基于棉秆的全混日粮制备工艺技术研究

吴德胜，刘廷发，谭荣英，李鹏(中国农业机械化科学研究院，北京 100083)

基于棉秆的全混日粮制备工艺技术研究

吴德胜，刘廷发，谭荣英，李鹏
(中国农业机械化科学研究院，北京 100083)

针对我国畜牧业发展迅速、饲料需求量日益增加、人畜争粮局面不断发展的现状，研究以先进的微生物技术为基础，利用破碎后的棉秆等粗饲料作为发酵主体，玉米粉等作为能量饲料，添加一定量的水和微生物菌剂，采用厌氧发酵技术制备反刍动物全混合日粮（TMR）的工艺方案。同时开发出一组用于棉秆资源饲料化利用的新设备、新技术，为解决我国养殖行业饲料来源过度依赖粮食，秸秆资源长期闲置、处理困难等问题提供了有效的解决办法。

棉秆；全混日粮；工艺方案；设备

近年来，随着我国畜牧业尤其是反刍动物养殖规模化的迅猛发展，对于饲料的需求量逐年升高，由于目前饲料行业对于粮食的过度依赖，导致出现了人畜争粮和饲料成本奇高的局面。因此，党中央和国务院已把“利用农作物秸秆开发节粮型饲料发展畜牧生产”定为我国今后饲料和养殖业的发展方向。我国农作物秸秆资源非常丰富，每年农作物秸秆产量可达8亿t以上[1]，然而，目前农作物秸秆中仅有不足10%用于饲料加工，其余的大部分秸秆被用作烧柴做饭，或在田间直接焚烧，不仅造成严重的资源浪费，而且污染环境。

我国是世界上最大的棉花生产国，具有丰富的棉花秸秆资源。棉秆作为农业副产品，是非常宝贵的生物资源，与其他农作物秸秆相比，棉秆含有较多的粗蛋白[2]，具有较高的饲用价值。然而，棉秆中同时含有较多的纤维素、木质素等，适口性较差，动物对其消化率率不高，而且棉秆中含有具有毒性的游离棉酚，极大地限制了其饲料化应用。实践证明：通过科学的发酵工艺加工处理棉秆来制作饲料，可以使粗蛋白水平提高5%，纤维素降解6.8%，同时棉酚含量可降低到40mg/kg左右，降解率达到49%[3]，不仅降低了有毒物质对棉秆饲料化利用的限制，更提高了其本身的营养价值。加大棉秆的饲料化利用，既能充分利用现有丰富的秸秆资源，避免秸秆焚烧等对环境造成的污染，同时又节省饲料粮食，对于促进我国畜牧行业健康发展、缓解饲料过度用粮局面具有积极意义。

1 棉秆资源饲料化利用工艺方案

秸秆资源转化为饲料的具体方法按照加工原理不同，可分为物理处理法、化学处理法和生物处理法[4]。其中生物处理法以其安全可靠、环保无污染、设备能耗较低等特点，成为目前秸秆饲料化利用的研究重点。

本工艺方案以先进的微生物技术为基础，利用破碎后的棉秆等粗饲料作为发酵主体，膨胀玉米等作为能量饲料，添加一定量的水和微生物菌剂，采用厌氧发酵技术制备反刍动物全混日粮（TMR）。其工艺路线如图1所示。

按照TMR营养要求，将破碎后的棉秆（长度＜5cm）、膨胀加工后的玉米、菌剂和水按照一定比例混合均匀后形成发酵物料，通过缓存输送装置输送至压捆打包设备中进行打包操作，物料经过打包密封后形成厌氧环境，在常温条件下进行厌氧发酵。厌氧发酵过程主要包括：通过微生物的自身生长繁殖和代谢活动，将物料中所含有的不易被动物消化吸收的纤维素、半纤维素等物质有效降解为小分子糖类，如葡萄糖、果糖等；经过特殊的微生物转化，合成多种氨基酸、菌体蛋白、脂肪酸及维生素等生理活性物质，产生醇、酸、酯等风味物质，改善秸秆的适口性和营养价值，满足畜禽动物对能量和各种营养物质的需要；棉秆中含有的有害物质棉酚在微生物的作用下被降解脱毒，保证了饲养过程的安全。

