CN102204503A - 一种改性椰糠栽培基质及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改性椰糠栽培基质及其制备方法，是将椰糠粉碎、过筛后加入清水溶胀；然后先后加入酸性纤维素酶、半纤维素酶进行酶解制得椰糠酶解粗液；将椰糠酶解粗液过滤、干燥、粉碎，制得改性椰糠；按配比将改性椰糠、无机基质和有机基质经消毒后混合均匀，调节pH值后干燥、包装，即可制得改性椰糠栽培基质。本发明制备工艺简单，成本低，耗时短，利用酶法对椰糠纤维进行改性来制备改性椰糠栽培基质，使栽培基质的疏松性、透气性、保水性、保温保湿性均得到显著改善，同时也拓宽了椰糠栽培基质的使用范围，适宜于多种植物的栽培，可以满足现代化栽培基质产业快速发展的需要，产生良好的经济、生态和社会效益，推广前景良好。

Description

一种改性椰糠栽培基质及其制备方法

技术领域

本发明属植物无土栽培技术领域，涉及一种改性椰糠栽培基质的制备，具体是一种以椰糠为原料，经过改性后添加其他基料生产栽培基质的技术。

技术背景

无土栽培(soilless culture)从20世纪30年代以来得到迅速发展和推广，目前已经广泛应用于园艺业、植物容器栽培、农业生产等领域。栽培基质(cultivation medium)是无土栽培中推广面积最大的一种方式，具有缓冲能力强、适应性强、推广地域广、养分合理、设备简单、成本低等优点，是目前许多国家主要的无土栽培形式。中国是世界第一设施园艺大国，设施园艺栽培面积在20万hm²以上，但全国无土栽培面积仅占5％左右，而日本无土栽培面积占温室面积20％以上，荷兰等国则占温室面积的90％以上；同时随着耕地资源的日益缩小，人类对无土栽培的需求和依赖程度也越来越大。因此，中国栽培基质的需求缺口很大，发展空间巨大，市场前景极好。

国内外近年来发展的固体栽培基质主要有岩棉、交换树脂、泥炭及各种人工合成基质等，但岩棉、泥炭等是有限的天然资源，且成本较高，利用当地资源，以工农业有机固体废弃物为材料合成本土化、经济型、可再生型、环保型栽培基质，缓解泥炭、岩棉等不可再生型基质材料的使用压力，已成为世界无土栽培的发展趋势。

影响栽培基质品质的最重要的因素包括基质的物理性状、化学性状和生物学性状；对栽培作物影响较大的基质物理性状主要有容重、总孔隙度、粒径等；化学性状主要有化学组成(包括有机营养和矿物质营养)、酸碱度、电导率等；生物学性状主要指基料中有机物质的稳定性。其中基质的容重、粒径、电导率等尤为重要。研究表明，栽培基质的容重在0.1～0.8g/cm³的范围内栽培效果较好，基质最适宜的孔隙度在54％～96％，而基质的粒度随原料不同而要求不同，如沙粒粒径以0.5～2mm为宜。在制备栽培基质时，要通过物理、化学或微生物的方法使基料发生改性，使基料的化学组成、粒度、直径、容重、孔隙度等发生改变，直至达到适宜的范围。

椰子(Cocos nucifera L.)是热带地区重要的木本经济作物。椰子外衣(简称椰衣，coir)是椰子的外果皮和中果皮，含有大量的木质素、纤维素和半纤维素。椰衣中有约30％的纤维是制备床垫、纤维网、声控仪、高级汽车垫、栽培基质的良好原料；其余70％则为椰糠(coir dust)。椰衣栽培基质是世界上最好的栽培基质之一，具有含氧量大、保温、保湿、疏松和透气等特点，然而与用椰衣纤维制备高级床垫和汽车垫相比，以椰衣制备栽培基质成本较高、产出效益较低。

