秸秆饲料化技术研究进展

2015-03-20张国启王彦华郑爱荣张晓霞

河南畜牧兽医 2015年23期

关键词：氨化消化率木质素

张国启，王彦华，郑爱荣，张晓霞

（河南省饲草饲料站，河南郑州　450008）

秸秆饲料化技术研究进展

张国启，王彦华，郑爱荣，张晓霞

（河南省饲草饲料站，河南郑州450008）

随着我国经济的发展，发展以食草牲畜为主的节粮型畜牧业成为我国畜牧业发展的重点，粗饲料短缺的现象日益严重，秸秆饲料化利用成为人们关注的热点。通过介绍国内外提高秸秆饲料的方法、技术及其原理、效果和优缺点，指出其中存在的问题，并对其发展趋势作了展望。

秸秆；饲料；处理方法；利用

农作物秸秆是指籽实或果粒收获后剩下的作物残留物，其包括禾谷类、豆类、油料类、薯类和瓜果类秸秆。我国是一个农业大国，农作物秸秆资源十分丰富。目前，每年可利用的农作物秸秆产量达6亿多t，约占世界总产量的20%～30%。但其中大部分未得到有效利用，甚至被就地焚烧或丢弃，造成严重的环境污染以及资源浪费［1］。秸秆养畜在我国具有悠久的历史，是秸秆综合利用的一种重要方式。农作物秸秆本身是反刍动物粗饲料的重要组成部分，但由于粗纤维含量高，矿物质和蛋白质含量低，造成其可消化率低，适口性不佳，从而限制了它在生产中的应用。因此，秸秆饲料化对缓解人畜争粮矛盾、减少环境污染和资源浪费及保持畜牧业稳定发展具有重要的现实意义，同时，提高秸秆消化率、秸秆饲料化途径成为当前的研究热点。

1　物理处理法

物理处理法就是借助人工和机械等手段，通过浸泡、蒸煮、切短、揉碎、粉碎、膨化、热喷、射线照射等方法改变秸秆的物理性状，便于家畜咀嚼，减少能耗，同时也可改善适口性，提高采食量。

1.1超微粉碎

超微粉碎技术是近年来迅速兴起的一种高新技术，能把原材料加工成微米级甚至纳米级的微细颗粒（＞300目，即＞0.05 mm）［2］。秸秆经过超微粉碎后，其颗粒变小，增大了与消化酶接触的表面积，提高物料细胞的破壁率，增加物料颗粒有效成分的溶出度，从而提高其利用率。有关专家认为只有经过超微粉碎，从分子水平上破坏纤维素的结构，才能提高秸秆消化率，但其加工处理费用昂贵，难于在生产中推广应用。

1.2热喷和膨化处理

热喷处理技术的作用原理是通过热力效应和机械效应的双重作用，首先用170℃以上的高温蒸汽，破坏秸秆细胞壁上的木质素、纤维素和半纤维素，导致氢键断裂而吸水，从而使木质素、纤维素和半纤维素等大分子发生水解成为小分子物质或可利用的残基。然后通过高压喷放，经内摩擦作用，再加蒸汽突然膨大及高温蒸汽的张力作用，使茎秆撕碎，增大与消化酶的接触面积，从而提高秸秆的消化率。膨化技术的作用原理在密闭的设备中经一段时间的高温高压（200℃、1 500 KPa）处理，然后突然降压和迅速排出，以达到破坏纤维素结构、降解木质素的目的，从而增加可溶性成分。陈尚钘等报道，热喷处理对纤维素影响不显著，半纤维素含量大幅度降低，木质素含量也有所降低［3］。这两种技术都能提供秸秆的消化率，但设备投资高，限制了其在生产中的推广。

1.3氨冷冻爆破法和CO2爆破法

氨冷冻爆破法是利用液态氨在相对低温和压力（50～80℃、115 KPa）下将秸秆处理一定时间，然后突然释放压力，将秸秆爆破，以增加纤维素表面积，减少碳水化合物变性及有毒有害物质的产生。氨冷冻爆破能耗较低，是有发展前途的技术。CO2爆破法和氨冷冻爆破法作用原理相似，不同的是CO2必须以碳酸的形式存在以增加水解率，此方法一般不单独使用，通常和其他预处理方法结合使用。

1.4热液处理

热液处理方法是将物料置于高压状态的热水中，在高压下水可以渗透到生物质材料内部，水解少部分纤维素，并将半纤维素移除，以消除对纤维素酶的空间阻碍，从而提高酶解效率。有关专家在215℃、5MPa条件下对黑麦秸秆处理750 s，研究发现7.9%纤维素溶解及98%半纤维素溶解，糖转化率达92%［4］。这种方法不需要加入化学药品，水解产物中抑制后续发酵的因素极少，因而受到很多研究者的关注。