利用本工艺方案在厌氧条件下制备的反刍动物全价饲料营养均衡，改善了动物采食的适口性，能够促进动物对饲料的消化吸收，有利于提高反刍动物的肉奶产量。生产过程绿色无污染，有效提高了棉杆的利用价值，拓宽了反刍动物粗饲料来源，节省了养殖饲料成本。

图1 棉秆饲料化工艺流程图

2 设备选型与工艺设计

2.1 收割粉碎系统

棉花秸秆是一种木质化程度较高、韧皮纤维丰富的硬秸秆，在进行饲料化利用之前，需要先经过揉搓粉碎，使秸秆长度≤5cm，才能进行进一步的加工处理。人工收获棉花秸秆因劳动强度大、效率低，目前已逐渐被机械化收获所取代。棉花秸秆机械收获模式主要有两种，一种为先使用棉秆拔取铺条机将棉花秸秆连根拔出、顺序铺放后，再采用棉秆捡拾收获机进行捡拾、打捆、装运等后续操作的两段式收获法，另一种为使用棉秆联合收割机进行低茬收割、强制输送、揉搓切碎、自动卸料等全部收获工作的一段式收获法；一段式收获方法因其工序简单、操作简便，收获不受季节限制等优点受到越来越多用户的认可。国内新疆中收农牧机械公司研制的9LRZ2.7自走式青黄贮秸秆收获机[5]（图2所示），可用于收获麦秸、豆秸、棉秆、葵花秆、玉米秸秆和人工草场饲草等，该机型采用的新型揉切粉碎方式，与传统的铡切方式相比降低了动力消耗，解决了作物秸秆揉搓效果差的问题，提高了秸秆破节率，保证了标准草长率等主要参数[6]，其秸秆揉搓切碎功能能够满足棉秆资源饲料化利用对棉秆物理特性的要求。

图2 9LRZ-2.7自走式青黄贮秸秆收获机

2.2 精料膨胀加工系统

TMR中的精饲料主要以谷物和添加剂为主。我国精饲料多以玉米为主，其中含70%～75%的淀粉，是全混日粮中能量的主要来源，而玉米的淀粉分子聚集成致密的淀粉粒结构，含有抗酸、抗酶的晶体结构，不易于被消化酶消化，影响了动物的吸收利用，进而增加养殖成本。通过加热（60～80℃）可以使玉米中的淀粉粒膨胀爆裂，变成一种塑性的熔融物质,在水中溶胀，形成均匀的糊状溶液，称为淀粉的变性或糊化。淀粉经过糊化后，便能够被酶充分水解，进而被动物消化吸收[7]。目前，常用的玉米淀粉糊化方法包括蒸汽压片法和膨胀加工法等。

蒸汽压片法是指先将谷物经过蒸汽调质，使其膨胀、软化，并调整含水率后，通过一对反向旋转压辊，碾压成特定密度的谷物片的加工方法，虽然蒸汽压片可以增加淀粉的糊化度，使玉米淀粉的消化率提高，但是使用蒸汽压片法加工玉米的最适压片密度较小，反刍动物食用后易引起瘤胃臌气和酸中毒，同时蒸汽压片法需要进行后续烘干，能耗较大，经济性较低；膨胀加工法是指先利用调质器将粉碎后的玉米等进行调质处理，再使用膨胀器对调制后的原料进行膨胀加工，最后经过冷却制成膨胀饲料的加工方法，其主要工作原理是通过对谷物施以高温高压然后减压，利用物料本身的膨胀特性和其内部水分的瞬时蒸发（闪蒸），引起物料的组织结构和理化性能发生改变，使物料膨胀。精饲料经过膨胀加工后淀粉糊化度可提高至60%以上，玉米淀粉的消化率能够提高10%～20%，并能显著增加过瘤胃蛋白含量，而且膨胀产品密度比较适中，颗粒结构松散，比表面积大，增加了动物肠道消化酶或微生物作用的机会，同时几乎不影响中性洗涤纤维的消化率。原料经过高温高压膨胀后，能有效灭菌去毒，扩展了原料资源。与蒸汽压片加工工艺相比，膨胀加工的淀粉糊化度更高，更适于加工玉米、高粱等饲用谷物；其产品流动性好、密度高，适于工厂化生产；膨胀加工后含水率较低，无需干燥，能耗更低。目前膨胀加工法已广泛被欧美（特别是欧洲）饲料厂用于加工反刍动物饲料[8]。