椰糠(coir dust)是椰子外壳纤维加工过程中脱落下来的一种纤维粉末，也是制备栽培基质较好的材料，目前已应用于甘蓝、红掌、凤梨等栽培基质中。椰糠的产量很大，资源丰富，价格低廉，具备较大的推广潜力。但与椰衣纤维相比，椰糠的韧性、保温保湿性、膨胀力相对较差，释放营养元素的速度也较慢，这在一定程度降低了椰糠栽培基质的性能。研究表明，椰糠长度约为2～20mm，椰糠的容重为0.10～0.16g/cm³，含纤维素20％～30％，木质素65％～70％，果胶含量3％～4％，戊聚糖含量7.3％～9.6％，膨胀性0.4％～0.6％，在栽培基质中释放K、Mg、Fe等离子的速度缓慢，这在一定程度上制约了椰糠纤维的离子交换能力、导热率、比表面面积等性能，从而导致椰糠栽培基质在许多方面存在缺陷。一些研究表明椰糠栽培基质不适合栽培杜鹃花、甘菊、万寿菊及部分兰花品种，这在一定程度上限制了椰糠栽培基质的用途和发展。因此，为了促进椰园废弃物的快速高效循环利用与推动椰子产业的深入发展，改善椰糠的粒径、容重等性质，提高椰糠的韧性、保温保湿性、膨胀力、持水性，优化椰糠栽培基质的各种性能，从而拓宽椰糠栽培基质的应用范围，是目前亟待解决的问题。

传统的使椰糠改性的方法主要有机械法、强碱强酸降解法和堆沤发酵法。机械法主要是利用机械剪切力将椰糠进行粉碎，但通过机械粉碎后的椰糠纤维往往达不到使用标准，同时机械设备的投入较高；化学处理法是将椰糠浸泡，添加强酸强碱等进行分解，这种方法的缺点一是酸碱等的消耗量很大，二是废液的腐蚀性强，对环境的污染性大；堆沤发酵法是将基料在露天堆放一段时间，浇水后添加微生物，然后覆盖上严实的塑料膜，放置几个月或更长时间，堆沤发酵法的优点是成本低，但缺点是发酵产生的有害物质较多、耗时太长，无法适应现代观赏园艺等产业快速发展的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种改性椰糠栽培基质及其制备方法，是以椰糠为原料，经改性后与其他基料组配得到栽培基质。与传统机械法、化学处理法、微生物发酵法等相比，利用酶法对椰糠纤维进行改性来制备改性椰糠栽培基质，具有工艺简单、快速、成本较低、安全环保等优点，可以满足现代化栽培基质产业快速发展的需要，产生良好的经济、生态和社会效益。

本发明的原理如下：

以椰糠为原料，通过添加纤维素酶、半纤维素酶等酶制剂，对椰糠中纤维素和木质素进行适度的降解和改性，高效、快速地改善椰糠纤维的物理性质、化学组成和性能，制备高品质的改性椰糠，使椰糠具备更加优越的持水性、膨胀力和通透性等性能；然后根据栽培作物的不同，添加沙子、珍珠岩、蛭石等不同辅料，制备不同的栽培基质，是兼具科学与应用性的，是切实可行的方法。

改性椰糠栽培基质的制备，不仅可以改善椰糠的部分性能，拓宽椰糠栽培基质的应用范围，促进椰园废弃物的快速高效循环利用和我国椰子产业的发展，还可以推动我国无土栽培基质的发展，满足观赏园艺等产业的需求，产生良好的经济、社会和生态效益。

本发明所采用的技术方案如下：

一种改性椰糠栽培基质，是由改性椰糠、无机基质和有机基质经混合均匀后调节pH值至5.0～7.0，干燥得到改性椰糠栽培基质，其中按体积百分比计各组分的含量为：改性椰糠30％～65％、无机基质20％～30％、有机基质5％～40％。

