玉米秸秆好氧水解特性研究

李文哲，曹澜，罗立娜，魏东辉，宋欣悦，公维佳

（1.东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030；2.东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨 150030）

玉米秸秆好氧水解特性研究

李文哲1，曹澜1，罗立娜1，魏东辉2，宋欣悦1，公维佳1

（1.东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030；2.东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨 150030）

秸秆木质纤维素水解过程，影响秸秆沼气制备速度。提高水解效率关键是破坏木质素对纤维素和半纤维素屏蔽作用，而木质素降解需有分子氧存在。因此，在秸秆厌氧发酵前好氧水解发酵秸秆有利于提高秸秆生物可降解性。为揭示玉米秸秆湿法好氧水解特性，在总固体浓度（TS）为10%，好氧水解温度为35、38、41、44、47℃，好氧水解时间为8、16、24、32、40 h条件下湿法水解发酵试验。结果表明，湿法好氧水解能有效破坏玉米秸秆木质素结构，获得较高木质素降解率，温度44℃，时间经历8 h时木质素即降解15.79%，是好氧水解40 h时总降解率49.5%。在此条件下，总有机物损失率仅为4%，经过湿法好氧水解玉米秸秆TS产气量和产甲烷量与未经处理玉米秸秆相比分别提高28.4%和29%。

玉米秸秆；好氧水解；木质素

李文哲,曹澜,罗立娜,等.玉米秸秆好氧水解特性研究[J].东北农业大学学报,2016,47(10):41-50.

Li Wenzhe,Cao Lan,Luo Lina,et al.Study on aerobic hydorlysis characteristic of corn straw[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(10):41-50.(in Chinese with English abstract)

以秸秆为原料厌氧发酵生产沼气是复杂生理生化过程，分为水解产酸发酵阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。其中水解是将非溶解性大分子有机物在胞外酶作用下分解为小分子有机物，为后续发酵细菌提供基质[1]。玉米秸秆主要由木质纤维素、总糖和蛋白质等组成，其中木质纤维素较难降解。木质素在厌氧条件下完全不降解，阻碍胞外酶与纤维素、半纤维素接触，水解产酸发酵阶段缓慢[2]。因此如何在水解发酵阶段最大限度破坏木质素结构，使胞外酶与纤维素及半纤维素充分接触，是解决玉米秸秆高效厌氧发酵关键问题。

研究表明，木质素在氧分子存在条件下，可被微生物降解利用[3]。为此，制备秸秆沼气前常对秸秆作好氧处理。目前主要集中在干法好氧堆沤研究[4-6]。陈广银等对麦秆堆沤处理，发现堆肥预处理无法有效提高后期厌氧发酵产气量，但好氧菌能更快降解大分子有机物，有效加快厌氧发酵启动速率[7]。高白茹等发现，对秸秆堆沤处理，虽然有效破坏木质素结构，但也对纤维素，半纤维等有机物造成过度降解，降低秸秆总固体产气量[8]。陈广银等研究温度对秸秆堆沤处理影响发现，提高温度可加快秸秆降解，但堆沤耗时过长，易造成局部温度过高导致过度降解等问题[9]。

为解决秸秆堆沤处理过程中温度不均，发酵时间过长，有机物过度降解等问题，本文提出湿法好氧水解。通过提高好氧水解发酵体系含水量，使发酵物料具有流动性，辅以搅拌促进传热传质，使胞外水解酶与发酵底物充分接触，提高水解速率，确保水解均匀并防止局部过度降解。为提高微生物活性，加快水解反应进程，适当提高水解温度，探讨水解温度、时间对玉米秸秆水解特性影响，优化水解温度和时间，为玉米秸秆快速降解及高效利用提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料

玉米（东农253）秸秆来自东北农业大学香坊实验实习基地。接种物来自东北农业大学能源与动力实验室中试基地，即牛粪厌氧发酵经产气高峰后，将发酵料液作为接种物。原料及接种物性质见表1。