国内外许多饲料设备制造厂商均推出了精料膨胀加工设备，这其中具有代表性的有奥地利的ANDRITZ公司、德国的KAHL公司以及国内的中国农业机械化科学研究院中机华丰（北京）科技有限公司。国内中机华丰公司研发的EPS系列膨胀器和配套逆流冷却系统对精饲料进行膨胀加工，能够实现精饲料快速熟化、冷却，系统整体结构紧凑，占地面积小。图3所示为该公司研发生产的EPS系列膨胀器。

图3 中机华丰（北京）科技有限公司生产的EPS系列膨胀器

2.3 配料计量混合设备的选择

棉秆经收获设备收获后（收获时粉碎过程已完成），或经人工收获并经过揉搓切割后，与膨胀玉米、水和菌液等按一定比例计量并混合均匀，计量的准确性以及混合的均匀度对于后续厌氧发酵过程能否正常进行有很大的影响，因此必须选择适合的配料计量混合设备，以保证棉秆资源饲料化利用的顺利进行。

TMR搅拌设备能够将精饲料、干草、青贮料等不同形状、比重、重量的饲料按比例计量并均匀混合，其具有如下特点：对日粮各组分进行精确计量、混合、剪切和揉搓，改善了饲料的适口性；降低了工人的劳动强度，提高了劳动生产率；低质饲料可以被消化吸收，提高饲料利用率；使日粮营养均衡，提高肉奶产量。

使用TMR搅拌设备对棉秆、玉米等进行计量混合后能够完全满足后续厌氧发酵对物料组成成分比例和均匀性的要求。同时TMR搅拌设备还可以用于养殖场对日粮各组成成分进行搅拌、切割、混合和饲喂等操作，避免因棉花秸秆收获的季节性而带来的设备闲置问题。国内外具有代表性的TMR搅拌设备生产厂家有意大利的STORTI公司、法国的KUHN公司以及国内的华德牧草机械有限责任公司和中机华丰（北京）科技有限公司。图4所示为中机华丰公司以及KUHN公司研发的TMR搅拌喂料车。

图4 两款TMR搅拌喂料车

TMR搅拌设备的配置可参考如下：

方案：按照每天生产80t发酵饲料计算，一般TMR搅拌设备批量工作混合周期节拍为上料:混合:卸料=10min:10min:10min，每0.5h可生产一批，以每天生产10h计，发酵饲料容重约为0.35t/m3，则需要配置容积为18m3的TMR搅拌设备1台。

2.4 粗精饲料上料系统工艺设计

根据一般TMR搅拌设备批量工作混合周期节拍计算，上料阶段10min内需将15m3的棉杆和精饲料依次输送到TMR搅拌设备内，如果要采用刮板或皮带等输送设备，小时产量要在90m3以上，设备投资太大，同时仍然要配人工投料，无法降低劳动强度；因此，可以选用装载机上料，灵活、方便快捷，劳动强度低。

2.5 菌液添加系统工艺设计

棉秆厌氧发酵制备反刍动物全混日粮，含水率应控制在60%左右。棉秆在不同阶段收获的含水率变化较大，针对新疆地区，南疆和北疆又有所不同；南疆一般人工收获，从秋天12月份开始到3月份结束，秋天的含水率一般在23%～24%，1、2、3月份的含水率一般在18%；北疆一般采用机收，大多在12月份开始40d内完成，棉秆的含水率一般在38%。因此，在加工制备反刍动物全混日粮过程中要根据情况加水调节物料湿度。

