电下的性能, 将样品在10C的电流密度下进行1000次充放电循环测试, 结果如图6(C)所示. 从图中可以看出, 在循环1000个周期后, CSC-500, CSC-600及CSC-700的放电容量分别为125, 347和102 mA·h/g. 其中CSC-600在大电流快速充放电的条件下仍达到了较高的放电比容量, 并表现出良好的稳定性. 但在充放电过程中, CSC-600的比容量出现随循环次数增加而增大的现象. 造成这种现象的原因有以下2个方面: (1) 在循环过程中, 材料内部的通道或层间隙被激活, 丰富的孔结构促进了锂离子的快速扩散[24]; (2) 随着循环次数的增加, 电解液渗透到活性物质内部, 活性物质内部的官能团增加了锂离子的嵌入位点, 导致比容量增加[25,26]. 总体来看, CSC-600在0.2C恒倍率、变倍率以及10C倍率下的性能均优于CSC-500和CSC-700, 这是因为较大的比表面积和更丰富的孔道结构有利于增大与电解液的接触面积, 提高了电解液的渗透率, 增加了反应活性位点[27]; 同时也会形成更加稳定的SEI膜, 避免了对电极材料的破坏, 从而使电极的循环寿命更长[28].Fig.6 Cycling performance profiles at 0.2C(A), rate performance(B), cycling performance profiles at 10C(C) of the CSC-500, CSC-600 and CSC-700 samples图7(A)为CSC-600的循环伏安曲线. 扫描电压范围为0~3.0 V, 扫描速度为0.1 mV/s. 从图中可以看出, 第一圈曲线在0.50~0.85 V和1.00~1.50 V之间有2个明显的还原峰. 其中, 1.00~1.50 V之间的还原峰较弱, 它代表着电极表面上的固体电解质界面膜的形成和电解质溶液的不可逆分解; 而0.50~0.85 V之间的还原峰较强, 这可能是由于锂离子在碳材料表面发生了复杂的不可逆反应[29]. 然而, 曲线的氧化阶段没有出现与之对应的氧化峰, 且这2个还原峰也没有在随后的循环中出现. 因此可以将玉米秸秆碳材料在第一圈中的不可逆容量归因于该过程中发生的2个不可逆反应[30]. 观察曲线可以发现, 曲线在0 V附近都有1个尖锐的还原峰, 对应于锂离子嵌入电极的过程; 在0.15~0.50 V之间都有1个平缓的氧化峰, 对应于锂离子从电极中脱嵌的过程[29]. 在热解碳化的过程中, 碳材料的内部会形成大量的孔道结构, 锂离子在孔隙中的嵌入和脱出导致了“驼峰”的出现[31], 因此在1.0~1.3 V范围内存在1个明显的“驼峰”. 同时, 第2, 3圈的曲线趋于重合, 这说明在循环过程中电极表面形成了稳定的SEI膜, 电极材料结构较稳定.Fig.7 Cyclic voltammogram profile(A) and impedances(B) of CSC-600图7(B)为开路电势下测试的CSC-600样品循环前和循环100次后的阻抗谱图. 测量频率范围为0.01~105 Hz, 振幅为5 mV. 从图中可以看出, 循环后的高频区半圆明显减小, 说明电荷转移阻抗较小, 电荷传递更容易[32]. 这是因为多次循环后, 碳材料内部薄壁被破坏, 一些孔道和间隙被打通, 使得电荷的自由活动空间增大. 由于锂离子嵌入/脱嵌的频率增加导致电极材料的粗糙度增大, 反应物从电解液扩散到电极反应界面的阻抗增大, 即Warburg阻抗增大, 因此阻抗谱中直线部分斜率增大[33].3 结论以玉米秸秆为原料, 经碳化处理和CaCl2活化后制备了多孔生物碳. 对其微观结构进行了表征并探究了其形成机理. 该方法中CaCl2是决定多孔结构形成的关键, 活化温度对样品电化学性能有重要影响. 将所制备的多孔碳用作锂离子电池负极材料, 在600 ℃制得的样品在0.2C倍率下循环100次后放电比容量可达783 mA·h/g, 在10C倍率下循环1000次后比容量为347 mA·h/g. 样品具有良好的循环稳定性和倍率性能, 这是由于带有孔结构的层片结构相互交错形成了较多的狭缝, 使得样品具有高的比表面积, 增大了反应物与电解液的接触面积和渗透率, 为锂离子的嵌入和脱出提供了更大的自由运动空间.参考文献【相关文献】[1] Tang Y., Zhang Y., Li W., Ma B., Chen X., Chem. Soc. Rev., 2015, 44(17), 5926—5940[2] Wang J., Nie P., Ding B., Dong S., Hao X., Dou H., Zhang X., J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 2411—2428[3] Li H., Wang Z., Chen L., Huang X., Cheminform., 2010, 41(7), 4593—4607[4] Chen M., Yu C., Liu S., Fan X., Zhao C., Zhang X., Nanoscale, 2015, 7(5), 1791—1795[5] Marom R., Amalraj S. F., Leifer N., Jacob D., Aurbach D., J. Mater. Chem., 2011, 21(27), 9938—9954[6] Arico A. S., Bruce P., Scrosati B., Tarascon J., Schalkwijk W. V., Nature Mater., 2005, 4(5), 366—377[7] Deng T., Zhou X., Mater. Lett., 