所述改性椰糠是将椰糠经干燥、粉碎、过筛，制成长度为4～9mm的物料，然后在椰糠中加入清水，使椰糠完全浸入水中，搅拌均匀，溶胀0.5～3h，按酶活力与椰糠重量的比为25～70IU/g的比例加入酸性纤维素酶，用酸调节pH值至4.5～5.5，室温下酶解32～48h；然后按酶活力与椰糠重量的比为10～30IU/g的比例加入半纤维素酶，室温下酶解8～12h；然后加入碳酸钠调节pH值至8.0～9.0，升温至70～90℃，保持2～3h即可灭酶，得到椰糠酶解粗液；将椰糠酶解粗液过滤、干燥、粉碎，制得改性椰糠。检测表明，利用复合酶制剂对椰糠进行改性，改性椰糠纤维的粒径为0.2～2mm，纤维素含量为11.7％～15.4％，果胶、戊聚糖等吸水物质的含量分别增加3.6％～5.1％、9.6％～19.2％，改性椰糠的膨胀性(0.8％～0.9％)、吸水性(8.75～9.98mL/g)，释放营养元素的速度均得到了较大改善。

所述无机基质是河沙、蛭石、珍珠岩、陶粒、石英砂或石砾中的一种或混合。

所述有机基质是泥炭、草木灰、砻糠灰、锯末或污泥中的一种或混合。

测试表明，改性椰糠栽培基质的容重约0.16～0.67g/cm³、总孔隙度62.2％～89.5％，通气空隙14.0％～50.5％，持水孔隙11.7％～75.5％，EC(电导率)为0.2～0.8mS/cm²。

一种上述改性椰糠栽培基质的制备方法，其具体步骤如下：

1、原料预处理将椰糠在45～60℃下干燥、粉碎、过筛，制成长度为4～9mm的物料；同时将无机基质、有机基质经消毒、灭菌后备用。

2、改性在上述制备的椰糠中按质量体积比为1∶10～40(m/v，下同)加入清水，使椰糠完全浸入水中，搅拌均匀，溶胀0.5～3h；然后按酶活力与椰糠重量的比为25～70IU/g(酶活力与椰糠重量的比，下同)的比例加入酸性纤维素酶，用酸调节pH值至4.5～5.5，室温下酶解32～48h，酶解中每隔2～3h搅拌一次；然后按酶活力与椰糠重量的比为10～30IU/g的比例加入半纤维素酶，室温下酶解8～12h；然后加入碳酸钠调节pH值至8.0～9.0，升温至70～90℃，保持2～3h即可灭酶，得到椰糠酶解粗液。

所述酸性纤维素酶是指酶活力为10000～20000IU/g的酸性纤维素酶。

所述半纤维素酶是指酶活力为5000～8000IU/g的半纤维素酶。

3、干燥分级将椰糠酶解粗液过滤、干燥、粉碎、分级，即可制得不同粒度和规格的改性椰糠。

4、添加基料按配比将改性椰糠、无机基质和有机基质经消毒后混合均匀，调节pH值至5.0～7.0。

5、包装将混合好的基质干燥、包装，即可制得适宜不同作物生长的改性椰糠栽培基质。

使用时按体积比为20％～50％(V/V，下同)的比例在改性椰糠栽培基质中加入水使栽培基质沉降即可进行作物栽培。

本发明制备工艺简单，成本低，耗时短，利用酶法对椰糠纤维进行改性来制备改性椰糠栽培基质，使栽培基质的疏松性、透气性、保水性、保温保湿性均得到显著改善，同时也拓宽了椰糠栽培基质的使用范围，适宜于多种植物的栽培，可以满足现代化栽培基质产业快速发展的需要，产生良好的经济、生态和社会效益，推广前景良好。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例一、

1、原料预处理将椰糠在60℃下干燥、粉碎、过筛，制成长度为4～7mm的物料；同时将河沙摊开、日晒6h消毒，过20目筛；另选883Fr2型泥炭(白块状，pH6.0)，2～4mm蛭石(乳白色)，备用。