1.5微波热解

微波辐射以非热的形式引起热效应，加速离子与其他分子的碰撞，快速地旋转偶极子（24.5×108次/s）。李荣斌等研究对大豆秸秆进行微波热解。结果表明，微波处理大豆秸秆的最优条件为：微波辐射功率400 W，辐射时间40 mim，辐射温度60℃，大豆秸秆的致密结构得到明显破坏，可以更有利于纤维素酶水解［5］。但这种方法目前仅限于实验室阶段，很难形成规模优势。

1.6电子束辐照处理

电子束辐射处理是利用电子束所产生的高能射线对秸秆进行预处理，以求最大限度地降低纤维素的结晶度，从而提高纤维素的可消化性。有关专家利用电子束照射稻草，发现了预处理后确实能够增加稻草中纤维素的酶解率。试验结果表明，当稻草照射后，再用酶处理，葡萄糖得率达到52.1%，但是由于成本太高，仅限于实验室研究。

2　化学处理法

化学处理法主要是通过添加一定量的化学试剂，再经过一段时间作用，达到提高秸秆消化率的目的。

2.1碱化处理

碱化处理是借助碱类物质能使秸秆纤维素内部氢键结合力变弱，酯键和醚键破坏的特性，从而使细胞壁中的纤维素和半纤维素与木质素之间的联系减弱，纤维素分子膨胀，半纤维素和一部分木质素溶解，有利于反刍动物瘤胃微生物发挥作用，提高秸秆消化率，增加采食量。王佳堃等电镜观察结果也表明，碱处理能使粗饲料的组织结构发生变化，易于被瘤胃微生物附着消化［6］。目前碱处理的主要试剂是氢氧化钠或氢氧化钙，但由于碱类容易导致土壤板结，且碱处理添加过量影响适口性，因此碱化处理有被氨化处理代替的趋势。

2.2氨化处理

氨化处理是含氮量较低的秸秆与氨相遇时，其有机物与氨发生氨解反应，其中的木质素与多糖间的酯键结合遭到破坏，形成铵盐，铵盐是牛羊等反刍动物瘤胃内微生物的氮源；同时，氨溶于水后形成的氢氧化铵对粗饲料有碱化作用。鹿书强试验结果表明氨化可显著提高秸秆干物质瘤胃消失率，显著提高秸秆蛋白质含量［7］。莫放研究表明麦秸氨化粗蛋白质可由3.6%增加到11.6%，干物质体内消化率提高24.14%，粗纤维体内消化率提高43.77%，有机物体内消化率提高29.4%，粗蛋白质消化率提高35.3%，作物秸秆经氨化处理后，DM采食量可提高25%左右［8］。用弱碱处理秸秆能提高消化率但全部用尿素去氨化则氨的挥发损失太多，这不仅是对氮素的极大浪费而且也造成了环境污染［9］。因此，如何提高氨化过程中氮素的保留率是一个有待进一步解决的问题。

2.3氨碱复合处理

氨碱复合处理克服了氨化处理秸秆消化率提高幅度不大的缺点。郭佩玉等研究表明氨碱复合处理能使水稻秸秆消化率达到71.2%，麦秸消化率达到66.3%［10］。刘宗贵等用1%氢氧化钠和3%的尿素复合干处理稻草饲喂奶牛，干物质消化率提高了12.5%，采食量提高了4.8%，日产奶量提高了20.7%［11］。这种处理方法综合了碱化和氨化的优点，处理后秸秆的含氮量增加，其营养价值比单一碱化或氨化有所提高，且复合处理技术成本低，能显著提高秸秆的消化率，因此氨碱复合处理是秸秆处理的较佳选择。

2.4氧化处理

氧化剂能破坏木质素分子间的共价键，溶解部分半纤维素和木质素，使纤维素基质中产生较大空隙，增加纤维素酶和细胞壁成分的接触面积，从而明显提高饲料的消化率。关于氧化处理秸秆的研究较少，且处理效果不一，因此，有待于进一步研究。

2.5酸化处理

酸化处理原理基本上与碱化处理相同。因为秸秆纤维内部纤维素、半纤维素与木质素之间形成的氢键、酯键及醚键等化学键不仅可以被碱性物质破坏打开，也可以被酸性物质分解［12］。酸处理法是木质纤维素预处理最早、研究最深入的方法，直到现在人们还没有放弃对它的研究，特别是与其他方法的结合使用处理效果好，更适合工业化。

3　生物处理法

3.1青贮

微生物的发酵作用，在适宜的温度和湿度且密封等条件下，通过厌氧发酵产生酸性环境，抑制和杀灭各种腐败微生物，从而达到长期保存青绿多汁饲料及其营养成分的目的［13］，是一种简单、可靠且经济的方法，已在世界各国畜牧生产中普遍推广应用。青贮饲料气味酸香、柔软多汁、颜色黄绿、营养不易丢失、适口性好且容易被动物消化吸收，是动物冬春不可缺少的优良青绿多汁饲料。青贮可分为普通常规青贮和半干青贮。半干青贮的特点是干物质含量比一般青贮饲料多，且发酵过程中微生物活动较弱，原料营养损失少，因此，半干青贮的质量比一般青贮要好［14］。主要适用于含糖较高的秸秆，但是该法无法分解粗纤维，难以改变秸秆的化学组成，氨基酸和蛋白质含量均不够高。

