小麦秸秆成分.docx

1、小麦秸秆成分欧阳家右创编小麦秸秆成分欧阳家百(2021.03. 07)近年來，植物秸秆作为填充剂在一些热塑性树脂中得了一定的研究 和应用。然而，有关植物秸秆填充改性橡胶的研究并不多。1. 3农作物秸秆饲料的加工概况1.3.1秸秆的化学组成秸秆是由大量的有机物和少量的矿物质及水构成的，其有机物的 主要成分为碳水化合物，此外，还有少量的粗蛋白和粗脂肪。碳 水化合物由纤维性物质和可溶性糖类构成，纤维性物质用粗纤维 表示，它包括半纤维素，纤维素和木质素；可溶性糖类有无氮浸 出物表示；矿物质用粗灰分表示。1. 3. 1. 1纤维素纤维素属于木质化天然纤维，其结晶度和聚合度均很高，是植物 细胞壁的主要构成

2、成分，也是自然界中最大的有机物质。它的化 学结构乃是由许多1-4糖昔键连接而成的葡萄糖单位的聚合体， 在葡萄糖单位上的第六碳原子呈反式连接，从而导致整个纤维素 结构呈稳定的扁带状的微纤维，除此以外，在微纤维之间还有牢 固的氢键连接，从而导致纤维素基本上不可溶。对于各种酶的作 用也具有极大抵抗力。欧阳家白创编1. 3. 1.2半纤维素半纤维素是许多不同的单糖聚合体的异源性混合体，包括葡萄 糖，木糖，甘露糖，阿拉伯糖与半乳糖等，各单糖聚合体间分别 以共价键，氢键，酯键或醮键相连接，因而呈现稳定的化学结构; 此外，随着农作物秸秆的成熟，植物体内的半纤维素逐渐增长， 并参与其中，从而进一步增强了植物体

3、的坚实性，也降低了它们 的消化性。1. 3. 1. 3木质素木质素是一种杂聚物，基本结构单元苯基丙烷(Phenyl Propanoid)靠多种共价键连接形成厂种不溶性的，异质的，无光 学活性的，不规则的，如晶体的，高度分枝的三级网络大分子， 它与纤维素，半纤维素一起构成细胞壁的主要成分，其中80%存 在于植物细胞壁中，20%分布于细胞间隙中，成为细胞联合的粘连 剂。木质素的惰性对于植物來说是极具价值的结构组成，但却是 所有自然产物中转化率最低的物质。由于木质素分子间链键多为 酯键或C-C键，非常稳，其连接单元不易水解，所以木质素降解 过程是一系列酶催化和非酶催化的非特异氧化还原过程。完整的 木

4、质组织中，木质素以一种物理屏障存在，包围纤维素，成为外 围基质，保护纤维素免遭微生物及酶的攻击，成为许多工业化过 程中有效利用纤维素的一个障碍。在木质组织中，木质素的降解 必须先于纤维素的分解。欧阳家白创编1. 3. 1.2半纤维素半纤维素是许多不同的单糖聚合体的异源性混合体，包括葡萄 糖，木糖，甘露糖，阿拉伯糖与半乳糖等，各单糖聚合体间分别 以共价键，氢键，酯键或醮键相连接，因而呈现稳定的化学结构; 此外，随着农作物秸秆的成熟，植物体内的半纤维素逐渐增长， 并参与其中，从而进一步增强了植物体的坚实性，也降低了它们 的可消化性。1. 3. 1. 3木质素木质素是一种杂聚物，基本结构单元苯基丙烷

5、(Phenyl Propanoid)靠多种共价键连接形成厂种不溶性的，异质的，无光 学活性的，不规则的，如晶体的，高度分枝的三级网络大分子， 它与纤维素，半纤维素一起构成细胞壁的主要成分，其中80%存 在于植物细胞壁中，20%分布于细胞间隙中，成为细胞联合的粘连 剂。木质素的惰性对于植物來说是极具价值的结构组成，但却是 所有自然产物中转化率最低的物质21, 24 o由于木质素分子间链 键多为酯键或C-C键，非常稳定连接单元不易水解，所以木质素 降解过程是一系列酶催化和非酶催化的非特异性氧化还原过程。 完整的木质组织中，木质素以一种物理屏障存在，包围纤维素， 成为外围基质，保护纤维素免遭微生物及