2、改性在上述制备的椰糠中按照1∶30(m/v)加入清水，使椰糠完全浸入水中，搅拌均匀，溶胀2h；然后按照酶活力与椰糠重量比为50IU/g的比例加入酸性纤维素酶(10000IU/g)，用硫酸调节pH至4.5，酶解32h，酶解时每隔2h搅拌一次；再按照酶活力与椰糠重量比为24IU/g的比例加入半纤维素酶(8000IU/g)，酶解8h；然后加入碳酸钠调节pH至8.0～9.0，升温至70℃，保持3h灭酶，得到椰糠酶解粗液。

3、干燥分级将椰糠酶解粗液过滤、晒干、粉碎、分级，即可制得改性椰糠。

检测表明，该改性椰糠粒径0.4～1.6mm，膨胀性0.83％，吸水性8.88mL/g，戊聚糖含量为9.83％。

4、添加基料取制备好的改性椰糠，与预备好的河沙、蛭石和883Fr2型泥炭混合，使改性椰糠∶河沙∶蛭石∶泥炭＝4∶2.5∶2.5∶1，调节pH至微酸性或中性。

5、包装将混合好的基质干燥、包装，即可制得改性椰糠栽培基质。将上述改性椰糠栽培基质装入直径为12～16cm的塑料盆中，加入约30％(V/V)的水使栽培基质沉降，即可制得适宜墨兰生长的改性椰糠栽培基质。

测试表明，上述方法制备的栽培基质，容重约0.45g/cm³，总孔隙度约为67.8％，持水孔隙46.2％，大小孔隙比为1∶2.14，pH值6.4，EC为0.54mS/cm²，性状疏松、透气性好、保水性极强，具有较强的离子交换能力，含有钾、钙、镁等大中量和微量营养元素，适宜于墨兰的栽培，与未改性椰糠栽培基质相比，相同时间内的生长量大为不同，测量结果见表1。

表1改性椰糠基质与普通椰糠基质栽培墨兰的比较

从表中可以看出，改性椰糠栽培基质更适合于墨兰的栽培。

实施例二、

1、原料预处理将椰糠在50℃下干燥、粉碎、过筛，制成长度为4～6mm的物料；同时将珍珠岩(粒度为8～12mm)过筛、日晒、消毒；泥炭(棕黄色，pH5.6)，备用。

2、改性在上述制备的椰糠中按照1∶20(m/v)加入清水，使椰糠完全浸入水中，搅拌均匀，溶胀3h；然后按照酶活力与椰糠重量比为45IU/g的比例加入酸性纤维素酶(10000IU/g)，用盐酸调节pH至4.5，室温下酶解48h，酶解时每隔3h搅拌一次；然后按照酶活力与椰糠重量比为16IU/g的比例加入半纤维素酶(8000IU/g)，室温下酶解12h；然后加入碳酸钠调节pH至9.0，升温至70℃，保持2h即可灭酶，得到椰糠酶解粗液。

3、干燥分级将椰糠酶解粗液过滤、晒干、粉碎，即可制得改性椰糠。

检测表明，该改性椰糠粒径0.4～2mm，戊聚糖含量为13.68％，膨胀性0.86％，吸水性9.01mL/g，性质比未改性椰糠得到较大改善。

4、添加基料取制备好的改性椰糠，与预备好的珍珠岩、泥炭混合，使改性椰糠∶珍珠岩∶泥炭＝4∶2∶3，调节pH至微酸性或中性，混合均匀。

5、包装将混合好的基质干燥、包装，即可制得改性椰糠栽培基质。将上述改性椰糠栽培基质装入直径为12～16cm的塑料盆中，加入约30％(体积比)的水沉降，即可制得适宜石斛兰生长的改性椰糠栽培基质。