2016, 176, 151—155[8] Striebel K. A., Shim J., Cairns E. J., Kostecki R., Lee Y. J., J. Electro. Soc., 2004, 151, 857—866[9] Hu B., Yu S. H., Wang K., Liu L., Xu X. W., Dalton Trans., 2008, 40(40), 5414—5423[10] Huang Q., Wang S., Zhang Y., Yu B., Hou L., Su G., J. Phys. Chem., 2016, 120(6), 3139—3144[11] Wickramaratne N. P., Xu J., Wang M., Zhu L., Dai L., Chem. Mater., 2014, 26(9), 2820—2828[12] Wen B., Wei S., Shi Z., Lin H. B., Lu H. Y., Chem. J. Chinese Universities., 2013, 34(3), 674—678(闻斌, 魏双, 施展, 林海波, 陆海彦. 高等学校化学学报, 2013, 34(3), 674—678)[13] Wang L., Schnepp Z., Titirici M., J. Mater. Chem., 2013, 1(17), 5269—5273[14] Li Y., Wang F., Lian J., Hu X., Yu K., New J. Chem., 2016, 40(1), 325—329[15] Pan D., Wang S., Zhao B., Wu M., Zhang H., Chem. Mater., 2009, 21(14), 3136—3142[16] Etacheri V., Wang C., O’Connell M. J., Chan C. K., Pol V. G., J. Mater. Chem., 2015,3(18), 9861—9868[17] Fey T. K., Lee D. C., Lin Y. Y., Kumar T. P., Synthetic Met., 2003, 139(1), 71—80[18] Beyaz K. S., Darkrim L. F., Levesque D., J. Phys. Chem., 2013, 108(39), 15211—15215[19] Ferrari A., Robertson J., Phys. Rev. B, 2000, 61(20), 14095—14107[20] Ji L., Lin Z., Alcoutlabi M., Zhang X. W., Energy Environ. Sci., 2011, 4(8), 2682—2699[21] Cao Y., Wang K., Wang X., Gu Z., Fan Q., Gibbons W., Electro. Acta, 2016, 212, 839—847[22] Liu J., Wen Y., Wang Y., van Aken P. A., Maier J., Yu Y., Adv. Mater., 2014, 26(34) 6025—6030[23] Yang J. J., Choi J. H., Kim H. J., Morita M., Park S. G., J. Ind. Eng. Chem., 2013, 19(5), 1648—1652[24] Wang L., Xue J., Gao B., Gao P., Mou C., Li J., RSC Adv., 2014, 4(110), 64744—64746[25] Kaskhedikar N. A., Maier J., Adv. Mater., 2009, 21, 2664—2680[26] Yun J. H., Jeong S. K., Nahm K. S., Shin J. S., Stephan A. M., J. Phys. Chem. Solids, 2007, 68(2), 182—188[27] Chen L., Zhang Y., Lin C., Yang W., Meng Y., Guo Y., J. Mater. Chem., 2014, 2(25), 9684—9690[28] Hu Y. S., Adelhelm P., Smarsly B. M., Hore S., Antonietti M., Maier J., Adv. Funct. Mater., 2010, 17(12), 1873—1878[29] Song W. L., Fan L. Z., Cao M. S., J. Mater. Chem., 2014, 2(25), 5057—5064[30] Han F. D., Bai Y. J., Liu R., Yao B., Qi Y. X., Lun N., Adv. Energy Mater., 2011, 1(5), 798—801[31] Han S. W., Jung D. W., Jeong J. H., Oh E. S., Chem. Eng. J., 2014, 254(7), 597—604[32] Lv H., Song Q., Lu G., Fu Y., Li X., Hu C., Electrochim. Acta, 2015, 151, 214—221[33] Ratnakuma B. V., Smart M. C., Surampudia S., Battery Conf. Appl. Adv., 2010, 33(47), 273—277。

