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          辣椒秸稈的營養價值和高效利用情況

          來源:現代園藝 作者:申煜麗,牛欣璐,賈若蘊
          發布于:2021-12-14 共9365字

            摘    要: 我國作為辣椒生產消費第一大國,辣椒種植規模不斷擴大,收獲辣椒果實的同時,集中產生大量的辣椒秸稈。辣椒秸稈含有豐富的纖維素、木質素、有機物以及礦物質等營養成分,但大面積辣椒秸稈被直接丟棄或就地燃燒,造成生物資源大量浪費,且處理不當則會造成環境污染或引發病菌傳播,因此,高效高值化開發利用辣椒秸稈具有重要意義;诶苯方斩捀碑a物的營養價值,從其肥料化、燃料化、原料化、飼料化和基料化角度,歸納總結近年來辣椒秸稈在堆肥還田、發酵飼料、培育植菌基質、制備工業材料和能源燃料等方面的高值轉化技術,以期為辣椒秸稈的進一步高效利用提供有效的理論指導和參考。

            關鍵詞 :     辣椒秸稈;秸稈五化”;生物質資源;營養價值;高效利用;

            21世紀是中國辣椒產業飛速發展階段。據國家大宗蔬菜產業技術體系統計數據,近年來我國辣椒成為種植面積最大的蔬菜,占全國蔬菜總面積9.28%,總產量超過6400萬t,對農民收入貢獻率達1.14%[1]。由此可見,我國辣椒產業的發展空間極為廣闊。

            辣椒是一種具有很高營養價值的鮮食蔬菜,富含維生素C、維生素E和類胡蘿卜素等多種營養成分。鮮辣椒保鮮期短,常常被加工制成辣椒粉等食品調味劑[2]。近年來有關辣椒藥用價值的研究也被廣泛報道,Sastry S.Jayanty等[3]研究發現,辣椒中含有豐富的酚酸、類黃酮和辣椒素等功能性成分,這些化合物可以防止高膽固醇血癥和肥胖癥的發生。因此,辣椒不僅具有良好的食用價值,還具有較高的藥用價值。

            正是因為近年來我國辣椒種植面積不斷擴大,我國出現了辣椒產量連續增長的現象。大量生產辣椒的同時,產出大量的辣椒秸稈,而辣椒秸稈含有豐富的纖維素、木質素以及有機物等營養成分,但是我國對辣椒秸稈的開發利用尚處于高污染、高消耗和低產出階段。大部分地區處理辣椒秸稈的主要手段是直接丟棄或就地焚燒,該方法不僅會對土壤結構帶來破壞,還會造成霧霾等一系列的環境污染問題[4]。由此可見,廢棄生物質資源再利用問題受到了相關研究人員的廣泛關注[5]。

            基于辣椒秸稈的營養價值,對國內外辣椒秸稈的利用途徑如堆肥還田、發酵飼料、培育植菌基質、制備工業材料和能源燃料等進行綜述,旨在為合理開發辣椒秸稈、避免優質資源浪費,以及環境保護提供一定的理論指導。

            1 、辣椒秸稈的營養價值

            辣椒秸稈為辣椒的主干部分,除去辣椒果實外,辣椒莖稈、葉片和根部總稱為辣椒秸稈,是辣椒收獲、生產和加工過程中的主要農副產品。因其含有豐富的碳、氮、礦物質等營養成分,所以被作為重要的生物質資源。辣椒葉的營養價值高,適于飼料化應用,而辣椒莖稈的纖維素、木質素和有機物含量豐富,且粗灰分少,適合進行肥料化、基質化、原料化和燃料化處理。

            周衛東等[6]研究發現,全株辣椒秸稈含有豐富的粗蛋白、粗灰分和粗纖維,含量分別在14.79%~16.72%、11.20%~11.48%、28.55%~33.82%之間,其營養成分優于羊草、玉米秸稈和稻草,與優質飼料苜蓿接近。徐斌等[7]采用不同的方法對辣椒葉中各種營養成分進行分析,每100g干辣椒葉中含量最高的是鈣120.25mg,此外,維生素C 39.35mg、蛋白質22.72mg、鐵16.98mg、鉀44.95mg、鈉29.72mg、鎂17.20mg、錳13.87mg。時政等[8]測定分析了辣椒葉中總淀粉和總膳食纖維含量,結果表明,辣椒葉中總淀粉含量高于46.95%,總膳食纖維含量接近40%,且相較于水稻等農作物具有更高的膳食纖維。此外,Jalel Labidi等[9]對辣椒莖稈中全纖維素、木質素、半纖維素的含量進行檢測,研究表明,全纖維素、木質素、半纖維素含量分別為63.4%、25.6%、23.3%。