实验表明，该改性椰糠栽培基质容重约为0.20g/cm³，总孔隙度78.5％，持水孔隙58.1％，大小孔隙比为1∶2.85，EC为0.58mS/cm²，pH6.5，性状疏松、透气性好、保水性极强、含有钾、钙、镁、铁、锌等多种矿质阳离子，适宜石斛兰的无土栽培。

实施例三、

1、原料预处理将椰糠在60℃下干燥、粉碎、过筛，制成长度为4～6mm的物料；同时将河沙与珍珠岩摊开、日晒、消毒、过筛；另取泥炭(白块状，pH6.0)，预处理后备用。

2、改性在上述制备的椰糠中按照1∶40(m/v)加入清水，使椰糠完全浸入水中，搅拌均匀，溶胀2h；然后按照酶活力与椰糠重量比为30IU/g的比例加入酸性纤维素酶(20000IU/g)，用硫酸调节pH至4.5，酶解32h，酶解中每隔2h搅拌一次；再按照酶活力与椰糠重量比为12IU/g的比例加入半纤维素酶(8000IU/g)，酶解12h；然后加入碳酸钠调节pH至8.0～9.0，升温至70℃，保持3h灭酶，得到椰糠酶解粗液。

3、干燥分级将椰糠酶解粗液过滤、晒干、粉碎、分级，即可制得改性椰糠。

检测表明，该改性椰糠粒径0.6～2mm，膨胀性0.81％，吸水性8.93mL/g。

4、添加基料取制备好的改性椰糠，与预备好的河沙、珍珠岩和泥炭混合，使改性椰糠∶河沙∶珍珠岩∶泥炭＝5.5∶2∶1.5∶1，调节pH至5.5。

5、包装将混合好的基质干燥、包装，即可制得改性椰糠栽培基质。将上述改性椰糠栽培基质装入直径18～24cm的塑料盆中，然后加入约30％(V/V)的水使混合好的栽培基质沉降，即可制得适宜小白菜生长的改性椰糠栽培基质。

测试表明，上述方法制备的栽培基质，容重0.43g/cm³，总孔隙度约为70.5％，持水孔隙48.7％，大小孔隙比为1∶2.23，pH5.4，EC为0.55mS/cm²，性状疏松、透气性好、保水性极强，具有较强的离子交换能力，含有钾、钙、镁等营养元素，适宜于小白菜的栽培。

对改性椰糠栽培基质和普通椰糠栽培基质栽培的小白菜的生长量进行对比，结果见表2。

表2改性椰糠与普通椰糠基质配方栽培小白菜生长量

从表2中可以看出改性椰糠无土栽培基质配方优于普通椰糠基质配方，小白菜生长量增大了29.9％。

实施例四、

1、原料预处理将椰糠在55℃下干燥、粉碎、过筛，制成长度为2～5mm的物料；同时将河沙摊开、消毒、日晒，过20目筛；另选墨黑色草木灰，过120目筛，备用。

2、改性在上述制备的椰糠中按照1∶20(m/v)加入清水，使椰糠完全浸入水中，搅拌均匀，溶胀2h；然后按照酶活力与椰糠重量比为40U/g的比例加入酸性纤维素酶(20000IU/g)，用盐酸或硫酸调节pH至4.5，酶解32h，酶解中每隔2h搅拌一次；再按照酶活力与椰糠重量比为20IU/g的比例加入半纤维素酶(8000IU/g)，酶解12h；然后加入碳酸钠调节pH至9.0，升温至80℃，保持2.5h灭酶。得到椰糠酶解粗液。

