0 引言

【研究意义】我国是香蕉生产大国^[1]，但是在收获大量香蕉产品的同时也产生了大量的香蕉杆。据统计，每年收获1 hm²香蕉就会产生大约100 t的香蕉杆^[2]，既造成巨大的生物资源浪费，又严重影响生态环境。香蕉秆等副产物含有丰富的营养和纤维^[3-4]，可用于生物质能源的开发，这对改善农村生态环境、提高香蕉产值和增加蕉农收入等均具有重要的意义。【前人研究进展】国外学者Deivanai等^[5]提取香蕉杆的纤维，测得香蕉秆纤维中的纤维素、半纤维素和木质素分别为42%、14%、8.67%，但其并未直接以香蕉杆原料为样品进行测定。Khan等^[6]对比了香蕉杆、香蕉皮、香蕉果肉和香蕉果实的产气潜力，其中香蕉杆产气能力最低，为0.256 m³/kg VS。在国内，熊月林等^[7]指出香蕉茎纤维中纤维素、半纤维素和木质素总量可达90%以上，具有广阔的开发前景。李坤等^[8]对香蕉茎的化学成分进行测定和分析，得出香蕉茎纤维的纤维素和综纤维素分别为39.12%和72.72%，木素含量低，为10.78%，这与Jústiz-Smith等^[9]研究的结果类似。【本研究切入点】香蕉杆纤维素、半纤维素和木质素含量丰富，可资源化利用；而与其他农作物秸秆相比，香蕉杆厌氧发酵产沼气的研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】在前人研究基础上^[10-13]，直接以香蕉杆原料为样品，测定香蕉杆纤维素、半纤维素和木质素的含量，并对其发酵产沼气的潜力进行研究，为香蕉杆的能源化利用提供有益参考。

1 材料与方法 1.1 材料

(1) 发酵原料

香蕉杆来源于广西大学农学院果园，去除心蕊部分，取用新鲜部分压榨去汁，一部分剪碎成5 mm×5 mm，用于厌氧发酵产沼气；另外一部分于65℃烘箱烘干，粉碎，过60目筛，用于接种物的驯化和纤维素、半纤维素和木质素的测定。玉米秸秆、水稻秸秆采集于广西大学农学院实验田基地，均取用新鲜部分，剪碎成5 mm×5 mm，用于厌氧发酵产沼气。

(2) 接种物

采取广西大学东校园碧云湖池塘底泥，取回后去除树叶等杂质，调节污泥浓度，分装置于2.5 L广口瓶，加入15 g香蕉杆粉末，用带孔橡胶塞封口，置于35℃培养箱，每天摇瓶一次，驯化周期为40 d。

(3) 试剂

重铬酸钾、浓硫酸、硝酸钙等试剂药品均为市售分析纯。

1.2 方法 1.2.1 香蕉杆纤维素、半纤维素和木质素的测定

(1) 纤维素

使用硫酸-重铬酸钾氧化法^[14]测定，具体测定步骤：称取约0.06 g香蕉杆粉末于磨口试管中，加入冰醋酸和硝酸混合液 (V:V=2:1)5 mL，沸水浴25 min，定期搅拌。取出，冷却后转移入离心管，12 000 r/min离心3 min，用蒸馏水洗涤沉淀，直至沉淀变为白色为止。加入10 mL 0.1 mol/L重铬酸钾溶液和8 mL浓硫酸，混匀，沸水浴10 min。冷却后转至锥形瓶中，用适量蒸馏水冲洗，一并倒入锥形瓶中。溶液冷却后滴加3滴试亚铁灵指示剂，用0.2 mol/L硫酸亚铁铵溶液滴定。另外单独滴定10 mL 0.1 mol/L重铬酸钾溶液和8 mL浓硫酸混合液作为空白试验。纤维素含量按下试计算：

$ 纤维素含量\left( \% \right) = \frac{{0.675k\left( {a - b} \right)}}{n} \times 100\% , $

式中，k为硫酸亚铁铵溶液的浓度，mol/L；a为空白滴定所消耗硫酸亚铁铵溶液的体积，mL；b为溶液所消耗硫酸亚铁铵溶液的体积，mL；n为所称取香蕉杆粉末的质量，g。

(2) 半纤维素

使用2 mol/L盐酸水解法测定，具体测定步骤如下：称取约0.10 g香蕉杆粉末于离心管中，加入80%硝酸钙溶液10 mL，沸水浴5 min，加入10 mL蒸馏水，冷却后12 000 r/min离心5 min，弃上清，热蒸馏水洗涤沉淀3次。向离心管加入2 mol/L盐酸10 mL，混匀，沸水浴45 min，定期搅拌。冷却后离心，将溶液转至烧杯，用2 mol/L NaOH溶液中和至恰显红玫瑰色。用布氏漏斗抽滤，洗涤滤渣，留取滤液和洗涤液混匀后测体积。取适量待测样液，用DNS法^[15]测定OD₅₄₀。以不加样品为空白对照进行以上操作，对照葡萄糖标准曲线进行分析。半纤维素含量按下式计算：

