汽爆与汽爆后发酵对棉花秸秆营养价值的影响

2018-10-08张志军郭同军桑断疾崔继文

动物营养学报 2018年9期

张志军郭同军* 赵洁桑断疾石勇崔继文

(1.新疆畜牧科学院饲料研究所，乌鲁木齐830000；2.新疆巴州草原工作站，库尔勒841000； 3.新疆弘瑞达纤维有限公司，库尔勒841000)

作为新疆农业支柱产业之一的棉花种植业，2013年棉花秸秆总量近800万t。据魏敏[1]测定，新疆奎屯地区棉花秸秆中粗蛋白质(CP)含量为6.5%、木质素(ADL)含量为15.2%、纤维素含量为44.1%、半纤维素含量为10.7%、钙(Ca)含量为0.65%、磷(P)含量为0.09%、游离棉酚(FG)含量为0.03%，具有作为动物粗饲料来源的良好开发潜力。尽管棉花秸秆CP含量高于麦秸和稻秆，但其木质化程度较高，另外含有有毒的FG，且适口性差，增加了棉花秸秆饲料化利用的难度。如果通过处理降低棉花秸秆的ADL和FG含量将大大提高其饲料化利用率，进而可缓解新疆饲草料短缺问题。玉米秸秆、麦秸、稻秆等粗饲料有水泡、氨化、碱化以及生物发酵等处理方法，不同的方法对不同秸秆的作用效果有所不同[2-5]。近年来，学者对农作物秸秆汽爆处理研究有所进展。汽爆可以降低秸秆的纤维素、半纤维素以及ADL含量[6-8]；稻草、桉树、谷物秸秆进行汽爆处理后进行瘤胃液体外发酵处理，提高了其在反刍动物瘤胃中的消化率[9-11]。本试验将棉花秸秆用汽爆和固态发酵技术联合处理，利用汽爆过程中高温高压作用来破坏细胞壁，打开ADL和半纤维素的共价键，以释放纤维素和半纤维素，使营养物质裸露，然后添加菌剂对其进行固态发酵以利于微生物降解，增加动物对棉花秸秆的消化利用率。本试验通过测定饲料常规营养成分，评价这种物理和生物联合作用的效果，进而为制作营养价值高的棉花秸秆饲料和今后动物对其的利用提供必要理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用棉花秸秆采自新疆巴州，由棉花秸秆收获机械收获，长度为10 cm左右，风干棉花秸秆的水分含量为10.4%。试验发酵所用的活性杆菌来自于海星资环秸秆发酵剂，其主要成分为枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)、植物乳杆菌(Lactobacillusplantarum)、酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)等，其中活性菌的数量可达200亿个/g。

1.2 棉花秸秆的汽爆处理

棉花秸秆的处理在新疆弘瑞达纤维有限公司进行。根据汽爆棉花秸秆生产流程，先将粉碎至2～3 cm棉花秸秆进行加水浸润，当水分含量达40%时，采用蒸汽爆破设备将棉花秸秆通过进料装置送入膨化脱糖脱毒机(ZL2014208627577)，通入水蒸汽使压力达到2.5 MPa，220 ℃时维压2～3 min，然后瞬间释压，使物料在自然压差条件下快速膨化并喷入收集罐中，由收集罐排出的膨化料依次通过出料绞龙、出料提升机，然后送入逆流冷却器进行冷却。对需要发酵的棉花秸秆按比例每吨喷洒含发酵剂的水(发酵剂∶水=1 g∶350 kg)约500 kg，调节水分含量达60%～65%，利于发酵。

1.3 采样方法

1)未处理的棉花秸秆(对照组，CK组)：从待处理的棉花秸秆原料堆中，采用五点法进行样品采集，先确定对角线的中点作为中心样点，再在对角线上选择4个与中心样点距离相等的点作为样点，分别采集1 kg样品，将收集的5 kg样品混合后，四分法取样1 kg，-20 ℃密封保存待检，试验共分3批采集样品。

2)粉碎棉花秸秆(S组)：将1)中采集的棉花秸秆用粉碎机进行粉碎，粉碎后的棉花秸秆长度为2～3 cm，采集未进汽爆仓的粉碎棉花秸秆样品各0.5 kg，-20 ℃密封保存待检，取样方法同1)，且与1)对应采集3批样品。

3)汽爆棉花秸秆(SE组)：将2)中粉碎的棉花秸秆进行汽爆处理，汽爆结束后冷却，从汽爆仓中取样，-20 ℃密封保存待检，取样方法同1)，且与1)对应采集3批样品。

4)汽爆后发酵棉花秸秆(SEF组)：3)中汽爆后的棉花秸秆经冷却后，添加1%的活性杆菌，装入厌氧袋中，排出空气后密封，发酵温度不能低于15 ℃，发酵45 d后取样，-20 ℃密封保存待检，取样方法同1)，且与1)对应采集3批样品。

1.4 指标检测

1.4.1 常规营养成分

将样品带回实验室，分析干物质(DM)、总能(GE)、CP、粗脂肪(EE)、酸性洗涤纤维(ADF)、中性洗涤纤维(NDF)、ADL、粗灰分、Ca和P的含量。CP含量采用GB/T 6432—1994凯氏定氮法测定，仪器为海能K1100。EE含量采用GB/T 6433—2006石油醚浸提法测定，仪器为索氏提取仪。Ca含量采用GB/T 6436—2002原子吸收法测定，仪器为东西电子原子吸收仪7000。P含量采用GB/T 6437—2002分光光度法测定，仪器为分光光度计(GC2010)。NDF和ADF、ADL含量采用GB/T 20806—2006、NY/T 1459—2007、GB/T 2080—2006消煮法测定。水分含量采用GB/T 6435—1986方法测定。粗灰分含量采用GB/T 6438—2007方法测定。GE采用燃烧法测定，仪器为量热仪OR2014.