6、酶的攻击，成为许多工 业化过程中有效利用纤维素的一个障碍。在木质组织中，木质素 的降解必须先于纤维素的分解。欧阳家白创编1.3.2秸秆类饲料开发利用的限制因素1.3.2. 1粗纤维含量高植物在整个生长过程中，蛋白质、脂肪、可溶性碳水化合物等均 由茎与叶片向籽实集结，与此同时，茎叶逐渐变老，粗纤维含量 逐渐增加，达30%-45%,而除牛等少数草食家畜能消化纤维素之 外，其它家畜都不能利用这部分能量，而且由于纤维的存在，反 而会影响其他营养物质的消化，从而降低饲料营养价值。I.3. 2. 2粗蛋白含量低秸秆类粗蛋白含量太低也是影响动物大量采食的一个重要限制性 因素。如玉米秸秆，反刍动物对小麦的消化

7、率约为80%,而对小 麦秸秆的消化率仅为46%。小麦中粗蛋白的含量约9%,而秸秆中 粗蛋白含量通常不超过3%。作为饲料喂牛，小麦的增重净能为 6. 49MJ/kg,而小麦秸秆增重净能仅0. 75MJ/kg,是小麦净能值的II.6%。用未处理的秸秆作饲料，往往会出现氮的负平衡，即食入 氮小于排出氮。1.3.2. 3木质素含量秸秆类物质含有约16%-25%的木质素，木质素作为一种物理屏 障，成为纤维的外围基质，起着赋予纤维机械强度以及保护纤维 素免遭微生物及酶攻击的作用。这使得秸秆类饲料比较粗硬，适 口性差，造成采食量有限。欧阳家白创编1.3.2. 4维生素的含量匮乏相比而言，秸秆饲料中维生素D含

8、量较多，其它维生素的含量很 少，B族维生素极为缺乏，胡萝卜素几乎没有。1. 3. 3秸秆饲料的加工方法概况秸秆饲料是指农作物在籽实成熟后，收获籽实所剩余的副产品。是粗饲料中的一种。秸秆的主要成分有细胞壁（也叫中性洗涤纤 维）、酸性洗涤纤维.细胞壁主要由纤维素、半纤维素、木质素组 成;酸性洗涤纤维主要由纤维素、木质素组成。木质素不被瘤胃微 生物分解，而秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素紧密地结合在 一起，使秸秆的消化率受到影响。秸秆成熟后细胞壁、木质素成 分增加，粗蛋白成分减少，干物质消化率下降，且秸秆成熟的越 老，木质化程度越高，秸秆的消化率就越低。目前，秸秆饲料的 加工处理方法可以分为三种，即

9、物理法，化学法，生物处理法。1. 3. 3. 1物理加工方法物理法主要包括传统的切短、粉碎及高压蒸煮、膨化技术等，较 为简单，常作为其它方法的前处理。切短、粉碎可部分地破坏纤 维素晶体结构，削弱纤维素、半纤维素和木质素之间的结合，可 增加秸秆与消化液的接触面积，增加牲畜的采食量，但不能提高 秸秆的营养价值和消化率。秸秆中的木质素在温度高达170时欧阳家白创编才可以软化或部分水解，这种处理需要特定的设备输送热量、控 制温度，成本较高。近年來，又有一些关于用辐射技术处理秸秆的报道，当辐射 超过一定剂量时能促使秸秆的细胞壁含量降低，提高体外消化率。膨化技术是将 无聊装入密闭容器中，通过热饱和蒸汽加压