$ 半纤维素含量\left( \% \right) = \frac{{m \times \frac{{{V_0}}}{{{V_1}}}}}{n} \times 0.9 \times 100\% , $

式中，m为查标准曲线得到的葡萄糖质量，mg；V₀为滤液和洗涤液总体积，mL；V₁为测定OD₅₄₀时所用待测液体积，mL；n为所称取香蕉杆粉末的质量，g。

(3) 木质素

采用72%浓硫酸水解法测定，具体测定步骤如下：称取约0.10 g香蕉杆粉末于离心管中，加入1%冰醋酸10 mL浸泡5 min，离心弃上清，用5 mL 1%冰醋酸洗涤沉淀。加入5 mL丙酮浸泡5 min后，洗涤沉淀。加72%硫酸3 mL，搅匀，室温静置16 h，使全部纤维素溶解。加10 mL蒸馏水，搅匀，沸水浴5 min。再加5 mL蒸馏水和0.5 mL 10%BaCl₂溶液，摇匀，离心，去上清。用蒸馏水洗涤沉淀2次。再向冲洗过的木质素加入10 mL 0.1 mol/L重铬酸钾溶液和8 mL浓硫酸，沸水浴10 min，定期搅拌。冷却后，溶液转至锥形瓶中，用蒸馏水冲洗离心管，将洗涤液一并倒入锥形瓶中。加入3滴试亚铁灵指示剂，用0.2 mol/L硫酸亚铁铵溶液滴定待测溶液。另外单独滴定10 mL 0.1 mol/L重铬酸钾溶液和8 mL浓硫酸混合液作为空白试验。木质素含量按下式计算：

$ 木质素含量\left( \% \right) = \frac{{0.433k\left( {a - b} \right)}}{n} \times 100\% , $

式中，k为硫酸亚铁铵溶液的浓度，mol/L；a为空白滴定所消耗硫酸亚铁铵溶液的体积，mL；b为溶液所消耗硫酸亚铁铵溶液的体积，mL；n为所称取香蕉杆粉末的质量，g。

1.2.2 香蕉杆产沼气潜力试验

(1) 测定项目和方法

发酵原料和接种污泥总固体含量 (TS) 采用烘干称重法，即将样品放置在烘箱中干燥箱中于105℃烘干至恒重；日产气量采用排水法来表征，即排水体积近似等于产气量；pH值采用精密pH试纸测定。

(2) 试验设计

本试验采用自制厌氧发酵装置 (图 1)，每组试验装置都由一个反应瓶、一个集气瓶和一个排水计量瓶组成，反应瓶和集气瓶用胶皮管连接后密封，以保证良好的厌氧环境。实验组总发酵体积为250 mL，同时设置空白参比组 (不添加任何原料)，发酵温度为35℃，接种率 (指接种污泥体积与发酵总体积之比，V/V) 为48%，基质含量 (指发酵原料湿重与发酵总体积之比，W/V) 为8%，初始pH值为7.0。试验运行周期为20 d，每天摇瓶一次，每次10 min；每天测一次产气量。试验结束后，综合试验数据进行产气指标分析。

2 结果与分析 2.1 发酵原料组分分析

测得接种污泥的总固体含量 (TS) 为8.95%。香蕉杆、玉米秸秆和水稻秸秆的总固体含量 (TS) 分别为13.96%、18.87%和24.23%(表 1)，说明香蕉杆的含水率明显高与其它两种秸秆，因此对香蕉杆进行压榨后较易进行沼气发酵实验。与其它两种原料相比，香蕉杆纤维素、半纤维素和木质素较低，分别为17.47%、11%和6.81%。有研究表明香蕉杆中脂质、蛋白等营养成分含量较高^[16]，这可能是其木质纤维素成分较其他秸秆低的原因。

2.2 香蕉杆厌氧发酵结果

从图 2中可以看出，不管发酵体积是250 mL还是500 mL，香蕉杆发酵产沼气的时间变化趋势是一致的，说明体积对产气潜力的影响不大，所以采用250 mL发酵体积来研究香蕉杆产沼气潜力。在250 mL发酵体积中，香蕉杆产气率达到 (155±3) mL/g TS，前10 d产气比率达到93%(表 2)。

