猪粪便不同酸糖化预处理及其酶解条件研究

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第 34 卷
从总体上来说 , 由于草酸和醋酸属于弱酸, 酸性更 弱, 导致草酸和醋酸对畜禽粪便的预处理效果弱于上面 3 种强酸和中强酸并和强酸的处理效果具有较大的差异 . 由此可以看出, 对猪粪便进行酸预处理时, 强酸优于中 强酸和弱酸, 其中, 又以 5% 盐酸对样品进行预处理效果 最好, 同时该处理优于李静等 [ 5] 报道的超声波联合碱预 处理猪粪便的还原糖得率( 21 47% ) . 因而 , 后续猪粪便 酶解就采用 5% 的盐酸预处理猪粪便后的残渣进行酶解 试验研究 . 2 3 图 2 不同弱酸对猪粪便预处理的影响
猪粪便盐酸预处理后酶解条件研究 对 5% 的盐酸、110 下预处 理猪粪便 4h 后的残渣进行酶解试 验时, 酶解还原糖得率在 6 62% ~
11 26% 之间, 平均为 8 39% . 根据猪粪便酸预处理酶解正交试验结果的直观分析可以看出 ( 表 3) , 影响最 显著的因素是酶用量 , 其次是底物浓度和酶解温度, 而 pH 值对酶解试验的影响最小, 最佳试验水平组合为 A1 B3 C 3 D2 , 也就是酶解温度 45 、 酶用量 300 mg/ g 、 底物浓度 15 g/ L 和 pH 4 8 为最佳酶解条件. 方差分析表明 ( 表 4) , 酶用量和底物浓度两个因子对盐酸预处理后的猪粪便酶解的影响达极显著水平, 而酶解温度和 pH 对猪粪便酶解的影响不显著. 因而酶用量和底物浓度是影响猪粪便酶解的主要因素 . 表3
第 34 卷 Vol 34
第4期 No 4
西 南 师 范 大 学 学 报 ( 自然科学版 ) Journal of Southwest China Normal Universit y ( Natural Science Edition)
2009 年 8 月 A ug 2009
文章编号 : 1000 5471( 2009) 04 0102 04
试验号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 T1 T2 T3 x1 x2 x3 R 酶解温度 / A 1 1 1 2 2 2 3 3 3 26 29 23 61 25 62 8 76 7 87 8 54 0 89
酶解正交试验结果的直观分析
L- 1 ) 底物浓度 / ( g C 1 2 3 2 3 1 3 1 2 22 61 23 72 29 19 7 54 7 91 9 73 2 19 L- 1) pH D 1 2 3 3 1 2 2 3 1 24 33 26 37 24 82 8 11 8 79 8 27 0 68 B 1 2 3 1 2 3 1 2 3 24 19 22 33 29 00 8 06 7 44 9 67 2 22 还原糖得率 / % 7 30 7 73 11 26 6 94 7 98 8 69 9 95 6 62 9 05
[ 1] [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] [ 7] [ 8] [ 9] 朱娟玉 , 李正山 , 邓良伟 . 猪粪水特性的研究 [ J] . 安徽农业科学 , 2008, 36( 4) : 1578- 1579, 1588. 赵本领 , 赵才光 , 薛 凌 李 娟, 李 静, 凌 峰 . 如何综合利用规模化猪场猪粪尿 [ J] . 农村养殖技术 , 2007, 16: 4- 5. 静 , 刘茂昌 , 等 . 畜禽粪便污染治理的新思维 [ J] . 四川林业科技 , 2008, 29( 4) : 99- 102. 娟 , 刘茂昌 , 等 . 超声波和碱联合预处理对 畜禽粪便乙 醇化的比 较研究 [ J] . 重庆师范 大学学报 ( 自然 科
第4期
桑
宇 , 等: 猪粪便不同酸糖化预处理及其酶解条件研究 表1 禽畜粪便的主要成分
半纤维素 22 88 木质素 21 57 灰分 16 21
103
组成 含量 / %
纤维素 32 08
1 2
试验方法 称取一定量的鲜禽畜粪便到 200 m L 的试管中 ( 称准至 0 001 g) , 加入一定量的强酸 ( 硫酸、盐酸和磷
测定方法 纤维素、半纤维素、 木质素、灰分的测定 见文献 [ 8] , 预处理滤液中还原糖采 用 3, 5 二硝基水杨酸 0 9/ ( 预处理干物重 畜禽粪便
( DNS) 比色法测定 , 其反应式如下. 粪便还原糖得率( % ) = [ 还原糖浓度 纤维质含量) ] 100%
[ 9]
.