10、，经一定时间的高压热处理，瞬间泄 压后可称为膨化饲料，此技术可使物料的一些性状发生变化，提高牲畜对原料的 吸收量。利用物理方法的缺点是费用高，能耗高，使其应用受到限制。1.3.3.2化学处理方法碱化，氨化，氧化剂处理，糖化及酸处理都属于化学法。其主要 目的是使纤维素和半纤维素部分降解并除去木质素成分。德国科 学家Backmann于1919年总结了碱处理法，40年代，挪威对 Backmann方法进行改进，并建造了一系列配套碱化处理设备。采 用该方法可使小麦秸秆的消化率从42.4%提高到66. 7%o氨化技术 始于70年代，挪威和北欧等归家对此技术比较重视，1988年氨化 秸秆量己达到挪威全国总量

11、的17.3%。我国主要利用硫氨和尿素进行氨处理，欧阳家白创编1991年己推广 达4. 13万吨。1.3.3.3生物处理法秸秆的生物处理方法实质就是利用某些微生物处理秸秆饲料.国内 外许多学者进行很多研究和试验，如青贮，微生物发酵，SCP法， 酶解等。(1)青贮是在嫌氧环境中乳酸菌大量繁殖，从而将秸秆中的淀粉和 可溶性糖合成乳酸，乳酸积累到一定浓度抑制了腐败菌的生长， 秸秆得以长期保存。秸秆青贮后，其营养成分损失较少，适口性 有很大提高。为了满足乳酸菌发酵，除保证厌氧、水分等条件 外，还必需有一定的可溶性糖存在，因此，含糖较多的原料如玉 米秸、青草等容易青贮成功，稻草、麦秸等就较难以青贮。进行

12、青贮必须建青贮窖，投资较大;饲料中微生物种类少，酸重，甜味 不足，进入的微生物是被动的，维生素D和蛋白质含量低;制作受 气侯影响等缺点一定程度上制约了青贮的作用。(2)微生物发酵的原理是通过选育某些特殊的菌种，利用微生物分 泌的酶系改变了秸秆的化学结构，降解秸秆粗纤维中的纤维素， 半纤维素和木质素为低分子的单糖或低聚糖，转变秸秆中的不可 溶性碳水化合物为可溶性碳水化合物，从而使其变成含有较多酶 解糖类，香甜可口，易于消化吸收的饲料。(3)SCP法 SCP即单细胞蛋白。其原理是将秸秆经过粉碎，加入欧阳家白创编适量的水和 无机营养物质，接上菌种，使它大量生产菌丝体，制成SCP饲 料。SCP具有以下

13、特点：蛋白质含量高，菌体蛋白高达60%-80%o氨基酸种类齐全，蛋白质利用率高。含有丰富的维生素，尤其是B族维生素。(4)酶解 秸秆的酶解主要是依靠纤维素酶的作用。不过，用精 制的酶來改善饲喂家畜的秸秆的品质是不经济的。微生物发酵与 氨化相比较操作简便，制作费用低，同时在发酵过程中产生并积 累的代谢产物如氨基酸、有机酸、醇、醛、酯，维生素、激素、 微量元素等不仅使饲料适口性增加，而且具有防腐和增强动物抗 病力及促进其生长发育的作用。1. 3.4纤维素酶对农作物秸秆的作用机制微生物对植物秸秆的降解，其实质上是微生物产生的纤维素酶对 植物秸秆的生物化学过程降解，具有反应条件温和，副产物少或 无副产

14、物的特点。近十多年來科学家们对纤维素酶的作用机理进 行了大量的研究。目前普遍认为，完全降解纤维素至少需要三种 功能不同但又互补的三类纤维素酶组分：(1)内切B-1, 4葡聚糖酶类(EC3.2. 1.4),也叫CMC分解酶欧阳家白创编欧阳家白创编类，或Cx酶这一类酶是内切酶，作用于纤维素大分子的内部，随 机切割P-1, 4葡萄糖昔键同时生成许多新的分子链末端。(2)外切B 葡聚糖酶类(EC3. 2. 1. 91),也叫微晶纤维素分解 酶，俗称C1酶。此类酶含有两个酶系，即3-1, 4葡聚糖葡萄 糖水解酶和B-1, 4葡聚糖纤维二糖水解酶。这两类酶都作用于 纤维素分子链的非还原性末端，前者切割B-