玉米秸秆水热炭化产物特性演变分析_郭淑青

玉米秸秆水热炭化产物特性演变分析_郭淑青
[8 ]
显著改变降解路径; 并比较了生物质从多糖到单糖、 [11 ] 戊糖和己糖水热炭化后理化结构的变化; LU 等 研究了纤维素水热炭化产物的形成和理化特性 , 发 现纤维素溶解反应优于转化而先行发生 。 FALCO 等 研究了葡萄糖、 纤维素和木质纤维类生物质的 , 水热炭化过程 揭示了富氧官能团聚呋喃类化合物 转化为芳香聚合物碳网络的反应路径。 KNEZEVIC [13 - 14 ] 等 也比较研究了葡萄糖、 油和林业废物的水热 转化, 发现在反应开始阶段, 固、 液和气产物形成较 快, 而后逐渐减慢, 葡萄糖水热会形成酮类不溶性水 热焦, 而木屑水热焦由未降解组分和聚合产物共同 [15 ] 组成。BARBIER 等 探索了木质素化合物的水热 解释了木质素复杂的断裂及缩聚反应竞 反应路径, 1, 3, 6, 16]发现反应参数 ( 反应温 争机制。文献[ 度、 停留时间和液固比等 ) 直接关联着水热炭化产 物的特性与分布, 其中, 以反应温度的影响尤为明 显。 我国是农业大国, 年产玉米秸秆约 2 亿 t
1026 修回日期: 20151110 收稿日期: 2015115 ) 和郑州市科技攻关计划项目 基金项目: 国家自然科学基金项目( 51206194 ) 、 河南省高等学校青年骨干教师项目( 2013GGJS( 153PKJGG130 ) 作者简介: 郭淑青( 1975 —) 通信作者: 董向元( 1974 —) , Email: shuqing. guo@ 163. com 女, 副教授, 博士, 主要从事生物质水热资源化利用研究, , Email : dongxiangyuan@ 163. com 男, 副教授, 博士, 主要从事能源有效利用研究,
-1 500 cm - 1 , 分辨率为 0. 4 cm , 用纯 KBr 粉末研磨压

《2024年玉米秸秆细胞壁纤维素可消化性机制研究》范文

《2024年玉米秸秆细胞壁纤维素可消化性机制研究》范文

《玉米秸秆细胞壁纤维素可消化性机制研究》篇一一、引言随着全球对可再生能源和生物质资源的关注度不断提高,农业废弃物如玉米秸秆的利用问题也日益受到重视。

玉米秸秆作为一种丰富的农业残留物,其细胞壁中的纤维素成分具有潜在的利用价值。

然而,由于其复杂的结构和不易消化的特性,其利用率受到限制。

因此,研究玉米秸秆细胞壁纤维素的消化性机制,对于提高其利用效率和推动农业可持续发展具有重要意义。

本文旨在探讨玉米秸秆细胞壁纤维素的消化性机制,为进一步开发利用玉米秸秆资源提供理论依据。

二、玉米秸秆细胞壁纤维素的结构特点玉米秸秆细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质素等组成。

其中,纤维素是细胞壁的主要成分,具有线性结构,由葡萄糖分子通过β-1,4-糖苷键连接而成。

这种复杂的结构使得纤维素具有较高的结晶度和稳定性,同时也增加了其消化难度。

半纤维素和木质素则与纤维素交织在一起,形成了一个复杂的三维网络结构,进一步增加了玉米秸秆的消化难度。

三、玉米秸秆细胞壁纤维素的消化性机制1. 酶解作用:通过添加纤维素酶、半纤维素酶等生物酶,将玉米秸秆细胞壁中的纤维素、半纤维素等组分进行酶解,使其分解为较小的分子,从而提高其消化性。