1.2 方法

玉米秸秆湿法好氧水解试验流程如图1所示。

表1 原料及接种物主要性质Table 1Characteristics of inoculum and substrates

将自然风干玉米秸秆粉碎，粉碎后玉米秸秆粒径在20 mm以下，取90 g经初步处理后玉米秸秆与960 g接种液混合，反应容器内干物质浓度（TS）为10%，装入作为水解反应器2.5 L广口瓶，并将其放入恒温培养箱中试验。在前期研究中，稻杆在中温35℃时降解效果较好[12-13]，但对玉米秸秆降解不够理想，在预备试验中适当提高温度可加快玉米秸秆水解反应进程。为探讨适合玉米秸秆水解温度，本试验将水解温度设定为35、38、41、44、47℃。试验分为A、B两组：A组为好氧水解搅拌组，B组为好氧水解不搅拌组。好氧微生物临界氧浓度为0.096～1.6 mg·L-1，发酵液中氧饱和浓度为8 mg·L-1[14]，本试验中供氧仅为好氧微生物临界氧浓度而未达发酵液中饱和氧浓度。设定搅拌供气时间间隔为1 h，时长为1 min，上下搅拌，搅拌速率为60 r·min-1，以便比较搅拌和不搅拌水解效果。在搅拌结束时，A组溶解氧浓度为2.50～3.06 mg·L-1，B组溶解氧浓度为0.51～1.02 mg·L-1，随水解温度提高，溶氧量呈下降趋势。分别在水解8、16、24、32、40 h时取样，分析水解后玉米秸秆组成成分和降解特性，筛选最优水解温度。在此温度下，对玉米秸秆与接种液混合物料进行8、16、24、32、40 h湿法好氧水解并辅以搅拌供气，搅拌供气时间间隔为1 h，时长为1 min。将水解后物料中温厌氧发酵，并与z组对照试验，其中z组为直接厌氧发酵组。分析玉米秸秆厌氧发酵时产气特性，探讨最优水解温度下不同水解时间玉米秸秆产气情况并确定最佳水解时

间。

图1 好氧水解试验流程Fig.1Aerobic hydrolysis flow

1.3 测定指标及方法

TS：采用烘箱烘干法，烘箱温度为（105±5）℃；

VS：采用马弗炉焚烧法，马弗炉温度为（550± 20）℃；

总碳：样品经烘干，粉碎后过100目筛用Vario⁃TOC测量；

总氮：样品经烘干，粉碎后于380℃消解炉中消解，消解后样品用Kjeltec2300凯式定氮仪测定；

氨氮：将水解液离心后取上清液，Kjeltec 2300凯式定氮仪测定；

pH：Thermo Scientific pH计测定；

纤维素、半纤维素、木质素：样品经烘干，粉碎后过100目筛，用ANKOM 200i半自动纤维分析仪测定[15]；

木质素、纤维素、半纤维素降解率按公式（1）（3）

式中，L%—木质素降解率（%）；C%—纤维素降解率（%）；H%—半纤维素降解率（%）；Ash—好氧水解后固体残渣中灰分含量（%）；TS—玉米秸秆中总固体含量（%）；m—玉米秸秆质量（g）；mA—玉米秸秆中灰分质量（g）；L1—玉米秸秆中木质素含量（%）；L2—湿法好氧水解后固体残渣中木质素含量（%）；C1—玉米秸秆中纤维素含量（%）；C2—湿法好氧水解后固体残渣中纤维素含量（%）；H1—玉米秸秆中半纤维素含量（%）；H2—湿法好氧水解后固体残渣中半纤维素含量（%）。

2 结果与分析

2.1 不同温度下玉米秸秆好氧水解pH变化

由于接种物相同，试验开始前反应器内初始pH均为7.66。各处理组在好氧水解过程中pH变化趋势见图2。由图2可知，在好氧水解0～8 h时，A 35组和B 35组pH呈上升趋势，A 47和B 47组pH呈下降趋势，上述差异主要源自水解温度和是否对反应体系搅拌供气。随水解温度升高，反应体系内水解产酸菌代谢加快，有机酸快速累积，反应体系pH降低，而反应温度较低组分则有机酸累积较慢，且在产酸过程中同样有NH4+-N生成，使

