李国栋， 赵圣国， 方 伟， 苏效双， 杜兵耀， 贡笑笑， 赵国琦*

（1.扬州大学动物科学与技术学院，江苏扬州225009；2.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所动物营养学国家重点实验室，北京海淀100193）

响应面法优化玉米秸秆饲料的蒸汽爆破加工工艺

李国栋1，2， 赵圣国2， 方 伟1， 苏效双1， 杜兵耀2， 贡笑笑1， 赵国琦1*

（1.扬州大学动物科学与技术学院，江苏扬州225009；2.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所动物营养学国家重点实验室，北京海淀100193）

为了确定蒸汽爆破预处理玉米秸秆饲料的最优反应条件，以汽爆玉米秸秆还原糖得率为指标，根据Box-Behnken试验设计原理，分析了蒸汽压强、维压时间和预浸水分含量对玉米秸秆还原糖得率的影响，并建立了数学模型。结果表明：蒸汽压强和维压时间对汽爆玉米秸秆水解还原糖得率有显著影响（P＜0.01），水分预浸增强了秸秆预处理效果。在考虑实际生产与汽爆后秸秆饲料感官特性前提下，最优汽爆条件为蒸汽压强2.2 MPa，维压时间200 s，预浸水分含量10%的条件下，汽爆玉米秸秆的还原糖得率可达4.33%。

玉米秸秆；蒸汽爆破；还原糖得率；响应面

玉米秸秆作为常见的中低质粗饲料，具有中性洗涤纤维（NDF）含量高，纤维木质化程度高，粗蛋白质（CP）含量相对较低，消化率低，适口性差等特点。直接饲喂对反刍动物来说营养价值低，制约了反刍动物生产水平的提高，限制了秸秆的广泛使用（李胜利等，2014）。通过物理、化学和生物等处理方法，破坏秸秆的纤维结构，使其更容易降解为反刍动物需要的糖类等物质，可缓解我国畜牧业饲草不足的现状（张文举等，2001）。

秸秆饲料常见的处理方法包括粉碎、碱化、氨化和青贮等。这些方法在提高秸秆适口性的同时，存在着能耗高、环境污染等问题。蒸汽爆破具有处理时间短、使用范围广、化学试剂添加少、无污染等优点，且能有效促进纤维成分在动物体内的吸收与转化，被认为是提高秸秆饲用价值的有效途径之一（Chang等，2012）。Viola等（2008）和Jin等（1998）的研究表明，蒸汽爆破可显著提高秸秆饲料的瘤胃消化率，但在不同的汽爆工艺条件下，秸秆的消化率有显著差别。因此探索实际生产中适合玉米秸秆饲料的汽爆工艺条件，对解决玉米秸秆利用率低以及开发具有较高营养成分吸收率的玉米秸秆饲料具有重要的应用价值。

1 材料方法

1.1 试验材料 玉米秸秆来自于河南省商丘市郊区，烘干粉碎至2～10 mm，室温密封储存。

1.2 玉米秸秆的蒸汽爆破处理 准确称取50 g（干物质基础）样品，将一定量水雾化均匀喷洒在试样上，然后装入塑料袋密封，室温条件下浸润约12 h。将试样进行蒸汽爆破预处理（本试验使用的爆破设备是由鹤壁市正道重型机械厂研发的QBS-80B蒸汽爆破试验台），收集汽爆后的物料，于65℃烘干至恒重备用。

1.3 还原糖提取液的制备和测定 称取2.0 g汽爆后秸秆样品于锥形瓶中，加入40 mL蒸馏水，混匀，于40℃恒温水提2 h，搅拌，使还原糖浸出。采用真空泵抽滤，将滤液收集在50 mL容量瓶中，蒸馏水定容至刻度即为还原糖提取液。采用3，5-二硝基水杨酸法（DNS比色法）测定还原糖含量。

还原糖得率/%=（提取液体积×还原糖质量浓度）/样品质量×100。

1.4 试验设计 以玉米秸秆汽爆后的感官品质为目标，进行初步试验，来确定蒸汽压强、维压时间、预浸水分含量的取值范围。当蒸汽压强低于1.0 MPa时，爆破后的玉米秸秆撕裂效果不明显；高于2.2 MPa时，爆破后的秸秆气味焦糊、出现结块、甚至成浆状。爆破前秸秆经过水分浸润可以使其形体充分爆开，避免焦糊气味的产生。同时合理的维压时间，既能保证秸秆营养成分吸收率的提高，又能最大限度节约能源，提高生产效率。根据Box-Behnken试验设计原理 （Zdravko等，2016），在单因素试验基础上，以蒸汽压强（X1）、维压时间（X2）、预浸水分含量（X3）为参数，以秸秆水解还原糖得率为响应值（Y），每个因素取3个水平，以（-1，0，1）编码。试验因素编码和水平见表1。