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            由此可見,辣椒秸稈中營養物質含量豐富,可通過科學處理,有效利用辣椒秸稈的營養價值,其中主要的辣椒秸稈高值轉換的方式包括肥料化、飼料化、基料化、原料化和燃料化[10]。

            2、 辣椒秸稈的高效利用現狀

            圖1 辣椒秸稈的綜合利用

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            目前,國內外提高秸稈利用價值的途徑主要歸納于“五化”,每種利用途徑包括多種高值轉化技術。下面分別對辣椒秸稈的“五化”利用及其主要技術的最新進展進行詳細歸納總結(如圖1所示)。

            2.1、 肥料化

            近年來,化肥的大量投入導致土壤質量下降,促進全球氣候變暖,加劇溫室氣體(N2O、CH4、CO2)排放等一系列生態環境問題。而辣椒秸稈是高碳含量有機物料,將其歸還到田間,不僅可以減小土壤的容重、抑制病原菌生長,還可以增加土壤有機質、氮、磷、鉀以及各種微量元素的含量。因此,進行辣椒秸稈還田等肥料化應用,對控制化肥投入、減少溫室氣體的排放具有重要的意義。目前,我國辣椒秸稈還田方式主要有直接還田和間接還田,其中機械粉碎還田為直接還田的主要方式,間接還田以堆肥還田為主[11,12,13]。

            直接還田具有便捷、快速、低成本、大面積培肥地力的優勢,是一項較為成熟的技術。馮義等[14]研究發現,結合夏季大棚高溫悶棚技術,使用旋耕機將辣椒青稈直接打碎還田,不僅可以節省勞力,促進下茬辣椒生長,還可以提高土壤肥力,減少環境污染。該技術為辣椒的大棚生產提供了有效參考。

            辣椒秸稈含氮量少,直接還田過程中,微生物在消耗大量氧氣的同時釋放有毒有害氣體,常常會出現妨礙耕作、燒苗、病蟲害增加等現象。辣椒秸稈堆肥還田作為間接還田的一種方式,通過在辣椒秸稈中加入生物菌劑、畜禽糞便等腐熟物質進行人工堆積成肥,再將堆肥產物還田。高溫好氧堆肥還田是堆肥還田最為常見的方法。辣椒秸稈可以在微生物產生的半纖維素酶和淀粉酶作用下,通過高溫發酵對可降解的有機質進行生物轉化,從而實現物料充分降解和完全腐熟,最終制成有機肥料[15]。

            高溫好氧堆肥被認為是一種固體廢物無害化、資源化、減量化的有效手段[16]。因此,李彥明等[17]對辣椒秸稈快速高溫好氧堆肥工藝進行探究,相比于直接以碳源作為調理劑,將辣椒秸稈和小麥秸稈以2∶1干質量進行聯合堆肥,添加雞糞為輔料時,可以顯著降低物料損失率。隨后,該研究團隊又對辣椒秸稈與番茄根結線蟲的拮抗作用進行研究,結果表明,將辣椒秸稈與雞糞聯合,添加4%微生物菌劑進行3d高溫好氧堆肥處理,不僅可以促進作物生長,還能達到很好抑制番茄根結線蟲生長的效果[18]。此外,楊冬艷[19]研究團隊探究發現,相比于不施底肥種植的番茄,辣椒秸稈在100%堆肥條件下,結合高溫堆肥技術種植的番茄生長情況更佳,且辣椒秸稈堆肥與50%化肥配施,肥料生產效率更高且品質穩定。而后,楊冬艷等[20]又對新鮮辣椒秸稈粉碎還田、曬干粉碎還田、堆肥后還田3種還田方式對茄果類蔬菜幼苗生長情況的影響進行研究,發現堆肥還田最利于茄科蔬菜的生長,因此,堆肥還田為最佳的堆肥還田方式。

            2.2、 飼料化

            隨著人們對動物產品需求量的增高,也大大增加了飼料的消耗量。以糧食為主的飼料成本高、產量少、加工復雜,這對我國動物飼料行業帶來了巨大挑戰。辣椒秸稈中含有多種適于家畜生長的微量元素。因此,對農作物秸稈進行合理的飼料化利用,可以減少糧食的消耗和有機質資源的浪費,是促進我國養殖業發展和生態環境平衡的重要舉措[21]。

