響應(yīng)面法優(yōu)化玉米秸稈飼料的蒸汽爆破加工工藝

李國棟， 趙圣國， 方 偉， 蘇效雙， 杜兵耀， 貢笑笑， 趙國琦*

（1.揚州大學(xué)動物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇揚州225009；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所動物營養(yǎng)學(xué)國家重點實驗室，北京海淀100193）

響應(yīng)面法優(yōu)化玉米秸稈飼料的蒸汽爆破加工工藝

李國棟1，2， 趙圣國2， 方 偉1， 蘇效雙1， 杜兵耀2， 貢笑笑1， 趙國琦1*

（1.揚州大學(xué)動物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇揚州225009；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所動物營養(yǎng)學(xué)國家重點實驗室，北京海淀100193）

為了確定蒸汽爆破預(yù)處理玉米秸稈飼料的最優(yōu)反應(yīng)條件，以汽爆玉米秸稈還原糖得率為指標(biāo)，根據(jù)Box-Behnken試驗設(shè)計原理，分析了蒸汽壓強、維壓時間和預(yù)浸水分含量對玉米秸稈還原糖得率的影響，并建立了數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明：蒸汽壓強和維壓時間對汽爆玉米秸稈水解還原糖得率有顯著影響（P＜0.01），水分預(yù)浸增強了秸稈預(yù)處理效果。在考慮實際生產(chǎn)與汽爆后秸稈飼料感官特性前提下，最優(yōu)汽爆條件為蒸汽壓強2.2 MPa，維壓時間200 s，預(yù)浸水分含量10%的條件下，汽爆玉米秸稈的還原糖得率可達4.33%。

玉米秸稈；蒸汽爆破；還原糖得率；響應(yīng)面

玉米秸稈作為常見的中低質(zhì)粗飼料，具有中性洗滌纖維（NDF）含量高，纖維木質(zhì)化程度高，粗蛋白質(zhì)（CP）含量相對較低，消化率低，適口性差等特點。直接飼喂對反芻動物來說營養(yǎng)價值低，制約了反芻動物生產(chǎn)水平的提高，限制了秸稈的廣泛使用（李勝利等，2014）。通過物理、化學(xué)和生物等處理方法，破壞秸稈的纖維結(jié)構(gòu)，使其更容易降解為反芻動物需要的糖類等物質(zhì)，可緩解我國畜牧業(yè)飼草不足的現(xiàn)狀（張文舉等，2001）。

秸稈飼料常見的處理方法包括粉碎、堿化、氨化和青貯等。這些方法在提高秸稈適口性的同時，存在著能耗高、環(huán)境污染等問題。蒸汽爆破具有處理時間短、使用范圍廣、化學(xué)試劑添加少、無污染等優(yōu)點，且能有效促進纖維成分在動物體內(nèi)的吸收與轉(zhuǎn)化，被認為是提高秸稈飼用價值的有效途徑之一（Chang等，2012）。Viola等（2008）和Jin等（1998）的研究表明，蒸汽爆破可顯著提高秸稈飼料的瘤胃消化率，但在不同的汽爆工藝條件下，秸稈的消化率有顯著差別。因此探索實際生產(chǎn)中適合玉米秸稈飼料的汽爆工藝條件，對解決玉米秸稈利用率低以及開發(fā)具有較高營養(yǎng)成分吸收率的玉米秸稈飼料具有重要的應(yīng)用價值。

1 材料方法

1.1 試驗材料 玉米秸稈來自于河南省商丘市郊區(qū)，烘干粉碎至2～10 mm，室溫密封儲存。

1.2 玉米秸稈的蒸汽爆破處理 準(zhǔn)確稱取50 g（干物質(zhì)基礎(chǔ)）樣品，將一定量水霧化均勻噴灑在試樣上，然后裝入塑料袋密封，室溫條件下浸潤約12 h。將試樣進行蒸汽爆破預(yù)處理（本試驗使用的爆破設(shè)備是由鶴壁市正道重型機械廠研發(fā)的QBS-80B蒸汽爆破試驗臺），收集汽爆后的物料，于65℃烘干至恒重備用。

1.3 還原糖提取液的制備和測定 稱取2.0 g汽爆后秸稈樣品于錐形瓶中，加入40 mL蒸餾水，混勻，于40℃恒溫水提2 h，攪拌，使還原糖浸出。采用真空泵抽濾，將濾液收集在50 mL容量瓶中，蒸餾水定容至刻度即為還原糖提取液。采用3，5-二硝基水楊酸法（DNS比色法）測定還原糖含量。