表1 试验设计因素及编码水平

2 结果与分析

2.1 Box-Behnken设计与结果 根据 Box-Behnken试验设计原理，设计了18个试验点的相应面分析试验，其中12个析因点，零点试验重复6次，用以估计误差。试验方案和结果见表2。

2.2 二次回归模型建立与方差分析 应用Design Expert进行回归拟合分析，可得到汽爆参数条件与干物质体外降解率之间的二次多项式模型为：

式中，Y为秸秆还原糖得率预测值；X1、X2、X3分别为蒸汽压强、维压时间、水分含量的编码值。

表2 Box-Behnken响应面试验设计及结果

对回归方程进行方差分析及回归系数显著性检验，由表3可知，回归模型具有高度的显著性（P=0.0006＜0.01），相关系数R2=0.9397，失拟项具有不显著性（P=0.0574＞0.05），说明该模型是稳定的。在显著水平（P＜0.05）条件下，基于回归方程的因素显著性分析，回归模型中一次项X1（蒸汽压强）（P＜0.0001）和X2（维压时间）（P=0.0007）表现极显著，X3（水分含量）（P=0.3887）不显著；交互项X1X2表现极显著，X1X3、X2X3不显著；二次项X32表现极显著，X12显著，X22不显著。F值反映各因素对汽爆秸秆水解还原糖产量的影响程度，其值越大，影响程度越大。根据F值可知，各因素对汽爆秸秆水解还原糖产量影响大小依次是蒸汽压强＞维压时间＞水分含量。

2.3 还原糖产量响应面分析 图1～3分别显示水分含量、维压时间和蒸汽压强取零水平时，另外2个因素对秸秆水解还原糖得率的影响。从图1可以看出，在蒸汽压强一定时，随着维压时间的增加，还原糖得率呈先增加后基本稳定的趋势。维压时间一定时，还原糖得率随着蒸汽压强的增加而增加。相对维压时间，蒸汽压强对水解还原糖得率影响较大，其产量的速率变化快。从图2可以看出，在蒸汽压强一定时，随着水分的增加，还原糖得率先降低而后又有所增加。从图3中看出，随着水分的增加秸秆水解还原糖产量曲线较为平缓，其对汽爆后秸秆的水解没有显著影响。

表3 响应面结果方差分析

图1 蒸汽压强和维压时间对还原糖得率的响应面图

图2 蒸汽压强和水分含量对还原糖得率的响应面图

2.4 最佳工艺条件的确定与验证 通过回归模型预测，得到蒸汽爆破预处理玉米秸秆饲料的最优条件为：蒸汽压强2.2 MPa，维压时间200 s，预浸水分含量10%。此时，汽爆秸秆水解还原糖产量最大为4.33%。在此条件下进行3次试验验证，还原糖产量为4.27%，与理论预测值4.33%误差值仅为1.39%，证实了该模型的有效性。

图3 维压时间和水分含量对还原糖得率的响应面图

3 讨论

响应面法试验设计与正交设计相比，在分析几种因素间的交互作用时，能较全面地反映各因素水平的效果并能减少试验次数。本试验利用响应面分析法建立了以还原糖得率为响应值的工艺数学模型，并在此基础上进行了工艺优化模拟。变异系数（CV）反映模型的置信度，CV值越低，模型的置信度越高。当CV＜10%时，模型可被认为是合适的（Granato等，2013）。本试验的CV为9.21%，说明置信度较高，模型方程能较好地反映真实的试验值。模型方程的拟合度可以通过相关系数R2来验证（Romero等2016）。本试验模型R2=0.9397，说明93.97%的还原糖变异分布在试验研究的三因素中，模型方程的拟合度较好，试验误差较小，可以用该回归方程代替真实结果进行分析。