酶解过程中,酶与底物的结合、酶解产物的释放等过程均对消化性产生影响。

2. 物理处理:通过物理方法如磨碎、挤压等对玉米秸秆进行处理,破坏其细胞壁结构,使其内部的纤维素等组分暴露出来,从而提高其消化性。

3. 化学处理:利用酸、碱等化学物质对玉米秸秆进行预处理,破坏其细胞壁结构,使其更易于被生物酶解或物理处理。

然而,化学处理可能会对环境造成一定的影响,因此需谨慎使用。

4. 微生物发酵:利用微生物对玉米秸秆进行发酵,通过微生物的作用将纤维素等组分转化为微生物菌体或微生物代谢产物,从而提高其消化性和利用率。

四、研究方法与实验结果本研究采用酶解、物理处理和化学处理等方法对玉米秸秆进行处理,并通过扫描电镜、红外光谱等手段对其结构变化进行观察和分析。

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Industrial Crops and Products 37 (2012) 130–136Contents lists available at SciVerse ScienceDirectIndustrial Crops andProductsj o u r n a l h o m e p a g e :w w w.e l s e v i e r.c o m /l o c a t e /i n d c r opCell morphology and chemical characteristics of corn stover fractionsZhiyong Li a ,b ,Huamin Zhai a ,∗,Yan Zhang b ,Li Yu ba Jiangsu Provincial Key Lab of Pulp and Paper Science and Technology,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China bUPM Asia Research &Development Center,Changshu 215536,Chinaa r t i c l ei n f oArticle history:Received 16October 2011Received in revised form 17November 2011Accepted 22November 2011Available online 11 January 2012Keywords:Corn stover fractions Cell morphologyChemical components Inorganic elements Lignin distributiona b s t r a c tThis paper investigated cell morphology,chemical components,lignin distribution and inorganic ele-ments distribution of corn stover fractions.Corn stover fractions,classified as stalk rind,stalk pith and leaf,had different tissues,cell morphology and chemical compositions.Corn stalk rind had good fiber morphological characteristics for papermaking,while stalk pith,having short fibers and high contents of parenchyma and vessel,was not suitable for papermaking.Stalk rind had the highest lignin and cellulose content but the lowest hemicellulose content among all the fractions.The major ash-forming elements in corn stover fractions were potassium,chlorine,silica,calcium,magnesium and sulfur.Potassium and chlorine took more than 86%of total inorganic elements in stalk rind while silica content was much higher in leaf and stalk pith than that in stalk rind.Perivascular sclerenchyma and subepidermal sclerenchyma of stalk rind were more lignified than the other tissues.The highest lignin concentration existed in cell middle lamella and corner.All corn stover fractions could be good biorefinery feedstock based on their main chemical compositions,though they are obviously heterogeneous in aspects of cell morphology and chemical characteristics.© 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.1.IntroductionCurrent environmental and social pressures are limiting wood harvest volumes worldwide.Therefore wood supply is getting less and less for pulp and paper industry.Non-woody lignocellulosic biomass,such as wheat straw,rice straw and reed,has been an important fiber resource for decades in countries with a short-age of woods,like China.Meanwhile,lignocellulosic biomass is also a potential renewable feedstock for biofuels and biorefinery (Ragauskas et al.,2006).As a kind of abundant and renewable agri-cultural residue,corn (Zea mays L.)stover could be a low-cost and sustainable source for energy and chemicals in future.The term corn stover normally refers to combination of corn stalk (stem)and leaf.Annual production of corn stover in China was about 200million tons in 2008,which counted for one third of the total agricultural residues production in the country.In United States,since corn stover is the largest non-food biomass available source,it has been studied for biofuel process development at National Renewable Energy Laboratory (NREL)(Decker et al.,2007).Numerous studies have been undertaken to investigate pre-treatment and bioconver-sion of corn stover to biofuel (Akin et al.,2006;Kim and Lee,2006;van Walsum and Shi,2004;Weiss et al.,2010;Zhu et al.,2009).∗Corresponding author.Tel.:+862585428697;fax:+862585428697.E-mail address:hzhai@ (H.Zhai).Biomass is a complex heterogeneous mixture of organic com-ponents and,to a less extent,inorganic matter,containing various solid and fluid intimately associated phases or minerals with dif-ferent origins (Vassilev and Vassileva,2009).Corn stover always consists of stalks,leaves,husks and ears;and stalks are composed of stalk rind and pith.All these fractions have different tissue struc-tures,fiber properties,and chemical compositions.Vassilev et al.(2010)indicated that there are two fundamental aspects relating to biomass usage for fuels and biorefinery materials:to extend and improve basic knowledge of the composition and properties and to apply this knowledge for the most advanced and environmentally safe utilization.The chemical composition of lignocellulosic feed-stock is a key factor affecting efficiency of biofuel production during conversion processes (Hamelinck et al.,2005;Hames et al.,2003).Recently,an effective mechanical fractionation of corn stover into stalk rind,stalk pith,and leaves is realized (Sun,2003).The wider utilization of corn stover as a source of fiber,biofuel and biochemi-cals requires a comprehensive understanding of the cells (including fibers)properties,chemical characteristics,lignin distribution and inorganic elements distribution.Corn stover has been investigated as a fiber resource for pulp and papermaking since 1929(Jahan et al.,2004).Corn stalk fibers showed good performance for papermaking (Ahmed and Zhu,2006;Byrd et al.,2006;Cheng et al.,2008;Wiernik et al.,2002).However,corn stover has not yet been successfully commercial-ized for pulp production worldwide.The reason might come from two aspects:firstly,the