還原糖得率/%=（提取液體積×還原糖質(zhì)量濃度）/樣品質(zhì)量×100。

1.4 試驗設(shè)計 以玉米秸稈汽爆后的感官品質(zhì)為目標(biāo)，進行初步試驗，來確定蒸汽壓強、維壓時間、預(yù)浸水分含量的取值范圍。當(dāng)蒸汽壓強低于1.0 MPa時，爆破后的玉米秸稈撕裂效果不明顯；高于2.2 MPa時，爆破后的秸稈氣味焦糊、出現(xiàn)結(jié)塊、甚至成漿狀。爆破前秸稈經(jīng)過水分浸潤可以使其形體充分爆開，避免焦糊氣味的產(chǎn)生。同時合理的維壓時間，既能保證秸稈營養(yǎng)成分吸收率的提高，又能最大限度節(jié)約能源，提高生產(chǎn)效率。根據(jù)Box-Behnken試驗設(shè)計原理 （Zdravko等，2016），在單因素試驗基礎(chǔ)上，以蒸汽壓強（X1）、維壓時間（X2）、預(yù)浸水分含量（X3）為參數(shù)，以秸稈水解還原糖得率為響應(yīng)值（Y），每個因素取3個水平，以（-1，0，1）編碼。試驗因素編碼和水平見表1。

表1 試驗設(shè)計因素及編碼水平

2 結(jié)果與分析

2.1 Box-Behnken設(shè)計與結(jié)果 根據(jù) Box-Behnken試驗設(shè)計原理，設(shè)計了18個試驗點的相應(yīng)面分析試驗，其中12個析因點，零點試驗重復(fù)6次，用以估計誤差。試驗方案和結(jié)果見表2。

2.2 二次回歸模型建立與方差分析 應(yīng)用Design Expert進行回歸擬合分析，可得到汽爆參數(shù)條件與干物質(zhì)體外降解率之間的二次多項式模型為：

式中，Y為秸稈還原糖得率預(yù)測值；X1、X2、X3分別為蒸汽壓強、維壓時間、水分含量的編碼值。

表2 Box-Behnken響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果

對回歸方程進行方差分析及回歸系數(shù)顯著性檢驗，由表3可知，回歸模型具有高度的顯著性（P=0.0006＜0.01），相關(guān)系數(shù)R2=0.9397，失擬項具有不顯著性（P=0.0574＞0.05），說明該模型是穩(wěn)定的。在顯著水平（P＜0.05）條件下，基于回歸方程的因素顯著性分析，回歸模型中一次項X1（蒸汽壓強）（P＜0.0001）和X2（維壓時間）（P=0.0007）表現(xiàn)極顯著，X3（水分含量）（P=0.3887）不顯著；交互項X1X2表現(xiàn)極顯著，X1X3、X2X3不顯著；二次項X32表現(xiàn)極顯著，X12顯著，X22不顯著。F值反映各因素對汽爆秸稈水解還原糖產(chǎn)量的影響程度，其值越大，影響程度越大。根據(jù)F值可知，各因素對汽爆秸稈水解還原糖產(chǎn)量影響大小依次是蒸汽壓強＞維壓時間＞水分含量。

2.3 還原糖產(chǎn)量響應(yīng)面分析 圖1～3分別顯示水分含量、維壓時間和蒸汽壓強取零水平時，另外2個因素對秸稈水解還原糖得率的影響。從圖1可以看出，在蒸汽壓強一定時，隨著維壓時間的增加，還原糖得率呈先增加后基本穩(wěn)定的趨勢。維壓時間一定時，還原糖得率隨著蒸汽壓強的增加而增加。相對維壓時間，蒸汽壓強對水解還原糖得率影響較大，其產(chǎn)量的速率變化快。從圖2可以看出，在蒸汽壓強一定時，隨著水分的增加，還原糖得率先降低而后又有所增加。從圖3中看出，隨著水分的增加秸稈水解還原糖產(chǎn)量曲線較為平緩，其對汽爆后秸稈的水解沒有顯著影響。

表3 響應(yīng)面結(jié)果方差分析

圖1 蒸汽壓強和維壓時間對還原糖得率的響應(yīng)面圖

圖2 蒸汽壓強和水分含量對還原糖得率的響應(yīng)面圖

2.4 最佳工藝條件的確定與驗證 通過回歸模型預(yù)測，得到蒸汽爆破預(yù)處理玉米秸稈飼料的最優(yōu)條件為：蒸汽壓強2.2 MPa，維壓時間200 s，預(yù)浸水分含量10%。此時，汽爆秸稈水解還原糖產(chǎn)量最大為4.33%。在此條件下進行3次試驗驗證，還原糖產(chǎn)量為4.27%，與理論預(yù)測值4.33%誤差值僅為1.39%，證實了該模型的有效性。