A 35组和B 35组pH不降反升。其中在好氧水解初期，好氧菌和兼性厌氧菌利用小分子有机物产酸，而搅拌供气在一定程度上加剧好氧菌活性，使得A组反应体系内有机酸含量较B组有机酸含量高，导致在好氧水解8 h时，A组pH低于B组。

由图2可知，各反应体系pH 7.0～8.3。原因是玉米秸秆中粗蛋白在好氧水解过程中被蛋白酶分解为可直接被微生物利用短肽、氨基酸，氨基酸在氧参与下和氨基酸氧化酶作用下转化为NH4+-N并释放少量氨气[16]，导致反应体系中pH升高。大分子糖也被微生物利用，但因氧分子存在，厌氧菌无法进行正常生理活动，好氧菌和兼性厌氧菌利用小分子有机物产酸，又促使反应体系pH下降，反应体系中有机酸和NH4-N达到动态平衡。

2.2 不同温度下玉米秸秆好氧水解木质纤维素变化

2.2.1 不同温度下玉米秸秆好氧水解木质素变化

图3A、3B为搅拌和不搅拌组不同温度下木质素降解率。

由图3A可知，随温度升高，木质素降解速率加快，在44℃时木质素降解速率最快，在47℃时木质素降解速率明显减慢。同时发现，44℃时，木质素在0～8 h降解速率最快，降解率为15.79%，占44℃好氧水解40 h时总降解量49.5%。而在35和38℃温度下初期（0～8 h）木质素在降解速率较小，随水解时间延长，木质素降解速率小幅度提升，直到在该温度下降解到一定数量后，木质素降解速率降低。

比较图3A、3B可知，搅拌供气可加快木质素降解速率，因为木质素降解是氧化过程[17-20]，降解机理是水解液中氧分子与木质素侧链基团发生氧化反应，Cα-Cβ键段裂，使木质素结构发生变化，反应生成醛、醌等有机物。

2.2.2 不同温度下玉米秸秆好氧水解纤维素变化

图4A、4B为搅拌和不搅拌组在不同温度下纤维素降解速率，可知随温度升高，纤维素降解加快，在41℃时纤维素降解速率最快，此温度下木质素降解率为8.7%，可见木质素降解有破坏木质素屏蔽作用，但由于参与降解木质素与纤维素微生物不同，其获得较大活性温度不同。温度持续升高，纤维素降解速率减慢。

图2 不同温度下好氧水解过程中pH变化Fig 2Changes of pH during aerobic hydrolysis at different temperature

图3 好氧水解过程中木质素降解率Fig.3Changes of lignin degradation during aerobic hydrolysis

图4 好氧水解过程中纤维素降解率Fig.4Changes of cellulose degradation during aerobic hydrolysis

由图4可知，在38～44℃温度下，好氧水解0～8 h时，纤维素降解速率最快，随着水解时间增加，纤维素酶代谢产物累积，在好氧环境中，代谢产物无法被厌氧菌利用，仅有少部分可被兼性厌氧菌利用，反应体系达到代谢平衡，纤维素酶活性与反应初始相比受一定程度抑制，纤维素降解速率略有下降。而在35和47℃温度下，在初期（0～8 h）纤维素在降解速率较小，随着水解时间延长，纤维素降解速率小幅度提升，直到在该温度下降解到一定数量级后，木质素降解速率降低。比较图4A、4B可知，在纤维素降解率最大时，是否对反应体系搅拌供气，对纤维素的降解速率无显著影响。当反应体系温度升高或降低时，搅拌供气可明显提高纤维素降解速率，因为在好氧水解过程中，好氧菌活性高于兼性厌氧菌活性，在反应体系温度相对较低或较高时，对反应体系搅拌供气可增加水解液中溶氧量，提高好氧菌活性，提高反应体系中酶含量，加快半纤维素降解。