            辣椒秸稈飼料化利用作為“五化”利用途徑之一,谷子林等[22]通過消化試驗對比了以基礎飼糧和85%基礎飼糧+15%辣椒秸稈為原料進行飼喂的兩組獺兔的營養價值利用率,結果表明,生長獺兔對辣椒秸稈中的粗脂肪、粗灰分、微量元素等營養成分具有良好的消化率。

            如果將辣椒秸稈直接用作飼料,常常存在消化率低、營養成分不均勻、口感差等諸多問題,微生物發酵技術可以很好地解決這些問題,也是提高辣椒秸稈飼料營養價值最安全的方法[23]。因此,陶宇航等[24]首先比較了辣椒秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈、稻草4種作物秸稈與鮮牛糞發酵后養殖蚯蚓的效果,結果表明,不同農作物秸稈種類對養殖效果沒有明顯差異。而后,對秸稈添加量進行分析,研究發現,當秸稈添加量為15%左右時,蚯蚓產量最佳。

            近年來,青貯飼料在畜牧業備受關注。青貯飼料是將青綠秸稈切碎,通過乳酸菌厭氧發酵制成的一種可以降低病蟲害、適口性好、消化率高的飼料。陳本建等[25]通過比較不同水分含量和添加劑對辣椒秸稈青貯發酵品質的影響,確定了辣椒秸稈青貯的最優含水量為75%左右,且馬鈴薯渣為最合適的青貯添加劑。

            2.3、 基料化

            在農業生產中,蔬菜育苗基質離不開大量的草炭。草炭作為一種不可再生資源,日益枯竭,因此,如何減少對草炭的消耗成為我國亟待解決的實際問題。近年來,研究發現,辣椒秸稈經過粉碎和微生物發酵可以轉化其中的纖維素和其他營養物質,進而可以作為草炭和泥炭資源的良好替代品。將辣椒秸稈用于制作育苗基質,不僅可減少草炭資源的消耗,顯著提高農作物產量,而且可以很好地解決辣椒秸稈資源浪費的問題。

            何圣米等[26]將廢棄辣椒秸稈經高溫發酵處理后按不同比例加入草炭中,制備了一種無土栽培育苗基質,并研究了不同基質對黃瓜出苗和成長的影響。結果表明,相比于純草木灰,辣椒秸稈含量為20%~40%時更利于黃瓜育苗。而后,又研究比較得出了最適合栽培辣椒基質的辣椒秸稈加入量,結果表明,將20%經高溫發酵處理過的辣椒秸稈加入到草炭中制備的栽培基質最適合辣椒生長[27]。

            辣椒秸稈作為栽培基質的另一個用途是制備食用菌基質。用辣椒秸稈代替木材制備食用菌基質,節約木材的同時提高了食用菌的產量。其中,黃鵬等[28]對5種供試配方下袋栽香菇的菌絲生長情況進行比較,結果表明,當配方為辣椒秸稈屑75%、櫟木屑15%、麩皮6%或辣椒秸稈屑70%、櫟木屑20%、麩皮6%時,最適合香菇袋栽。

            2.4 、原料化

            材料工業是國民經濟的基礎產業,新材料是材料工業發展的先導,是重要的戰略新興產業[29]。隨著人們對木材需求量的不斷增大,辣椒秸稈基人造木板的應用使木材的開發大大減少。另外,利用辣椒秸稈制備活性炭和生物炭,也可以減少木材的使用。

            2.4.1、 制備人造板材。

            近年來,受經濟和環境問題的影響,非木材纖維的使用成為了當今我國的研究熱點。秸稈人造板作為一種新型的板材,是木質人造板的良好替代品,安全環保,且價格低廉。其中,Ergun Guntekin[30]利用辣椒秸稈為原料,尿素甲醛和三聚氰胺尿素甲醛為膠粘劑,在干燥條件下制備了家具級刨花板。該技術的研發解決了刨花板工業原料短缺的問題。

            2.4.2 、制備活性炭。

            辣椒秸稈粗灰分和硫含量低,成分以纖維素、木質素為主,含有大量的C、H、O元素。與其他活性炭相比,辣椒秸稈基活性炭具有孔隙發達、表面積大、吸附性強等特點,因此,常將其作為吸附材料和電極材料。用辣椒秸稈制備活性炭既可以減少木材和煤的開發,又可以為辣椒秸稈的零污染化處理提供新的解決方法。

