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瘤胃液强化预处理对甜高粱秸秆青贮品质及降解性能影响

瘤胃液强化预处理对甜高粱秸秆青贮品质及降解性能影响

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作者：孙文丽兰州理工大学

学位级别：硕士

随着化石燃料的消耗和气候变化导致目前环境问题日益突出,寻求一种清洁可再生能源迫在眉睫。我国是农业大国,粮食等作物的种植面积和产量均居世界前列,生产种植和流通过程中产生的作物秸秆资源量丰富,这些作物秸秆是一种木质纤维生物质... 详细信息

随着化石燃料的消耗和气候变化导致目前环境问题日益突出,寻求一种清洁可再生能源迫在眉睫。我国是农业大国,粮食等作物的种植面积和产量均居世界前列,生产种植和流通过程中产生的作物秸秆资源量丰富,这些作物秸秆是一种木质纤维生物质。由于其高利用率和低成本的特性,已被广泛用作生物燃料生产的可再生原料。甜高粱是一种含糖量较高、耐盐碱土壤、生长速度快、早熟、生物量生产力高的极具潜力的C4能源作物。近几年来,甜高粱秸秆被广泛的用于生物乙醇、沼气等的生产研究。然而,甜高粱秸秆收获的季节性、时效性等特点不能满足作物秸秆全年供应的要求,必须采用有效的保存方法,最大限度的保存其营养成分,并且防止腐坏和尽量减少储存期间的干物质损失,从而满足生物燃料能够全年供给的需求。青贮是一种厌氧发酵工艺,在青贮过程中,一些乳酸菌（LAB）可以利用生物质中的水溶性碳水化合物的快速生长繁殖,生成乳酸和乙酸等有机酸快速导致pH值降低,是一种高效的新能源作物保鲜方法。为了实现作物秸秆资源跨季青贮发酵以及资源化利用,本文以甜高粱秸秆为原料,并结合青贮原理对其进行固态发酵。试验设置1个对照组（CK,等体积的去离子水）和4个瘤胃液组（1%（1 mL/100g）,3%（3 mL/100g）,5%（5 mL/100g）,和7%（7mL/100g））,5个试验组名分别为CK,R1,R3,R5和R7。连续发酵60 d,分别在30 d、60 d取样,进行发酵品质、有机组分、微生物多样性以及结构分析,并对每个试验组进行酶解糖化试验,探讨青贮与瘤胃液生物强化预处理对甜高粱秸秆发酵品质、有机组成、纤维降解能力的影响。研究结果如下:（1）经过30 d和60 d的青贮后,与新鲜的甜高粱秸秆相比,5个试验组的干物质、可溶性碳水化合物（WSC）、粗蛋白（CP）以及纤维含量均有不同程度的降低。与对照组（CK）相比,添加瘤胃液的4个试验组（R1,R3,R5和R7）的酸性洗涤纤维（ADF）、中性洗涤纤维（NDF）、以及酸性木质素（ADL）含量显著呈降低趋势（P＜0.05）,且随着瘤胃液添加量的增加均有降低趋势。随着青贮发酵时间的延长,5个试验组的可溶性碳水化合物、干物质、粗蛋白、氨氮以及纤维含量显著降低（P＜0.05）。（2）综合分析5个试验组的发酵品质发现,5个试验组的pH值均低于4.7,且随着青贮时间的延长显著降低（P＜0.05）。当瘤胃液添加量为7%时,甜高粱秸秆的pH值达到最低,为3.53（60 d）。由此可见,添加瘤胃液显著降低了试验组的pH值。另一方面,5个试验组的乳酸（LA）和乙酸（AA）含量均随时间的延长而显著增加（P＜0.05）。R1,R3,R5和R7组的LA和AA含量均显著高于CK组,且在青贮发酵60 d时,LA和AA含量达到最大值,分别为9.42 g/kg（R7）和29.08 g/kg（R5）。（3）通过分析细菌菌群动态变化发现,与对照（CK）和鲜甜高粱（SS）相比,瘤胃液预处理显著增加了乳酸菌（Lactobacillus）、瘤胃球菌（Ruminococcacceae）、醋酸杆菌（Acetobacter）和厚壁菌门（Firmicutes）的相对丰度,降低了肠杆菌（Enterobacter）的相对丰度。青贮60 d后,R7中乳酸菌丰度达到最高（98.76%）。（4）通过分析真菌菌群动态变化发现,与对照组（CK）和新鲜甜高粱（SS）相比,瘤胃液的添加明显增加了毕赤酵母属（Pichia）的相对丰度,而降低了裂褶菌属（SchizopHyllum）、青霉属（Penicillium）等的相对丰度。（5）通过扫描电子显微镜（SEM）分析发现,经过青贮和瘤胃液预处理的甜高粱,其结构被严重破坏,变得疏松多孔。其表面呈絮状,有许多深的纵向裂纹、微孔和沟槽。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析发现,经过瘤胃液预处理之后,木质素的特征峰强度有所变化,说明木质素的结构发生了不同程度的改变,使得纤维素更容易被降解。（6）综合酶解糖化结果可得:经过72小时的酶解处理之后,5个试验组的还原糖得率与葡萄糖、木糖含量均明显高于新鲜的甜高粱秸秆。青贮30 d和60 d时,R7组的还原糖得率分别为730.3 mg/g和795.4 mg/g,比CK组的分别增加了11.06%和19.28%。另一方面,在青贮60 d时,经酶解处理的R7组的葡萄糖和木糖的量达到最高,分别为492.9 mg/g和97.5 mg/g。总之,瘤胃液显著降低了甜高粱秸秆的纤维含量,增加了乳酸菌等有益微生物的相对丰度,降低了青贮体系的pH值,破坏了木质素-多糖键,导致结晶度的降低和孔隙率的增加,从而提高了纤维降解能力以及酶解糖化得率。瘤胃液生物强化处理是甜高粱秸秆生产生物燃料乙醇中保鲜预处理的一项有前途的技术。

关键词：甜高粱青贮瘤胃液强化预处理微生物多样性酶解糖化

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