2.2.3 不同温度下玉米秸秆好氧水解半纤维素变化

图5A、5B为搅拌和不搅拌组在不同温度下半纤维素降解速率。

图5 好氧水解过程中半纤维素降解率Fig.5Changes of hemicellulose degradation during aerobic hydrolysis

由图5可知，随温度升高，半纤维素降解加快，在41℃时半纤维素降解速率最快，温度持续升高，半纤维素降解速率减慢。因为半纤维素降解需多种酶协同作用，而不同酶获得较大活性温度也存在差异，在半纤维素降解过程中起较大作

用酶是内切型半纤维素酶和外切型半纤维素酶。在好氧水解0～8 h时，半纤维素降解速率最快，随水解时间增加，内切型半纤维素酶代谢产物—低聚糖累积，伴随低聚糖被外切型半纤维素酶水解代谢产物降解，反应体系中达到代谢平衡，半纤维素酶活性与反应初始相比受一定抑制，半纤维素降解速率略有下降。

比较图5A、5B可知，搅拌供气可一定程度加快半纤维素降解率，因为在好氧水解过程中，好氧菌活性高于兼性厌氧菌活性，对反应体系搅拌供气可增加水解液中溶氧量，提高好氧菌活性，提高反应体系中酶含量，加快半纤维素降解。

综上所述，湿法好氧水解玉米秸秆可有效破坏玉米秸秆中木质纤维素内部结构，打破木质素对纤维素和半纤维素屏蔽作用，将纤维素和半纤维素降解成其他大分子糖等，为后期厌氧发酵提供基质。

2.3 不同温度下玉米秸秆好氧水解VS降解率

图6A、6B为搅拌和不搅拌组在不同温度下有机物降解速率，由图6可知，随温度升高，有机物降解速率加快，41℃时有机物损失速率最快。随温度持续升高，胞外水解酶活性受抑制，有机物降解速率减慢，反应体系溢出气体减少，有机物损失减少。

图6 好氧水解过程中有机物含量变化Fig.6Changes of organic matter degradation during aerobic hydrolysis

以玉米秸秆在44℃时好氧水解情况为例，0～8 h时，木质素降解率为15.79%，固体有机物损失率为0.65%；在8～16 h时，木质素降解率为6.14%，固体有机物损失率为0.74%。在木质素降解速率下降同时，固体有机物损失增高，这是因为在0～8 h时，木质素大量降解，木质素对纤维素以及半纤维素屏蔽作用减弱，使胞外酶与纤维素和半纤维素接触面增大，随水解时间延长，有机物降解速率加快，同时，除木质纤维素外总糖、蛋白质等有机物不断降解，导致总有机物损失增多。

比较图6A、6B可知，搅拌供气在一定程度上加快有机物损失，尤其在反应体系中有机物降解速率较慢时，此现象明显。

可见，玉米秸秆在44℃条件下湿法好氧水解8 h，可有效破坏玉米秸秆中木质素结构，控制水解后玉米秸秆中纤维素和半纤维及其他有机物降解情况，解决玉米秸秆在生物降解预处理时的过度降解问题。水解液中累积大量可溶性有机物，提高后期厌氧发酵产甲烷相启动速度。

2.4 玉米秸秆好氧水解后发酵产气

2.4.1 日产气量

由图4可知，在44℃时对玉米秸秆好氧水解并辅以搅拌处理对木质素处理效果较好，为确定44℃时有效水解时间，在增加降解木质素同时尽量减少有机物损失并提高TS产气量，对44℃时好氧水解并辅以搅拌处理玉米秸秆厌氧发酵。不同好氧水解时间玉米秸秆厌氧发酵日产气量如图7所示。从总体看，好氧水解8、16 h组日产气量变化趋势基本相同，在厌氧发酵产气过程前期均呈先升后降趋势，在产气中期日产气量缓慢下降，产气后期日产气量基本不变；好氧水解24、32、40 h组和z组即未经好氧水解处理组，在厌氧发酵