2
结果与讨论
2 1 强酸和中强酸对猪粪便预处理还原糖得率的影响 从图 1 中可以看出, 在不同浓度的硫酸、盐酸和磷酸预处理下 , 猪粪便还原糖含量随着酸浓度的增加 而逐渐增大 , 在酸浓度达到 5% 时 , 还原糖含量增长 趋势出现峰值, 然后趋于平缓或有所下降. 从经济角 度考虑, 5% 酸浓度为较为理想的预处理浓度, 在此 条件下, 硫酸、 盐酸和磷酸预处理后猪粪便还原糖含 量分别达到 44 62% , 46 41% 和 8 61% . 这说明 , 处 理效果最好的是盐酸 , 硫酸次之 , 而采用磷酸对猪粪 便进行预处理效果不太理想, 这主要与几种酸的酸 性强弱有关, 盐酸和硫酸为强酸 , 预处理效果差异较 小, 而磷酸为中强酸, 酸性较弱 , 处理效果也较差 . 2 2 弱酸对猪粪便预处理还原糖得率的影响 草酸和醋酸对畜禽粪便的预处理结果如图 2 所 图1 不同强酸对猪粪便预处理的影响
1 2 1 猪粪便不同酸预处理 酸) , 浓度系列分别为 0% , 1% , 2% , 3% , 5% , 7% 和弱酸: 草酸 ( 浓度分别为 0% , 1% , 2% , 5% , 10% , 15% ) 和醋酸( 浓度分别为 0% , 5% , 10% , 15% , 20% , 30% ) , 用去离子水稀释到 25 m L, 摇匀 , 在试管上放置一小 漏斗 , 置于控温式远红外消煮炉中, 在 110 1 2 2 猪粪便的酶解条件研究 采用正交设计, 选用酶解温度、酶用量、底物浓度、pH 值作为影响酶解处理的主要因素, 采用 L 9 ( 3 ) 正交设计表, 共进行 9 个处理, 进行酶解正交试验, 探究影响猪粪便酶解的因素. 称取一定量的最佳酸预 处理后的畜禽粪便, 加入装有柠檬酸与柠檬酸钠缓冲液的 250 mL 三角瓶, 加入一定量的纤维素酶, 然后将 三角瓶放入振荡器中 , 在设定的温度下, 水解糖化 24 h. 然后加热至 100 约 3 m in 使酶变性 , 冷却至室 温, 离心取上清液进行还原糖测定. 表2
猪粪便不同酸糖化预处理及其酶解条件研究
桑 宇, 徐静静2 ,
1
李 静 , 何 咏2 ,
2, 3
凌 娟, 刘兴礼2 ,
2
晏飞来 , 张莲姬2
2
1 重庆医科大学 药学院 , 重庆 400016; 2 西南大学 资源环境学院 , 重庆 400716; 3 重庆市农业资源与环境研究重点实 验室 , 重 庆 400716 摘要 : 探讨了几种酸对猪粪便糖化预处理和预处理后的猪粪便 酶解条件的 影响 . 结果表 明 : 强酸预处 理猪粪便 优 于中强酸和弱酸 , 而 5% 盐 酸在 110 预处理猪粪便 4 h 可 以使还原 糖含量达 到 46 41% . 盐酸预 处理猪粪 便后 , 、酶用量 300 mg / L 、底物 浓 影响其酶解的主要因素是酶用量和底物浓度 , 酶解试验的最佳条件为酶解温度 45 度 15 g/ L 和 pH 4 8. 酶解还原糖含量达到 11 26% . 关 键 词 : 酸预处理 ; 猪粪便 ; 糖化 ; 酶解 文献标识码 : A 中图分类号 : Q814 9
示, 温度 110 下预处理 4 h 时 , 猪粪便还原糖得率随着酸浓度增加而逐渐增大 , 草酸在浓度为 2% 时达到 峰值 , 然后随着酸浓度增加而逐渐降低 ; 而醋酸在酸浓度达到 20% 时开始趋于平缓, 还原糖得率分别为 9 83% 和 7 38% .
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西南师范大学学报 ( 自然科学版)
水平 1 2 3 酶解温度 / A 45 50 55
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下预处理 4 h. 预处理后的溶液过滤 , 测定滤液还原糖含量 .
猪粪便酶解正交设计
酶用量 / ( mg B 100 200 300 L- 1 ) 底物浓度 / ( g C 5 10 15 L- 1 ) pH 值 D 4 4 4 8 5 2
1 3
随着养猪业的迅速发展, 规模化、 集约化已成为养猪业发展的必然趋势 , 与传统的农户分散饲养、户 营为主相比, 规模化、集约化的饲养方式有利于提高生猪的饲养技术、防疫能力、管理水平、生产效率, 同 时可以降低生产成本 , 提高经济效益[ 1] . 但是, 这种封闭式的集中饲养方式造成了猪粪尿过度集中和冲洗 用水大量增加, 而且为了运输方便, 规模化养猪场大多建在城市郊区 , 没有足够的农田来消纳大量的养殖 粪尿污水[ 2] , 加之畜禽粪便的长期均衡产出与农业生产的季节性用肥不相一致等[ 3] , 或因人为因素不加以 利用 , 粪污任意堆放和排放 , 猪粪尿污水对环境的污染和影响已成为世界各国面临的共同问题 . 中国是养 猪大国, 每年来自猪养殖过程中的粪尿也很多, 2001 年就达到了 48 245 1 10 t , 约为当年全国畜禽粪尿 总量的 1/ 4[ 4] , 如果不加以适当的无害化处理, 势必对周围的大气、水体、土壤及农作物等造成严重的污 染, 造成养分的大量损失, 也制约了养猪业的进一步发展, 因此 , 探索猪粪无害化处理方法和综合利用途 径势在必行 . 其实 , 畜禽粪便中含有丰富的纤维质资源 , 可以作为制取乙醇的原料 . 畜禽粪便乙醇化研 [ 6, 7] [ 5] 究在国外已开始有初步报道 ; 在国内 , 李静等 也初步探索了超声波和碱联合预处理猪粪便乙醇化研 究, 为治理猪粪便带来的环境污染问题开辟了新的思路 , 也是解决未来能源和资源短缺问题的重要途径. 本文对猪粪便糖化预处理和酶解阶段进行详细的基础研究 , 确定最优的猪粪便不同酸糖化预处理和酶解工 艺条件, 以期为解决规模化养猪业带来的环境污染问题提供基础数据.