3.2微贮

秸秆微贮又称微生物处理，是近年来推广的一种秸秆处理方法。微贮与青贮的原理非常相似，只是在发酵前通过添加一定量的微生物添加剂如秸秆发酵活杆菌、白腐真菌、酵母菌等，然后利用这些微生物对秸秆进行分解利用，使秸秆软化，将其中的纤维素、半纤维素及木质素等有机碳水化合物转化为糖类，最后发酵成为乳酸和其他一些挥发性脂肪酸，从而提高瘤胃微生物对秸秆的利用率。秸秆微贮技术主要是针对含水量低的麦秸、稻草以及半黄或黄干玉米秸、高粱秸等不宜青贮的秸秆。秸秆微贮后，可提高采食速度40%，采食量增加20%～40%，消化率提高24%～43%，有机物消化率提高29%，并且可改善动物肠胃的微生态平衡，但微贮法生产周期较长，且只能用于反刍动物。

3.3酶处理

酶解法是选择能够水解纤维素、半纤维素和木质素的单一或复合酶类，在满足酶作用条件下对秸秆进行处理，从而降低纤维性物质比例，提高可溶性糖含量的方法。张强等报道，在加酶量372 U/g，反应温度40℃，反应时间20 h，pH为4.5条件下，利用木质素酶降解玉米秸秆木质素的降解率为44.28%［15］。孔祥浩报道，在泌乳早期乳牛日粮中添加一定量的木聚糖酶和纤维素酶混合物，结果，试验组较对照组的产奶量提高3.6 kg/d；营养物质消化率分别提高：干物质7.4%，中性洗涤纤维8.5%，粗蛋白8.1%［16］。目前，玉米秸秆发酵中使用的酶制剂主要有淀粉酶、纤维素酶、半纤维素酶等，能降解秸秆中的纤维素、半纤维素、淀粉等多糖成分为单糖，有效提高秸秆饲料利用率及动物的生产性能。

3.4“EM”法

“EM”是有益微生物的英文缩写，这些有益菌包括耐热性芽孢杆菌群、乳酸菌群、双歧杆菌群、光合菌群、酵母菌群和放线菌群等106种有益微生物。日本琉球大学比嘉照夫教授发明的，由能产生多种酶的耐热性芽孢杆菌群、乳酸菌群、双歧杆菌群、光合菌群、酵母菌群和放线菌群等多种有益微生物组成的微生态发酵制剂处理秸秆和饲料，所得饲料称为多维复合酶菌秸秆发酵饲料，该饲料在粪便除臭和防病方面有一定效果，但其成本较高［17］。

3.5对瘤胃内环境进行营养调控

通过补充适量淀粉或蔗糖等能量物质，补充可发酵氮源，补充过瘤胃蛋白、微量元素和硫元素，充分利用秸秆饲料的营养潜力，可极大激发瘤胃微生物的活性，促进纤维分解菌的繁殖，提高反刍家畜对秸秆纤维性物质的利用率。

4　综合处理法

目前，我国推广使用了一些秸秆饲料加工技术如青贮、微贮等，虽然取得了一定的成效，但在应用中存在不同程度的弊端和缺点，其贮存量有限且占用空间大，以及技术没有形成体系，仍处于粗加工阶段。针对这些问题一些学者对秸秆饲料转化设备进行研究，以实现秸秆饲料的高效集约生产。师建芳研制了一种适用于农作物秸秆连续式秸秆梯度发酵饲料设备，该机器可在常温下优先分解半纤维素，不仅具有即用即制、操作简单的特点，而且解决了秸秆贮存问题［18］。侯哲生运用仿生学思想，以瘤胃及其微生态环境为生物原型，同时考虑了瘤胃的蠕动作用，开展了蠕动式耦合发酵罐的设计研究［19］。但这些研究都只处于初级阶段，还没有在生产应用上取得进展。

5　展望

对于如何提高秸秆饲料的利用率和营养价值，无论用化学处理还是用生物处理都取得了很大进展。我国现有秸秆饲料化加工技术与国外先进技术相比还有一定的差距，秸秆高效利用设备和技术亟待开发与研究。今后对秸秆饲料运用多种方式预处理，同时加强纤维素酶的研究，提高纤维素酶活性，筛选高产纤维素酶菌株，选育能降解秸秆木质素的高产微生物菌种，以及能降解秸秆纤维素、半纤维素的高效微生物菌种，并研究其配套的发酵工程技术，使大量的秸秆等纤维素资源得到合理的开发利用。随着我国畜牧业的不断发展与进步，秸秆饲料将成为发展畜牧业的重要资源，对于解决人畜争粮、降低能源的消耗和饲料的成本、保护和改善生态环境、实现农业及畜牧业可持续、健康、稳定发展都有非常重要的意义。

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