前期日产气量呈先降后升再降趋势，在产气中期日产气量缓慢下降，产气后期日产气量基本不变。其中，z组是因玉米秸秆中含有未被水解蛋白质、小分子糖等易于降有机物，在厌氧发酵前期日产气量最高，并随反应进程日产气量迅速下降；而好氧水解24、32、40 h组厌氧发酵前期日产气量相对较高则因较长好氧水解时间，为反应体系提供较多易于被厌氧菌利用小分子有机物，如糖等。

从图7可知，在厌氧发酵前7 d中，除第1天外，z组日产气量均在好氧水解处理组日产气量范围内波动且明显高于32和40 h组，在产气第7～12天好氧水解处理组日产气量显著高于z组，且在厌氧发酵15 d后，z组日产气量仍处于偏低水平，说明好氧水解预处理可显著提高玉米秸秆在厌氧发酵中、后期日产气量，提高玉米秸秆在沼气生产中利用率。

图7 不同处理组玉米秸秆日产气量曲线Fig.7Daily biogas production of different pretreatments

2.4.2 累积产气量

不同处理组累积产气量如图8所示，由图8可知，5组在厌氧发酵周期结束时累积产气量顺序为好氧水解8 h组＞16 h组＞24 h组＞32 h组＞z组＞40 h组，其中，好氧水解8 h组水解时间较短，玉米秸秆中总有机物损失率仅4%。

在发酵前期，好氧水解预处理组与z组累积产气量差异不大，原因是好氧水解过程导致一部分半纤维素、纤维素和易于降解有机物损失。因此与z组相比，前期将会损失一部分可产气有机物。随厌氧发酵，易被降解有机物逐渐减少，各组累积产气量差距逐渐增大，z组因无好氧水解过程，木质纤维素结构致密，微生物难以与纤维素和半纤维素接触，产气量下降，而好氧水解处理组因在好氧水解阶段打破玉米秸秆中纤维素、半纤维素外部屏障—木质素，纤维素和半纤维素和微生物充分接触并被降解，使在厌氧反应中、后期各组累积产气量差距逐渐增大。其中，经过好氧水解处理玉米秸秆虽会因木质素降解而释放出一部分纤维素和半纤维素，但随着好氧水解时间延长，造成有机物过度损失，降低玉米秸秆累积产气量，导致在一定好氧水解时间后，随好氧水解时间延长，玉米秸秆累积产气量下降并于好氧水解40 h时累积产气量低于z组。

2.4.3 甲烷含量

甲烷含量决定沼气热值[22]。各组在厌氧发酵时日产气量中甲烷含量见图9。

由图9可知，整个发酵过程中各组甲烷含量均先迅速增加，在第4～6天后甲烷含量增速降低并在第12～15天时达峰值，在15 d后，因无物料补充甲烷菌活性降低，各组甲烷质量分数开始下

降，保持在50%～70%。其中，在前4天，除第1天外，z组甲烷质量分数稍高于好氧水解组，好氧水解40 h组甲烷含量最低；在第4天后，各组甲烷含量相差不大，好氧水解组甲烷含量稍高于z组，稳定在60%～70%。说明好氧水解预处理可有效提高厌氧发酵中、后期甲烷含量。z组甲烷含量于第4天达甲烷质量分数最大值，而好氧水解处理组则相对滞后，因前期好氧水解过程中，易被产甲烷菌利用小分子物质先一步被好氧菌利用，使产甲烷发酵启动延迟。在厌氧发酵中、后期，厌氧发酵反应体系中因木质素屏蔽作用而无法被甲烷菌利用，纤维素和木质素通过好氧水解处理释放出一部分，提高厌氧发酵反应中可被利用有机物含量，从整体上提高玉米秸秆厌氧发酵