15、1, 4糖昔键，产物 是葡萄糖；后者切下的产物是纤维二糖。(3)0-1, 4葡萄糖昔酶(EC3. 2. 1. 21)俗称Cb酶，它能水解纤 维二糖和短链寡糖为葡萄糖。在它们的协同作用下才能将纤维素 水解成葡萄糖。纤维素的降解过程，首先是纤维素酶分子吸附到 纤维素表面，然后Cx酶在葡聚糖链的随机位点水解底物，产生寡 聚糖；C1酶从葡聚糖链的非还原性端进行水解，主要产物为纤维 二糖；而Cb酶可水解纤维二糖为葡萄糖。需要这三类酶的协同 作用才能完成对纤维素的降解。其中对结晶区的作用必须有C1酶和Cx酶，对无定形区则仅CX酶组分就可以。由于不同的纤 维材料中结晶区、无定形区所占比例不同，加上其他物理性

16、质的 影响，完全降解时所须这三类纤维素酶的比例也各异。酶解速率 随着温度的升高而加快。但温度超过一定的范围后，酶容易变性 失活。所以筛选热稳定性高，对产物和底物浓度耐性好，活性高 的纤维素酶成为研究纤维素酶解技术的核心领域。半纤维素是五 碳糖，六碳糖和糖酸组成的杂聚体。木聚糖是许多生物材料中半 纤维素的主要成分。木聚糖中除含有木糖外，还含有阿拉伯糖， 欧阳家白创编欧阳家白创编葡萄糖醛酸，乙讎，香豆酸等。木聚糖的完全水解要内0-1, 4 木聚糖酶(EC3.2. 1.8), B木聚糖酶(EC3. 2. 1. 37)和其它几种辅 酶(如阿拉伯糖昔酶，葡萄糖昔酶)的协同作用。B-1, 4木聚糖 昔酶随

17、机地作用于木聚糖的主链产生低聚糖，P木聚糖昔酶将这 些低聚糖分解成木糖。阿拉伯糖昔酶，葡萄糖昔酸酶等分别从木 聚糖主链上除去相应的阿拉伯糖和葡萄糖酸等。虽然木聚糖的结 构比纤维素更复杂，完全水解所需要的酶类也比较多，但木聚糖 结构没有纤维素那么紧密，各种酶容易与木聚糖结合，所以水解 速度并不慢。1. 3. 5降解农作物秸秆的产纤维素酶菌种和生产SCP的菌种1. 3. 5. 1产纤维素酶菌种自然界中大量而广泛地存在着能降解纤维素的微生物，它们种类 繁多，包括细菌，真菌和放线菌等。目前研究最多的产纤维素酶 的微生物大多数是真菌，其中木霉属，曲霉属，青霉属，根霉属 及漆斑霉属占据多数。木霉具有对植物

18、病原真菌的拮抗作用和强 烈分解纤维素的能力，广泛存在于土壤等基质中；黑曲霉不仅是 公认的安全菌株(GRAS),而且能产生较强的纤维素酶和具有较 全的纤维素酶系，尤其葡萄糖昔酶酶活极高，是发酵饲料工业 中不可或缺的菌种。我国近年來在这方面也开展了大量研究工 作，已取得了一定进展。我国中科院成都生物所以成功地从甘蔗 纸浆中分离筛选岀一株纤维素能力强的霉菌；山东大学微生物研 究所曾报道选育岀多株产酶能力达到或超过国际先进水平的纤维 欧阳家白创编欧阳家白创编素酶高产菌株。小麦秸秆的主要成分因地因时而异，据报道其代 表性的分析结果为：半纤维素38-40%纤维素33-35%、木质素 1517%,灰分2%,粗蛋白2. 5%o由此可见，小麦秸秆的主要成分 是纤维素和半纤维素。能够分解秸秆的微生物很多，包括放线菌，真菌，细菌，霉菌，它们广泛的分布于自然界中，所生产 的各种纤维素酶协同作用，能将秸秆中的纤维素降解为可溶性的单糖，酵母菌则 可利用所生成的单糖合成酵母蛋白，进而提高小麦秸秆物质的利用价值。