            目前,關于用辣椒秸稈制備活性炭用作吸附材料的研究被廣泛報道。2017年李海紅等[31]采用K2CO3活化法,制備了以辣椒秸稈為原料的活性炭,并確定其最優炭化工藝:炭化溫度為400℃,炭化時間為50min,升溫速率為5℃/min。在優化條件下,該吸附劑的炭得率為39.90%,吸附總孔容為0.544cm3/g。而后,他們又進一步將K2CO3作為活化劑,制備辣椒秸稈活性炭,并對優化條件下,不同活化因素對活性炭孔結構的影響和不同活化制度對活性炭制備工藝的影響進行了探究。結果表明,當最佳工藝條件分別為:活化溫度800℃、活化時間120 min、浸漬比2∶1、浸漬時間24h和活化溫度835℃、活化時間1.95h、升溫速率4.5℃/min時,制備的活性炭的吸附性能最強[32,33]。KOH活化法作為另一種活性炭制備方法,李海紅團隊[34]采用該活化法制備了辣椒秸稈基活性炭,結果表明,當活化溫度800℃、活化時間100 min、炭劑比3∶1、浸漬時間20 h時,制得的活性炭性能最好。此外,劉建奇等[35]也通過正交試驗,分析了以KOH/Na OH為活化劑制備辣椒秸稈生物質活性炭過程中各因素對其吸附性能的影響。結果表明,活化溫度對活性炭的吸附能力影響最大,炭化溫度對其吸附能力影響最小,且最佳條件下,該活性炭的比表面積高達3217.237m/g,吸附平均孔徑為3.590nm。壽建昕[36]以KOH為催化劑,采用化學活化法制備了辣椒秸稈基活性炭。然后,將其作為吸附劑用于去除水溶液中染料亞甲基藍,其最大吸附容量為34.12mg/g。隨后,該研究團隊以同樣的方法制備辣椒秸稈基活性炭,用于去除水溶液中的重金屬銅離子,結果表明,其最大吸附容量為21.93mg/g[37],為辣椒秸稈基活性炭對重金屬的吸附提供了一定的科學依據。

            近年來,將辣椒秸稈基生物質炭材料用于電極材料的研究越來越多,李海紅[19]研究團隊在辣椒秸稈基生物質炭材料方面也取得了不錯的研究進展。2019年,他們采用辣椒秸稈基活性炭為前驅體,Ni(NO3)2·6H2O為催化劑,得到了石墨化活性炭電極吸附材料,研究發現,當活性炭與Ni的質量分數為0.2%、熱處理溫度700℃時,可以有效提高活性炭的活性面積,改善活性炭電極的電化學性能[38]。而后,他們又以草酸鉀為活化劑,制備了辣椒秸稈基碳電極材料,得到其最佳工藝條件:浸漬為比1.5∶1、浸漬時間為18h、活化溫度為850℃、活化時間為120 min。在優化條件下,制備的活性炭微孔比表面積為956.21m2/g,該研究為我國電極吸附材料的制備提供了理論參考[39]。

            2.4.3、 制備生物炭。

            秸稈基生物炭是通過將秸稈在限制氧的條件下進行熱解而產生的,相比于其他農作物秸稈,辣椒秸稈的木質化程度高,具有多孔的結構、豐富的活性官能團和類石墨芳香結構[40],是一種制備生物炭的理想材料。辛言君[41]采用慢速熱解法制備了辣椒秸稈基生物炭,又通過水熱法將其與Cu Fe O2相結合,得到了Cu Fe O2/生物炭磁性復合材料,將其作為吸附劑用于水中四環素類抗生素的測定。最優條件下,其最大吸附容量為39.15mg/g。宋洋等[42]研究了辣椒秸稈在不同熱解溫度下熱解成生物炭的過程。并首次探究了辣椒秸稈基生物炭作為吸附劑對3種鄰苯二甲酸酯的吸附性能。結果表明,在500℃下熱解的生物炭具有最大的吸附能力。

            同時,辣椒秸稈生物炭在農業領域也有所應用。李貞霞等[43]通過高溫熱解的方法制備成辣椒秸稈生物炭,將其與酸化土壤一起培養。研究發現,當生物炭添加量為1.5%和2.0%時,土壤酶含量明顯高于0%和5%的土壤酶含量,因此辣椒秸稈基生物炭可以有效改善酸化土壤質量。