产甲烷效率。

图8 不同处理组累积产气量曲线Fig.8Cumulative biogas production of different treatments

图9 不同处理组甲烷质量分数变化曲线Fig.9Methane concentrations of different treatments

由图8和图9可知，湿法好氧水解预处理可在提高玉米秸秆累积产气量同时提高每日生产沼气中甲烷含量，有效提高单位质量玉米秸秆产甲烷量。

2.4.4 TS、VS产气率及产甲烷率

好氧水解预处理对玉米秸秆TS、VS产气率及产甲烷率影响如图10所示。

图10 不同处理组TS、VS产气及产甲烷率Fig.10Biogas yield and methane yield of different treatments

由图10可知，好氧水解8、16、24、32 h组TS产气率和VS产气率高于z组TS产气率和VS产气率，好氧水解40 h组因过度水解使其TS产气率和VS产气率低于z组TS产气率和VS产气率。其中，好氧水解组中TS、VS产气率最高时刻为好氧水解8 h时，分别可达286.33、306.96 mL·g-1，比z组提高28.4%。因此，湿法好氧水解预处理可以显著提高玉米秸秆利用率，提高单位质量玉米秸秆厌氧发酵产沼气气体体积。

由图10可知，好氧水解8、16、24、32 h组TS产甲烷率和VS产甲烷率高于z组，好氧水解40 h组因过度水解使其TS产甲烷率和VS产甲烷率低于z组。好氧水解组中TS、VS产甲烷率最高值产生于好氧水解8 h时，分别可达163.11、174.87 mL· g-1，比z组提高29%。因此，经好氧水解处理玉米秸秆在厌氧发酵过程中可有效提高单质量位玉米秸秆产能效率。

3 结论

好氧水解能够有效破坏玉米秸秆木质素结构，获得较高木质素降解率，在44℃时，木质素降解速率最快，好氧水解8 h时木质素降解率为15.79%，好氧水解40 h时总降解量49.5%。对反应体系搅拌供气可明显减少玉米秸秆水解时间。

玉米秸秆湿法好氧水解8 h并辅以搅拌，可显著提高玉米秸秆TS产气量和产甲烷量，使其分别提高28.4%和29%，解决干法好氧水解玉米秸秆水解时间过长、有机物过度降解、产能低问题[23]，有效提高单位质量玉米秸秆累积产气量和产甲烷量。

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Study on aerobic hydorlysis characteristic of corn straw

LI Wenzhe1,CAOLan1,LUO Lina1,WEI Donghui2,SONG Xinyue1,GONG Weijia1(1.School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.School of Electrical and Information Engineering, NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)

The limiting step on pretreatment of straw biogas was lignocellulose hydrolysis.The main factor of hindering hydrolysis was destroy the shielding function of lignocellulose effect on the cellulose and hemicellulose,and the degradation of lignin must oxygen condition.Therefore,in order to improve corn stalk biocompatibility,it needed to aerobic hydrolysis preprocessing before anaerobic fermentation to corn straw. In this paper,aerobic hydrolysis and anaerobic fermentation experiment with the reaction system TS as 10%; aerobic hydrolysis temperature was 35,38,41,44,47℃;aerobic hydrolysis time was 8,16,24,32,40 h. The results showed that lignocellulose structure of corn straw is damaged by aerobic hydrolysis,the degradation rate of the lignocellulose was higher.In the aerobic hydrolysis temperature was 44℃,aerobic hydrolysis time was 8 h conditions that lignin degradation by 15.79%,account for 49.5%of aerobic hydrolysis 40 h.Under the optimum conditions,loss of the total organic compounds was only 4%.The highest biogas yield and methane yield of TS increased by 28.4%and 29%,than the anaerobic fermentation without any aerobic hydrolysis pretreatment.

corn straw;aerobic hydrolysis;lignocellulose

TK6；S216.4

A

1005-9369（2016）10-0041-10

时间2016-10-28 8:22:03[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20161028.0822.004.html

2016-06-14

“十二五”农村领域国家科技支撑计划资助项目（2014BAD02B04）；东北农业大学博士启动基金（2012RCB72）；哈尔滨市应用技术研究与开发项目（2013RFQXJ094）

李文哲（1955-），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为生物质能源生产与利用技术。E-mail：liwenzhe9@163.com