abundant wood supply was the most0926-6690/$–see front matter © 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.doi:10.1016/j.indcrop.2011.11.025Z.Li et al./Industrial Crops and Products37 (2012) 130–136131convenient way for pulping industry in20th century;secondly and maybe more importantly,the heterogeneity of corn stover fractions and their integrated harvest limit the application.However the sit-uation starts changing significantly because of shortage of wood supply and technology development.Recent technology develop-ment has allowed the fraction separation by either mechanical or chemical methods.Therefore,corn stover is becoming an impor-tant feedstock for integrated biorefinery process to producefibers and other valued biochemicals simultaneously.Althoughfiber properties of corn stover have been studied for decades,no systematic investigation of cell morphology andfiber quality of different corn stover fractions is done so far.In this paper,the cell morphology andfiber quality of corn stalk rind, stalk pith,leaf blade and leaf sheath will be investigated system-atically.Chemical components of corn stover fractions have been investigated in some studies.Ahmed and Zhu(2006)studied the contents of lignin,cellulose and pentosan in corn stalk rind and the sugar components of corn stalk.Hess et al.(2002)examined the chemical variations within the node,internode,and leaf sec-tions of corn stover.Tortosa Masiáet al.(2007)characterized the ash components of corn stover.However,none of the above studies provided detailed and completed information of chemical compo-nents,sugar components and inorganic elements of individual corn stover fractions,which this paper will focus on.Furthermore,lignin distribution and inorganic elements distribution in corn stalk rind will also be investigated in this paper.2.Materials and methods2.1.MaterialsThe corn stover in this study was collected from Henan,China. The air-dried corn stover was manually fractionated into leaves and stalksfirstly.Then the stalks were separated into rind and pith. Leaves included both leaf blades and leaf sheaths.Husks and cobs were not included in the study because they together just take less than1%in weight percentage.The above separated fractions were stored in plastic bags for future use.2.2.Methods2.2.1.Weight percentage of corn stover fractionsAbout5kg of air-dried corn stover was manually separated into stalk rind,stalk pith and leaves.The separated fractions were weighed individually and their dryness contents were determined according to Technical Association of Pulp and Paper Industry (TAPPI)test method T258om-02.Two batches of separation were conducted and the weight percentage of each fraction was calcu-lated on oven-dry basis.2.2.2.Cells morphology and their dimensions analysisFour fractions,stalk rind,stalk pith,leaf blade and leaf sheath, were prepared forfiber morphology and quality analysis.The frac-tions were cut into1mm wide and10mm long strips manually followed by treatment with mixture of acetic acid and30%hydro-gen peroxide(1:1,v/v)at60◦C for72h for cell dissociation.When the color of samples turned to white,the macerated cells werefil-tered and thoroughly washed with distilled water.The cells were stained with Graff C and thefiber morphological features were examined with Olympus BX51research microscopy.Thefibers were disintegrated with Metso handy disintegrator which does not introduce any mechanical damage to samples,and analyzed with Metso Kajaani-FiberLab FS-300fiber quality analyzer.Thefiber length(L),fiber diameter(D),cell wall thickness(W)andfines con-tent were length weighted values.Fines were defined asfinefibers with a length smaller than0.02mm.Three derived values,Runkel ratio,slenderness ratio andflex-ibility coefficient,were used to assess the suitability of plant raw materials for paper production(Saikia et al.,1997).2.2.3.Chemical characterizationFor chemical analysis,the40–60mesh fractions of stalk rind, stalk pith and leaves were prepared in accordance with TAPPI test method T257cm-02.All chemical composition results were calcu-lated based on oven-dried corn stover fractions.The extractives and ash were analyzed according to TAPPI test method T204cm-97and T211om-02respectively.The holocel-lulose was obtained by treating the extractive-free samples with NaClO2and acetic acid to remove lignin,and then the␣-cellulose content was determined by further treating holocellulose with 17.5%NaOH to remove the hemicellulose(Han and Rowell,1996). Klason lignin content was determined according to TAPPI test method T222om-02.Acid-soluble lignin content was determined by a spectrophotometric method based on absorption of ultravio-let radiation(Schoening and Johansson,1965).Acetyl and formyl contents were determined by hydrolysis with NaOH and IC analysis (Anttila et al.,2007).Nitrogen content was determined according to the Kjeldahl method.The crude protein content was calculated from nitrogen content by multiplying a coefficient of6.25.2.2.4.Sugar analysis of hemicellulose and pectinsThe sugar components of hemicellulose and pectins were determined by acid methanolysis and gas chromatography(GC) (Sundberg et al.,1996).About10–20mg of freeze dried sample was weighted in a conical bottle with cap.Acid methanolysis was performed with2ml of2M anhydrous HCl/MeOH at100◦C for 3h.After cooling in room temperature for15min,the sample was neutralized with300␮l of pyridine.Additionally,4ml of sorbitol standard(0.10mg/ml)was added as internal