按棉秆发酵制备羊TMR计算：一般头只日均采食饲料2kg，其中精饲料0.4kg，粗饲料1.6kg（棉秆70%、青贮20%、苜蓿10%）；精饲料含水率12%，青贮含水率65%，机收棉秆含水38%，苜蓿干草含水量14%。厌氧发酵控制含水率在60%，按上述配方计算需要加水1.23kg。

本方案设计批次产量4t、每小时加工两批，含水率60%，按上述配方物料与添加水的重量比为2:1.23，则水添加量要达到40%，即批次水的添加量为1.6t，添加时间按4min计算，进水流量应在25m3/h以上；普通自来水一般按水流速度1.5m/s（压力2kg）计算，通径DN25（1”管）水管的供水流量为7～8m3/h，直联到TMR搅拌机不能满足供水要求；因此应设计流量25m3/h以上的供水系统，配套容量为3m3的水箱及水泵，通过称重及控制系统完成批次配方加水量，满足生产实际工艺要求。

本工艺所采用的发酵菌剂为水溶性液体，可将菌剂根据批量配方添加量一次添加到水箱里，通过加水系统一起将菌剂添加到混合系统里，实现菌剂的添加。

2.6 缓存输料工艺设计与设备选型

图 5 有机质缓冲喂料机

压捆打包系统工作时，需要连续稳定地喂料，由于TMR搅拌设备的工作特点，物料每隔半小时卸料一次，无法满足压捆打包系统对于物料连续性的工作要求，需要选用相应的缓存输料设备进行来料暂存、稳定输料的操作。因国内目前尚无相应的设备可供选择，中机华丰（北京）科技有限公司根据工艺要求设计制造了有机质缓冲喂料机（如图5所示）。该设备最高可容纳9m3的物料，同时能够不间断地向外输送物料，既能在较短时间内接收上游设备传来的大量物料，又能向下游设备持续稳定地输出物料，将上下游设备不同的生产节拍有机地连接起来，确保了生产过程的持续性和整体性。

2.7 压捆打包系统工艺设计

根据厌氧发酵条件要求，以及物料自身的特点，配料混合后的成品含水率约为60%，密度0.35t/m3，且含有大量长纤维，整体较为蓬松，流动性差，采用传统的粮食包装常规自动打包难以实现正常生产，故采用全混日粮专用压捆打包系统，可有效解决因物料特性决定的打包难的问题，自动化程度高，劳动强度低。

图6 全混日粮专用压捆打包系统

该系统储料输送机接收缓存来料的同时将物料由中间输送机均匀喂入到液压压捆机，在微电脑的控制下实现每捆50kg的压捆工序，在压捆机的卸料口人工套袋，料捆被推送到塑料包装袋内后，人工扎包；为避免长途运输时塑料袋破碎，在塑料袋外套1编织袋，编织袋采用人工缝包机封包。图6为选用的全混日粮专用压捆打包系统以及打包完成后的成品。

3 经济性分析

目前，棉秆资源作为饲料利用较为普遍的工艺路线为棉花秸秆经由田间切割打捆后，运输回养殖场或饲料加工厂，通过切割、粉碎、浸泡，并与其他种类的饲料混合后饲养动物或对外销售。其中，棉秆的收割、捡拾、打捆和方捆装车分别由人工或机械完成，人工操作劳动强度大、成本高，不适合大规模棉秆收获作业。而使用机械作业则需分别购置相应的收割、捡拾、打捆和装车设备，投资成本较高，而且，在捡拾打捆以及装车过程中，棉秆植株上营养价值较高的棉桃壳、细枝茎和棉叶等部分容易脱落，造成了不必要的资源浪费和营养损失。同时，由于棉秆中的粗纤维和木质素含量较高，适口性较差，在喂养之前，需要粉碎至直径1cm以下，对粉碎及筛分设备的性能要求较高，切割粉碎后还需要经过长时间的浸泡，使秸秆软化，才能进行饲喂，浸泡方法处理棉花秸秆不仅耗时较长，且需要大量水资源，不适合规模化养殖场和饲料加工厂的大量生产需求。