圖3 維壓時間和水分含量對還原糖得率的響應(yīng)面圖

3 討論

響應(yīng)面法試驗設(shè)計與正交設(shè)計相比，在分析幾種因素間的交互作用時，能較全面地反映各因素水平的效果并能減少試驗次數(shù)。本試驗利用響應(yīng)面分析法建立了以還原糖得率為響應(yīng)值的工藝數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上進行了工藝優(yōu)化模擬。變異系數(shù)（CV）反映模型的置信度，CV值越低，模型的置信度越高。當(dāng)CV＜10%時，模型可被認為是合適的（Granato等，2013）。本試驗的CV為9.21%，說明置信度較高，模型方程能較好地反映真實的試驗值。模型方程的擬合度可以通過相關(guān)系數(shù)R2來驗證（Romero等2016）。本試驗?zāi)Ｐ蚏2=0.9397，說明93.97%的還原糖變異分布在試驗研究的三因素中，模型方程的擬合度較好，試驗誤差較小，可以用該回歸方程代替真實結(jié)果進行分析。

蒸汽爆破是利用飽和水蒸汽加熱生物質(zhì)原料至一定壓力，使高壓蒸汽滲入纖維內(nèi)部，然后驟然減壓，蒸汽從物料孔隙中釋放出來，使生物質(zhì)原料發(fā)生機械斷裂和化學(xué)變化的預(yù)處理手段 （常娟等，2011）。本試驗結(jié)果表明，蒸汽壓強和維壓時間對還原糖得率有顯著影響（P＜0.01），蒸汽壓強和維壓時間的增加促進了還原糖得率的提高。可能是由于生物質(zhì)原料在高溫高壓環(huán)境下，木質(zhì)素被軟化；瞬間的減壓，使纖維細胞間的結(jié)晶減弱，木質(zhì)素部分降解，從而提高秸稈水解效果。此外，高溫高壓會使半纖維素中的乙酰基團轉(zhuǎn)化為乙酸，乙酸有催化半纖維素中糖苷鍵水解的作用，使得纖維素的可及度增加（Chen等，2015）。同時高溫高壓可使部分纖維降解為可溶性糖、有機酸、酚醛類化合物等易消化的小分子物質(zhì)，使秸稈的理化結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（Sarkar等，2012）。任天寶等（2011）研究發(fā)現(xiàn)，維壓時間和蒸汽壓強對汽爆玉米秸稈水解還原糖產(chǎn)量有顯著影響（P＜0.05），碳酸氫銨的添加增強了秸稈汽爆處理效果。李斌等（2013）試驗結(jié)果表明，壓力、時間因素對汽爆水稻秸稈水解還原糖產(chǎn)量影響極顯著（P＜0.01），水分因素影響顯著（P＜0.05）。水的浸潤能使纖維發(fā)生一定的潤脹，使汽爆時水蒸氣滲入強度加大，水合作用增強，從而提高預(yù)處理效果（Brownell等，1986）。以上結(jié)果與本試驗結(jié)果一致。López等（2015）認為維壓時間對汽爆油菜秸稈的水解過程沒有顯著影響。而本試驗發(fā)現(xiàn)，蒸汽壓強與維壓時間的交互作用以及蒸汽壓強與預(yù)浸水分含量的交互作用對汽爆后秸稈的還原糖得率有顯著影響（P＜0.01）。這種差異可能與秸稈類型以及響應(yīng)值種類等因素有關(guān)。

4 結(jié)論

4.1 汽爆處理是一種較好的玉米秸稈飼料加工方式。本試驗條件下，蒸汽壓強2.2 MPa，維壓時間200 s，預(yù)浸水分含量10%是較優(yōu)的加工工藝條件，此時汽爆玉米秸稈的還原糖得率可達4.33%。

4.2 在本試驗設(shè)計因素范圍內(nèi)，蒸汽壓強和維壓時間是影響蒸汽爆破處理的重要因素，水分的預(yù)浸增強了秸稈預(yù)處理效果。

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Corn straw is an agricultural residue with great potential as feed for ruminants.In this study，steam explosion was carried out as a pretreatment to increase the reducing sugar yield of corn straw.Experimental statistical design and response surface methodology were used to evaluate the influence of steam pressure，process time and moisture content.The results showed that steam pressure and process time had significant effect on the reducing sugar of corn straw （P＜0.01）.Moisture content promoted the steam effect of corn straw.In the steam pressure of 2.2 MPa，process time of 200 s and moisture content of 10%conditions，the reducing sugar yield of steam-exploded corn straw was up to 4.33%．

corn straw；steam explosion；reducing sugar yield；response surface

S816.9

A

1004-3314（2017）03-0041-04

10.15906/j.cnki.cn11-2975/s.20170311

江蘇省農(nóng)業(yè)三新工程項目（SXGC[2016]326）

*通訊作者