standard.Accurate 1ml of the clear upper phase was transferred to another conical bottle and evaporated to dryness with nitrogen.Derivation was conducted by adding200␮l of pyridine,300␮l of hexamethylsi-lazane(HMDS)and200␮l of trimethylchlorosilane(TMCS).The derived sugars were analyzed by Varian3900GC with FactorFour capillary column VF-1ms.2.2.5.Inorganic components analysisThe silica content was determined according to related TAPPI test method T244cm-99for acid-insoluble ash determination.To determine the contents of sodium,potassium,calcium,magnesium, manganese,iron,copper,phosphorus,sulfur,aluminum and zinc, the40–60mesh fractions were digested in microwave digester by adding7ml of HNO3and1ml of H2O2.The digested samples were then washed into a50-ml volumetricflask and diluted to the mark with18-M ultrapure water.The elements were determined by Thermo Scientific iCAP6000ICP-OES.For chloride content determination,samples were boiled in dis-tilled water for1.5h and thenfiltered.Thefiltrate was analyzed for chloride by ICS-1000with IonPac AS23anion-exchange column.2.2.6.Inorganic elements distribution in stalk rindThe stalk rind was cut into3mm wide and10mm long strips manually.The strips were extracted with benzene–ethanol(2:1, v/v)for24h and then dehydrated with graded ethanol solutions. Then the samples were embedded in epoxy resin and polished with Struers LaboPol-5polisher.The polished samples,coated with car-bon by JEC-560auto carbon coater,were examined with a JEOL 6009analytical scanning electron microscopy(SEM)with energy dispersive X-ray analysis(EDXA).132Z.Li et al./Industrial Crops and Products37 (2012) 130–136Table1Fiber dimensional parameters of corn stover fractions compared with China white poplar and reed.Fraction Stalk rind Stalk pith Leaf blade Leaf sheath China white poplar a Reed(internode)bFiber length,mm 1.11±0.010.38±0.010.86±0.030.81±0.04 1.18 1.22Fiber diameter,␮m19.7±0.118.4±0.519.3±0.418.8±0.421.017.3Cell wall thickness,␮m 5.3±0.1 4.3±0.1 5.3±0.1 5.5±0.1 2.4 4.4Lumen diameter,␮m9.19.88.77.816.28.5Runkel ratio 1.160.88 1.22 1.410.37 1.04Slenderness ratio562145435671Flexibility coefficient465345417749Fines content,% 5.529.518.717.1––Vessels,pcs/1000181299136196––Lumen diameter=fiber diameter−(2×cell wall thickness);Runkel ratio=(2×cell wall thickness)/lumen diameter;slenderness ratio=fiber length/fiber diameter;flexibility coefficient=(fiber lumen diameter/fiber diameter)×100.a Xu et al.(2006).b Ververis et al.(2004).2.2.7.Lignin distribution in stalk rindStalk rind was cut into1mm wide and10mm long strips.The strips were extracted with benzene–ethanol(2:1,v/v)mixture for 24h and then dehydrated with graded ethanol solutions.After embedding with epoxy resin,the transverse section with5-␮m thickness was cut with Leica RM2265microtome.The section sam-ples were stained with1%toluidine blue,and were viewed with Olympus BX51research microscopy.Another section sample was stained with1%KMnO4solution and coated with carbon for SEM-EDXA analysis.3.Results and discussion3.1.Cell morphologyAfter harvest of corn,corn stover mainly consists of stalk and leaves,while ears and husks take only tiny portions.Corn stalk was separated into two distinct fractions:rind and pith,and leaf fraction was divided into leaf blade and leaf sheath.The cell mor-phologies of four fractions are shown in Fig.1.Obvious differences can be observed in the light microscopy pictures where several cell types can be distinguished.Plant parenchyma is unspecialized plant tissue consisting of simple thin-walled cells with interven-ing air spaces.These parenchyma cells often have thin cell walls, which,in small quantities,can aid infiber bonding.However,in larger percentages,thin walled parenchyma cells can plug paper sheet so as to reduce paper machine drainage and increase paper density.Parenchyma cells of stalk rind dispersed throughout the vascular bundles.Generally,four kinds of parenchyma cells could be distinguished in Fig.1:claviform,round,pillow-like and spongy.Claviform parenchyma cells,mainly existing in stalk rind,had relatively higher wall thickness than the other kinds of parenchyma,so they can almost keep their original shapes after defiberation. Parenchyma cells of stalk pith were almost spongy tissues that occupy most of the pith volume.This feature makes pith unsuit-able for papermaking.The leaf blade contained more pillow-like and round parenchyma cells than leaf sheath.Fibers in pith fraction were much shorter and thinner than that in other fractions.The vessel elements are usually short,thin-walled,with pitting and open ends.Vessels of stalk rind,leaf blade, and leaf sheath were much thinner than those of stalk pith.Epi-dermal cells in stalk rind,leaf blade and leaf sheath had serrated borders,and epidermal cells of stalk rind were longer than that of leaf blade and leaf sheath.There was no epidermis in stalk pith.Thefiber dimensional parameters compared to China white poplar and reed are shown in Table1.It is well known thatfiber morphology with long length,high slenderness ratio(>33)and/or low Runkel ratio(<1)is essential for pulping and papermaking(Xu et al.,2006).Corn stalk rind had longfiber length(1.11mm),which Table2Weight percentage of corn stover fractions on dry basis.Stalk rind Stalk pith Leaf Weight percentage,%52.7±1.57.0±0.540.3±1.2 Reference a,%53.915.830.3a Byrd et al.