表1 基于棉秆的全混日粮制备成本分析

与传统的工艺方案相比，本工艺方案所采用的收割粉碎方法只需一台设备即可，劳动强度低、生产率高，适合大规模种植的棉花秸秆收获；经过压缩打包后降低了体积，利于储运；混合精饲料和其他微量元素，包含动物日常所需的全部营养；加入的菌剂在厌氧环境下能够降低棉秆中含有的有害物质棉酚，并能使秸秆纤维软化，提高了消化率。使用该工艺技术制备全混日粮，按照目前常规市场行情，针对生产运营过程进行的成本分析如表1所示。

经计算，使用棉秆制备全混合日粮每吨料成本为568.18元，属于市场可接受范围。在当前粗饲料短缺的大背景下，完全可针对棉杆采取厌氧制备全混日粮工艺技术进行大面积推广应用。

4 结语

我国含有丰富的棉花秸秆资源，通过微生物分解技术将其转化为价格低廉且营养丰富的饲料，不仅对节粮型畜牧业发展、拓宽养殖饲料来源具有积极的促进作用，同时减轻了因棉秆大量堆积、焚烧等对环境造成的负面影响，对保护和改善生态环境、实现农业及畜牧业健康、稳定、可持续发展都有非常重要的意义。然而，我国现有的秸秆饲料化生物处理技术与国外相比尚有一定的差距，今后要加强高效生物发酵菌的培育与筛选，加强对秸秆处理专用设备和技术的研究与开发等工作，尽快提高我国的农作物秸秆开发利用水平。

[1] 毕于运, 王亚静, 高春雨. 中国主要秸秆资源数量及其区域分布[J]. 农机化研究, 2010, 32(3):1-7.

[2] 张永建, 郝雷雷, 丁健,等. 新疆棉秆发酵饲料加工利用[J]. 农业工程, 2014, 4(6):44-46.

[3] 许宗运, 张锐, 张玲,等. 棉秆不同微贮方法效果研究[J]. 中国草食动物, 1999,4:22-24..

[4] 单洪涛, 吴跃明, 刘建新. 秸秆饲料化技术的研究进展[J]. 中国饲料, 2007,4:34-36.

[5] 米合热古丽·艾买提, 吐尔逊·乌斯曼, 库尔班·阿纳也提,等.9LRZ-2.7型自走式青黄贮秸秆收获机的研制[J]. 新疆农机化, 2013,2:9-10.

[6] 张武军, 孙延智, 杜小荣,等. 9LRZ-2.7自走式青黄贮秸秆收获机揉切粉碎装置的研究设计[J]. 新疆农机化, 2015,1:10-10.

[7] 李丽, 孙杰, 李军国,等. 膨化加工对玉米糊化及抗营养因子消除的影响[J]. 饲料工业, 2013,7:20-23.

[8] 李忠平. 膨胀加工对饲料营养成分的影响[J]. 饲料工业, 2001, 22(4):7-9.

Research on Preparation Process Technology of TMR (Total Mixed Rations) Based on Cotton Straw

WU De-sheng, LIU Ting-fa, TAN Rong-ying, LI Peng
(Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 100083)

Research on preparation process technology of TMR(Total Mixed Rations) based on advanced microbiological technology, crushed cotton stalks and other roughage as the main fermentation material, expanded corn flour as the energy feed and adding water and microorganism in order to carry out anaerobic fermentation. At the same time, developed a set of new equipment, new technology for cotton stalk feed resources utilization, provides an effective solution to the problem of sources of feed ingredients excessively dependent on grain, straw resources idle for a long time and difficult to deal with.

Cotton straw; TMR; Process scheme; Equipment

S816.34

A

1004-4264（2017）02-0050-05

10.19305/j.cnki.11-3009/s.2017.02.013

2016-07-27

现代节能高效设施园艺装备研制与产业化示范（2014BAD08B00）。

吴德胜(1963-)，男，研究员。