3、干燥分级将椰糠酶解粗液过滤、晒干、粉碎、分级，即可制得改性椰糠。

检测表明，该改性椰糠粒径0.5～1.8mm，膨胀性0.87％，吸水性9.12mL/g。

4、添加其他基料取制备好的改性椰糠，与预备好的河沙、草木灰混合，使改性椰糠∶草木灰∶河沙＝3∶2.5∶3。

5、包装将混合好的基质干燥、包装，即可制得改性椰糠栽培基质。将上述改性椰糠栽培基质装入直径为10～20cm的塑料盆中，用硫酸或石灰调节pH至5.5，然后加入约40％(V/V)的水使混合好的栽培基质沉降，即可制得适宜龙船花扦插的改性椰糠栽培基质。

测试表明，上述方法制备的栽培基质，容重约0.47g/cm3，总孔隙度约为70.5％，持水孔隙49.2％，大小孔隙比为1∶2.3，pH5.5，EC为0.45mS/cm²，性状疏松、透气性好、保水性极强，具有较强的离子交换能力，含有钾、钙、镁等大中量和微量营养元素，适宜于扦插龙船花。

Claims (6)

1.一种改性椰糠栽培基质，其特征在于：是由改性椰糠、无机基质和有机基质经混合均匀后调节pH值至5.0～7.0，干燥得到改性椰糠栽培基质，其中按体积百分比计各组分的含量为：改性椰糠30％～65％、无机基质20％～30％、有机基质5％～40％；

所述改性椰糠是将椰糠经干燥、粉碎、过筛，制成长度为4～9mm的物料，然后在椰糠中加入清水，使椰糠完全浸入水中，搅拌均匀，溶胀0.5～3h，按酶活力与椰糠重量的比为25～70IU/g的比例加入酸性纤维素酶，用酸调节pH值至4.5～5.5，室温下酶解32～48h；然后按酶活力与椰糠重量的比为10～30IU/g的比例加入半纤维素酶，室温下酶解8～12h；然后加入碳酸钠调节pH值至8.0～9.0，升温至70～90℃，保持2～3h即可灭酶，得到椰糠酶解粗液；将椰糠酶解粗液过滤、干燥、粉碎，制得改性椰糠。

2.根据权利要求1所述的改性椰糠栽培基质，其特征在于：所述无机基质是河沙、蛭石、珍珠岩、陶粒、石英砂或石砾中的一种或混合。

3.根据权利要求1所述的改性椰糠栽培基质，其特征在于：所述有机基质是泥炭、草木灰、砻糠灰、锯末或污泥中的一种或混合。

4.根据权利要求1所述的改性椰糠栽培基质的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)、原料预处理将椰糠在45～60℃下干燥、粉碎、过筛，制成长度为4～9mm的物料；同时将无机基质、有机基质经消毒、灭菌后备用；

2)、改性在上述制备的椰糠中按质量体积比为1∶10～40加入清水，使椰糠完全浸入水中，搅拌均匀，溶胀0.5～3h；然后按酶活力与椰糠重量的比为25～70IU/g的比例加入酸性纤维素酶，用酸调节pH值至4.5～5.5，室温下酶解32～48h，酶解时每隔2～3h搅拌一次；然后按酶活力与椰糠重量的比为10～30IU/g的比例加入半纤维素酶，室温下酶解8～12h；然后加入碳酸钠调节pH值至8.0～9.0，升温至70～90℃，保持2～3h即可灭酶，得到椰糠酶解粗液；

3)、干燥分级将椰糠酶解粗液过滤、干燥、粉碎、分级，即可制得不同粒度和规格的改性椰糠；

4)、添加基料按配比将改性椰糠、无机基质和有机基质经消毒后混合均匀，调节pH值至5.0～7.0；

5)、包装将混合好的基质干燥、包装，即可制得适宜不同作物生长的改性椰糠栽培基质。

5.根据权利要求4所述的改性椰糠栽培基质的制备方法，其特征在于：所述酸性纤维素酶是指酶活力为10000～20000IU/g的酸性纤维素酶。

6.根据权利要求4所述的改性椰糠栽培基质的制备方法，其特征在于：所述半纤维素酶是指酶活力为5000～8000IU/g的半纤维素酶。