            2.4.4、 其他。

            此外,不同于上述利用方式,近年來將辣椒秸稈直接作為吸附劑也表現出良好的吸附效果。李小敏等[44]探究了辣椒秸稈作為吸附劑對剛果紅染料進行吸附時的最佳工藝條件,結果表明,辣椒秸稈1.20g,剛果紅質量濃度300mg/L,吸附溫度70℃、時間240min時吸附效果最好。劉峰等[45]以辣椒秸稈為原料制備生物吸附劑,并探究其對重金屬鉻的吸附性能,結果表明,其最佳工藝條件為:初始溶液濃度160mg/L、吸附劑用量12.5g/L、吸附溫度40℃、p H值2.0。最優條件下,辣椒秸稈對鉻的吸附量可達12.1mg/g。

            2.5 、燃料化

            能源是人類賴以生存和發展的重要資源。然而,隨著我國化石能源的枯竭和環境危機,能源供應問題受到了嚴峻的考驗[46]。為了應對能源危機和日益惡化的環境污染問題,獲得清潔和低廉的能源成為當前我國研究的重點。秸稈燃料化利用技術是近年來發展起來的生物質能利用新技術。我國辣椒秸稈資源豐富,辣椒秸稈含有大量木質素、纖維素和半纖維素,可以為燃料提供豐富的可再生資源,對解決環境污染和優化能源結構具有重要的意義。

            近年來,辣椒秸稈的燃料化應用主要體現在將其生物碳化用于制備燃料。其中,楊乃濤等[47]從辣椒秸稈中提取了生物炭作為直接碳固體氧化物燃料電池(DC-SOFC)的燃料,并詳細分析了辣椒秸稈的組成和微觀結構對微管型DC-SOFC電化學性能的影響。研究結果表明,在100m A放電電流下,DC-SOFC的使用壽命達到21h,燃料利用率為44.4%。因此,該生物炭可以作為DC-SOFC發電系統燃料的同時,也為辣椒秸稈炭的高效利用提供了一條新的綠色途徑。

            辣椒秸稈燃料化處理在解決我國辣椒秸稈污染方面有著良好發展前景,但是,受技術和原料質量等因素的影響,我國對辣椒秸稈燃料化的研究并未取得太大進展。因此,進一步加大辣椒秸稈的能源化研究,對提高辣椒秸稈的綜合利用價值具有重要意義。

            3 、總結與展望

            目前,農作物秸稈處理及利用方式越來越為人們所認知和重視。針對辣椒副產物開發不足的問題,本研究從還田、飼料、栽培基質、食用菌基質、碳材料,燃料電池燃料等角度對辣椒秸稈的高效高值轉化技術進行歸納總結,為我國辣椒副產品的進一步開發利用提供理論依據和技術參考。

            近年來,我國辣椒秸稈綜合利用問題取得了不錯發展,但是還存在一些問題亟待解決。一是我國雖然已實現利用辣椒秸稈代替傳統有機肥進行堆肥還田,但辣椒秸稈的還田量、秸稈與化肥添加量的最優配比、加入辣椒秸稈后對作物的品質和土壤質量的影響等問題還有待進一步研究;二是我國尚未實現辣椒秸稈“五化”的聯合利用,例如,將辣椒秸稈青貯等飼料化轉化技術與秸稈過腹還田技術相結合,辣椒秸稈作為動物飼料的同時間接保護了土壤環境;三是積極推廣秸稈發電、氣化、沼氣等燃料化利用,不僅可以節約能源還可以保護環境。

            此外,辣椒秸稈因含有豐富的纖維素和木質素可以作為環境污染物吸附劑,而石墨烯成本高、對環境不友好且難制備。因此,用辣椒秸稈來替代石墨烯用于環境污染物的吸附是解決上述問題的一種途徑。目前,以辣椒秸稈為原料制備石墨烯的相關研究還未見報道,但Liu等[48]以玉米秸稈芯和氧化石墨烯為原料合成了一種3D生物吸附劑,用于水中亞甲基藍的吸附。戰友等[49]制備了玉米秸稈/石墨烯多孔炭復合材料用于廢水中苯酚的吸附。這為辣椒秸稈與石墨烯結合生產新型的吸附劑提供了研究思路。

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          作者單位:河北農業大學理工系
          原文出處:申煜麗,牛欣璐,賈若蘊,周欣,李增友. 辣椒秸稈高效利用的研究現狀[J]. 現代園藝,2021,44(23):20-24.
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