蒸汽爆破是利用饱和水蒸汽加热生物质原料至一定压力，使高压蒸汽渗入纤维内部，然后骤然减压，蒸汽从物料孔隙中释放出来，使生物质原料发生机械断裂和化学变化的预处理手段 （常娟等，2011）。本试验结果表明，蒸汽压强和维压时间对还原糖得率有显著影响（P＜0.01），蒸汽压强和维压时间的增加促进了还原糖得率的提高。可能是由于生物质原料在高温高压环境下，木质素被软化；瞬间的减压，使纤维细胞间的结晶减弱，木质素部分降解，从而提高秸秆水解效果。此外，高温高压会使半纤维素中的乙酰基团转化为乙酸，乙酸有催化半纤维素中糖苷键水解的作用，使得纤维素的可及度增加（Chen等，2015）。同时高温高压可使部分纤维降解为可溶性糖、有机酸、酚醛类化合物等易消化的小分子物质，使秸秆的理化结构发生变化（Sarkar等，2012）。任天宝等（2011）研究发现，维压时间和蒸汽压强对汽爆玉米秸秆水解还原糖产量有显著影响（P＜0.05），碳酸氢铵的添加增强了秸秆汽爆处理效果。李斌等（2013）试验结果表明，压力、时间因素对汽爆水稻秸秆水解还原糖产量影响极显著（P＜0.01），水分因素影响显著（P＜0.05）。水的浸润能使纤维发生一定的润胀，使汽爆时水蒸气渗入强度加大，水合作用增强，从而提高预处理效果（Brownell等，1986）。以上结果与本试验结果一致。López等（2015）认为维压时间对汽爆油菜秸秆的水解过程没有显著影响。而本试验发现，蒸汽压强与维压时间的交互作用以及蒸汽压强与预浸水分含量的交互作用对汽爆后秸秆的还原糖得率有显著影响（P＜0.01）。这种差异可能与秸秆类型以及响应值种类等因素有关。

4 结论

4.1 汽爆处理是一种较好的玉米秸秆饲料加工方式。本试验条件下，蒸汽压强2.2 MPa，维压时间200 s，预浸水分含量10%是较优的加工工艺条件，此时汽爆玉米秸秆的还原糖得率可达4.33%。

4.2 在本试验设计因素范围内，蒸汽压强和维压时间是影响蒸汽爆破处理的重要因素，水分的预浸增强了秸秆预处理效果。

[1]常娟，尹清强，任天宝，等.蒸汽爆破预处理和微生物发酵对玉米秸秆降解率的影响[J].农业工程学报，2011，27（4）：277～280.

[2]李彬，高翔，孙倩，等.水稻秸秆饲料的汽爆加工工艺研究[J].南京农业大学学报，2013，4：127～132.

[3]李胜利，史海涛，曹志军，等.粗饲料科学利用及评价技术[J].动物营养学报，2014，26（10）：3149～3158.

[4]任天宝，马孝琴，徐桂转，等.响应面法优化玉米秸秆蒸汽爆破预处理条件[J].农业工程学报，2011，27（9）：282～286.

[5]张文举，王加启，龚月生，等.秸秆饲料资源开发利用的研究进展[J].中国畜牧兽医，2001，28（3）：15～18.

[6]Brownell H H，Yu E K C，Saddler J N.Steam-explosion pretreatment of wood：effect of chip size，acid，moisture content and pressure drop[J].Biotechnology&Bioengineering，1986，28（6）：792～801.

[7]Chang J，Wei C，Yin Q，et al.Effect of steam explosion and microbial fermentation on cellulose and lignin degradation of corn stover[J].Bioresource Technology，2012，104（1）：587～592.

[8]Chen H Z，Liu Z H.Steam explosion and its combinatorial pretreatment refining technology of plant biomass to bio-based products[J].Biotechnology Journal，2015，10（6）：866～885.

[9]Granato D，Calado V M D A，Jarvis B.Observations on the use of statistical methods in Food Science and Technology[J].Food Research International，2013，55（2）：137～149.

[10]Jin H，Hamana K，Hishinuma M，et al.Effect of Steam-Explosion of Wheat Straw on its Chemical Composition and Ruminal Degradation Characteristics[J].Nihon Chikusan Gakkaiho，1998，69（3）：293～298.

[11]López-Linares J C，Ballesteros I，Tourán J，et al.Optimization of uncatalyzed steam explosion pretreatment of rapeseed straw for biofuel production [J].Bioresource Technology，2015，190：97～105.

[12]Romero-García J M，Lama-Muñoz A，Rodríguez-Gutiérrez G，et al. Obtaining sugars and natural antioxidants from olive leaves by steam-explosion[J].Food Chemistry，2016，210：457～465.

[13]Sarkar N，Ghosh S K，Bannerjee S，et al.Bioethanol production from agricultural wastes：An overview[J].Renewable Energy，2012，37（1）：19～27.

[14]Viola E，Zimbardi F，Cardinale M，et al.Processing cereal straws by steam explosion in a pilot plant to enhance digestibility in ruminants[J].Bioresource Technology，2008，99（4）：681～689.

[15]Yu Z，Zhang B，Yu F，et al.A real explosion：The requirement of steam explosion pretreatment[J].Bioresource Technology，2012，121（121）：335～41.

[16]Zdravko Šumicó，Anita Vakula，Aleksandra Tepicó，et al.Modeling and optimization of red currants vacuum drying process by response surface methodology（RSM）[J].Food Chemistry，2016，203：465～475.■

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

江苏省农业三新工程项目（SXGC[2016]326）

*通讯作者