(2006).was similar to China white poplar,whereas cell walls were signif-icantly thicker than those in the white poplar.Slenderness ratio of stalk rindfibers was also similar to China white poplarfibers but lower than reedfibers.Runkel ratio andflexibility of stalk rindfibers were worse than China white popularfibers but sim-ilar to reedfibers.In principle,poor Runkel ratio means that stalk rindfibers are difficult to be collapsed in papermaking,and low flexibility could have some negative effect on tensile and bursting strengths as well as on folding endurance(Ogbonnaya et al.,1997). However,the reality of reedfibers have shown proved good prop-erties for papermaking(Shatalov and Pereira,2006).Therefore we could expect that stalk rindfibers have similar good performance for papermaking.Pithfibers were short(0.38mm)with poor slenderness ratio, which in return might reduce tearing resistance dramatically.This is partly because short and thickfibers do not produce good surface contact andfiber-to-fiber bonding(Ogbonnaya et al.,1997).High vessel andfines contents in pith were expected to lead to poor drainage and dense paper.Therefore there might be runnability issues especially for high speed paper.Similar performance could be expected due to similarfiber dimension andfine content in the leaf blade and leaf sheath to pithfiber.3.2.Chemical characteristicsThe corn stover was separated into stalk rind,stalk pith and leaf. The percentage of each fraction was determined based on the total dry weight of the sample.As shown in Table2,stalk rind took about half of the whole stover,which is similar to reference.However, pith and leaf content differed a lot.Leaf content variation may come from the harvest process.Mechanical harvest,especially baling,can lead to more leaf loss than manual harvest.The storage method can also influence the weight loss of corn stover fractions,since volatile substances will disappear in outdoor circumstance.The different fractions of corn stover have different cell mor-phologies and play different functions;hence their chemical composition should vary very much.Table3shows the chemical composition of corn stover fractions.The category of extractives in biomass includes all plant materials that are extracellular or not part of the three-dimensional cell wall structure(Hames, 2009).Total water-soluble and/or benzene–ethanol soluble mate-rials are typically quantified gravimetrically and identified only asZ.Li et al./Industrial Crops and Products37 (2012) 130–136133Table3Chemical composition of corn stover fractions.Stalk rind Stalk pith LeafBenzene–ethanol extractives,% 2.5±0.1 6.6±0.2 4.5±0.2 Hot water extractives,%17.8±0.223.1±0.322.7±0.1 Total lignin,%20.1±0.417.0±0.217.4±0.3 Klason lignin,%18.1±0.314.4±0.114.9±0.2 Acid-soluble lignin,% 2.0±0.1 2.6±0.1 2.5±0.1␣-Cellulose,%39.4±0.131.6±0.131.3±0.3 Acetyl content,%7.7±0.19.1±0.5 4.3±0.3 Formyl content,ppm348±3665±33548±33 Nitrogen as N,%0.95±0.02 1.04±0.02 1.21±0.03 Crude protein,% 5.9±0.1 6.5±0.17.6±0.2 Ash,525◦C,%9.9±0.110.0±0.111.3±0.1 Hemicellulose and pectins a,%25.2±0.727.3±0.621.2±0.5a Hemicellulose and pectins content was the sum of sugar components listed in Table4.extractives(Thanmmasouk et al.,1997).Stalk pith had the highest benzene–ethanol extractives content,while stalk rind had the low-est one.Stalk pith and leaf had similar hot water extractives content which was higher than stalk rind.Monomeric sugars(primarily glu-cose and fructose)were found to be the predominant water-soluble components of corn stover,accounting for30–46%of the dry weight of extractives.Other water-soluble extractives may include various alditols,aliphatic acids,inorganic ions,oligomeric sugars and a dis-tribution of oligomers derived from phenolic glycosides(Chen et al., 2007).The highest lignin content existed in stalk rind,while pith and leaf had about3–4%lower lignin content.High lignin content can help corn plant to resist mechanical as well as fungal injury.How-ever,high lignin content is not desired for pulping,because lignin must be removed during chemical pulping.The␣-cellulose,which is a unique molecule differing only in degree of polymerization and crystallinity,content can be regarded Table4Sugar components of hemicellulose and pectins.Stalk rind Stalk pith LeafArabinose,% 1.4±0.1 2.7±0.1 2.9±0.2 Rhamnose,%0.04±0.010.15±0.010.13±0.01 Xylose,%14.6±0.215.9±0.212.4±0.1 Mannose,%0.19±0.010.31±0.010.33±0.01 Glucose,% 1.43±0.07 2.65±0.07 1.99±0.05 Galactose,%0.27±0.010.53±0.010.73±0.02 Glucuronic acid,%0.96±0.03 1.08±0.020.71±0.02 Galacturonic acid,% 6.3±0.3 3.9±0.2 2.0±0.1 Total,%25.2±0.727.3±0.621.2±0.5as an indication of pulping yield.Certainly,higher␣-cellulose con-tent also means more ethanol output in bioethanol process.The stalk rind had much higher␣-cellulose content(39.4%)than that of stalk pith(31.6%)and leaf(31.3%).Unlike cellulose,hemicelluloses are noncrystalline het-eropolysaccharides and classically defined as the alkali soluble material after removal of the pectic substances.The term of pectins or pectic substances is associated with acidic polysaccharides con-sisting of a backbone of mainly(1→4)-␣-bound d-galacturonic acid residues interrupted by the insertion of(1→2)-␣-linked l-rhamnose residues(Xu,2010).Sugar components of hemicel-lulose and pectins in corn stover fractions are shown in Table4. Xylose was the predominant sugar in hemicellulose of corn stover fractions.Stalk pith had the highest xylose content while leaf had the lowest one.Arabinose and glucose appeared as notice-able amounts.Ramnose,mannose,galactose and glucuronic acid were observed as minor constituents.The galacturonic acid in corn