2.3 不同原料厌氧发酵结果对比分析

在一个发酵周期内，香蕉杆、玉米秸秆和稻草发酵产沼气趋势基本一致，说明不同秸秆原料对产气趋势影响不大 (图 3)。另外如图 4所示，香蕉杆、玉米秸秆和水稻秸秆3种原料的产气率分别为 (150±2) mL/g TS、(163±2) mL/g TS、(170±2) mL/g TS。因此，与后两者相比，香蕉杆原料的产沼气潜力存在一定的差距。

3 讨论

木质纤维素素的测定方法很多，除本研究所采用方法外，还有Van Soest法^[19]、NREL法^[20]、红外光谱定量分析法^[21]等，Van Soest法一般耗时2~3 d，NREL法需要HPLC设备，红外光谱定量分析法对实验条件要求亦较高，在普通化学实验室使用有困难。本研究采用硫酸-重铬酸钾氧化法、2 mol/L盐酸水解法和72%浓硫酸法测定木质纤维素成分，并加以改进，具有耗时短、不需要昂贵仪器和复杂操作的优点，在一般具有化学分析条件的实验室都可使用。经测定，香蕉杆纤维素、半纤维素和木质素含量分别为17.47%、11%、6.86%，纤维相对含量达35.15%，因此香蕉杆在能源化、材料化、生态化等方面拥着巨大的应用潜力。本研究所测定结果与Deivanai等^[5]所测结果 (42%、14%、8.67%) 存在差异，这是由于他们先采用物理化学方法提取了香蕉杆的纤维后，再测定香蕉杆纤维的纤维素、半纤维素和木质素的相对含量。而本研究所用香蕉杆原料只进行了干燥、粉碎等简单处理，未进行脱脂、去糖、去蛋白等操作，而脂质、糖类等物质对测定结果存在一定的干扰，故本研究测得香蕉杆纤维素、半纤维素和木质素的相对含量较低。若在不需要了解原料中纤维素、半纤维素和木质素绝对含量的话，即只需进行对比性研究时，本研究所采用的测定方法可以放心使用。

沼气发酵是多菌群相互作用的非线性复杂系统，主要涉及水解产酸菌、产氢乙酸菌、产甲烷菌这3类微生物相互作用^[22]。根据本研究产气曲线趋势，可判断香蕉杆发酵产沼气符合一般厌氧发酵过程^[23]。在发酵的初期，水解微生物分泌酶类把香蕉杆中的高分子物质 (碳水化合物、蛋白质、脂质) 降解成易被利用的小分子有机物 (单糖、氨基酸)，并且由于机械压榨使原料的有机物更易渗入发酵液，有利于各种厌氧微生物的生长发育，因此在发酵的前3 d大量产气。在第3~5天，产酸细菌利用水解产物的单体生成挥发性酸 (丙酮酸、乙酸等)，产气量降低，并伴随着菌群的生长。在发酵第6天时达到产气高峰，此时产甲烷菌最为活跃，主要把乙酸、甲酸 (或氢气) 转化成甲烷。一个发酵周期内，产气主要集中在前10 d，在第12天以后，由于原料基本消耗殆尽，产气量明显变少；第15天以后，发酵停止，发酵液处于静止状态，较发酵前澄清。因此合理利用产气曲线来指导沼气发酵有重要意义。

在中温条件下，本研究中香蕉杆发酵产沼气潜力为 (155±3) mL/g TS，与稻草和玉米秸秆沼气发酵潜力相比较低，这主要是由于香蕉杆自身特殊结构造成的。虽然香蕉杆具有一般秸秆的普遍特征即木质纤维素含量高，但其也有自身特殊之处，即其含水量高。硬度大和自身含有较高的抑制微生物生长的物质——单宁^[24-25]，因此限制了沼气发酵效果。本研究在发酵前对香蕉杆原料进行压榨，优点主要有3点:其一，可一定程度防止发酵过程中原料上浮，充分利用发酵空间，降低香蕉杆原料的单宁含量; 其二，机械压榨破坏纤维质底物中木质素、纤维素和半纤维素组成的复杂包裹结构，促进底物与微生物及酶的接触，进而促进底物的水解和发酵，并最终改善底物的沼气发酵性能; 其三，从经济角度考虑，可降低原料运输成本和效率，如果香蕉杆含水量从90%降到70%时，其运输重量会减少80%。然而，机械压榨会造成部分有机物的流失，从而降低甲烷产率^[26]。

4 结论

本研究结果表明，利用香蕉杆发酵产沼气是可行的，但由于受到原料预处理、接种物、基质含量以及碳氮比等因素^[27-29]以及发酵装置的限制，目前产气量还很低。在接下来的工作中，将主要着力于发酵条件的优化和发酵装置的改进，以期通过开发一种高效、快速、环保的工艺技术来获得更高的产气率和原料降解率。