stover fractions was very high.This meant that the pectic substances content was very high in corn stover fractions.The hemicelluloses of leaf and stalk have been shown to be arabino-glucuronoxylans of similar structure.Each has a xylanbackboneFig.1.Cell morphology of corn stover fractions by light microscopy:(a):stalk rind;(b):stalk pith;(c):leaf blade;(d)leaf sheath.F,fiber;E,epidermis cells;V,vessels;P, parenchyma.Scale bar=200␮m.134Z.Li et al./Industrial Crops and Products37 (2012) 130–136Table5Inorganic components of corn stover fractions.Stalk rind Stalk pith LeafSilica as Si,%0.38±0.010.37±0.01 2.68±0.01 Chloride as Cl,% 2.35±0.01 2.52±0.020.95±0.01 Potassium as K,% 4.03±0.02 4.17±0.03 2.13±0.08 Calcium as Ca,%0.25±0.020.22±0.020.49±0.03 Magnesium as Mg,%0.26±0.010.14±0.010.34±0.02 Sulfur as S,%0.10±0.010.11±0.010.27±0.01 Phosphorus as P,ppm394±23485±31757±35 Sodium as Na,ppm326±13242±11396±14 Iron as Fe,ppm108±852±4339±15 Manganese as Mn,ppm 6.9±0.1 6.5±0.153.3±0.2 Copper as Cu,ppm8.6±0.18.1±0.110.3±0.1 Aluminum as Al,ppm86±365±2292±11 Zinc as Zn,ppm19±132±136±1 with units joined1→4in the␤-d-configuration.The degree of polymerization is about55for leaf xylan and70for stalk xylan (Dutton and Kabir,1972).Acetyl contents in corn stover fractions were more than100 times higher than formyl content,while pith fraction had the highest acetyl content and leaf fraction had the lowest one.Dur-ing organic acids based cooking,acetyl and formyl groups can be released from feedstocks to compensate part of the acids con-sumption.However,the released acids will consume more alkaline during alkaline and kraft cooking.Leaf fraction had the highest nitrogen content,which meant the highest crude protein content,while the stalk rind fraction had the lowest one.The highest protein content and less lignified tissues may make leaf fraction as good animal feedstock.The crude pro-tein contents in all fractions were considerably high,which were much higher than that of wheat straw(1.9%)but lower than that of rice straw(8.1%)(Pan and Sano,2005).Protein tends to con-dense with lignin under acidic conditions(Whitmore,1982)and retard subsequent delignification.Like most agricultural lignocel-lulosic materials,corn stover fractions had much higher ash content (about10%)than most of woody biomass(Cuiping et al.,2004).Table5shows the detailed inorganic components of corn stover fractions.For both stalk rind fraction and stalk pith frac-tion,the inorganic elements contents ranged from high to low as K>Cl>Si>Ca,Mg>S>P,Na>Fe,Al>Mn,Cu,Zn.For leaf fraction, the sequence was Si>K>Cl>Ca>Mg,S>P>Na,Fe,Al>Mn,Cu,Zn. Obviously,K,Si,Cl,Ca,Mg and S were the main inorganic compo-nents in corn stover fractions.Chloride and potassium contents in leaf fraction were much lower than that of stalk fractions,while the silica content in leaf fraction was almost7times higher than that of stalk fractions.The high chloride and potassium contents in corn stover fractions might be due to the purposive fertilization with KCl,since KCl has been approved to increase introduced lignin content and improve the resistance of corn to stalk rot(Liu et al.,2007).The silica content in stalk rind fraction was only0.81%(as SiO2)which was extremely lower than that of wheat straw(7.3%as SiO2)and rice straw(11.7% as SiO2)(Pan and Sano,2005).The benefits of silica nutrition in plants include the enhancement of growth and yield,exposure of leaves to light,resistance to lodging,reduction of transpiration and resistance to drought stress,resistance to salinity,alleviation of metal toxicities,improvement of nutrient imbalance,resistance to radiation,effects on enzyme activities and increased resistance to pathogens and insect pests(Ma and Yamaji,2006).Manganese,copper and zinc could be considered as trace ele-ments,whose contents were lower than100ppm.The ash-forming element,viewed as non-processing elements in pulp mill,in black liquor can affect the liquor properties and,sometimes,hazard the continuous operation of the industrial black liquor recovery plant(Cardoso et al.,2009).Szemmelveisz et al.(2009)found Fig.2.Lignin distribution in cross section of corn stalk rind by SEM-EDXA.E,epi-dermis;P,parenchyma;F,fibers.Scale bar=250␮m.that operational problems may occur when co-firing biomass with coal directly in boilers for energy production because of the high ash compositions.It was also found that the common cations of ash(K+,Mg2+,Ca2+,Al3+,Mn2+,Fe3+,Cu2+,and Zn2+)showed inhibitive effects on cellulase at different levels,except for the stimulative effects of Ca2+and Mg2+on␤-glucosidase(Bin and Hongzhang,2010).In respect of high potassium and chloride con-tents in corn stover fractions and their negative effects on lots of biomass-processing processes,it is quite necessary to separate them economically and use them as chemicals.3.3.Lignin distribution in stalk rindMany methods have been developed for investigating lignin dis-tribution in plan cell wall(Abdul Khalil et al.,2010;Donaldson, 1992;Fromm et al.,2003;Xu et al.,2006).The stained ultra-thin sections with potassium permanganate(KMnO4)can be ana-lyzed by transmission electron microscopy coupled with energy dispersive X-ray analysis(TEM-EDXA)or SEM-EDXA for lignin dis-tribution.In this case,the lignin molecule is oxidized by KMnO4.The permanganate anion is reduced to MnO2,which thenprecipitates,Fig.3.Lignin distribution in cross section of corn stalk rind by toluidine blue stain-ing.Scale bar=50␮m.。

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