1.4.2 粗饲料分级指数(GI)

GI是我国动物营养学家卢德勋先生2001年提出的评定粗饲料品质的科学指标。

GI=ME×DMI×CP/NDF。

式中：ME为粗饲料代谢能(MJ/kg)，在奶牛上使用泌乳净能(NEL)；DMI为粗饲料干物质自由采食量(kg)；CP为粗蛋白质含量(%DM)；NDF为中性洗涤纤维含量(%DM)。其中DMI校正为40 kg标准体重绵羊的DMI(1.4 kg/d)，ME参照刘洁[12]公式ME(MJ/kg DM)=3.866+0.285×CP(%DM)计算，其他数据为实测值，计算时需由风干基础转化成DM基础后计算。

1.4.3 游离FG含量

饲料样品采用具有水循环制冷的FOSS MILL打碎后送至第三方检测机构采用GB/T 13086—1991方法检测FG含量。

1.5 统计分析

数据采用Excel 2007进行初步整理，采用SAS 9.0的GLM模型进行单因素方差分析，多重比较采用Tdiff法进行，P<0.01为差异极显著，P<0.05为差异显著。

2 结果与分析

2.1 汽爆和汽爆后发酵处理对棉花秸秆常规营养成分的影响

由表1可知，SE组和SEF组棉花秸秆CP含量较S组分别提高了10.79%和14.60%(P<0.01)；与对照组相比，SEF组棉花秸秆CP含量也提高了5.40%(P<0.05)。S组、SE组、SEF组棉花秸秆EE含量较对照组分别提高了29.29%、61.09%、59.83%(P<0.01)，SE组和SEF组棉花秸秆EE含量较S组也分别提高了24.60%和23.62%(P<0.01)。各组之间棉花秸秆Ca、P含量变化幅度不大，其中SEF组的含量较高，SE组较低，另外，SEF组棉花秸秆灰分含量亦最高，S组最低。SEF组棉花秸秆的GE最高，较SE组、S组和对照组分别提高了7.89%、24.56%、10.27%(P<0.01)。

表1 汽爆和汽爆后发酵处理对棉花秸秆常规营养成分的影响 (干物质基础)

同行数据肩标无字母或相同字母表示差异不显著(P>0.05)，不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)。下表同。

In the same row, values with no letter or the same letter superscripts mean no significant difference (P>0.05), while with different small letter superscripts mean significant difference (P<0.05), and with different capital letter superscripts mean significant difference (P<0.01). The same as below.

2.2 汽爆和发酵处理对棉花秸秆纤维素含量的影响

与S组相比，SE组、SEF组棉花秸秆NDF和ADF含量分别提高了10.83%、9.85%和23.94%、14.52%(P<0.01)；S组棉花秸秆ADL含量最高，SE组次之，SEF组最低，各组之间差异极显著(P<0.01)。

表2 汽爆和发酵处理对棉花秸秆纤维素含量的影响 (干物质基础)

2.3 汽爆和汽爆后发酵处理对棉花秸秆FG含量和GI值的影响

由表3可知，经过不同处理，棉花秸秆中FG含量变化极显著(P<0.01)，SEF组达到断奶后反刍动物的安全限量(200 mg/kg)[13]以下。处理后的棉花秸秆GI值也有提高，其中SEF组和SE组GI值较对照组分别提高了11.60%(P<0.01)、11.58%(P<0.05)，S组GI值较对照组提高了2.11%，差异不显著(P>0.05)。

表3 汽爆和汽爆后发酵处理对棉花秸秆FG含量和GI值的影响(干物质基础)

3 讨论

3.1 汽爆及汽爆后发酵对棉花秸秆营养价值的影响

汽爆处理主要通过高温高压的爆破作用使底物发生化学的改变，同时亦可改变物理结构，发酵则是通过微生物作用来促进纤维素的降解利用和其他营养物质的合成。和立文等[14]对玉米秸秆、麦秸、稻秆进行了汽爆处理，其中玉米秸秆CP含量提高了0.45%，麦秸和稻秆分别降低了0.8%、0.1%。另外，蒸汽爆破处理可造成DM损失，进而相对提高了粗灰分、CP和EE在DM中的含量，但也造成中性洗涤不溶氮(NDIN)和酸性洗涤不溶氮(ADIN)含量的增加[15-17]。本试验中棉花秸秆汽爆处理后，CP含量较仅粉碎的棉花秸秆提高了10.79%，汽爆后再发酵的棉花秸秆CP含量增加了14.60%，说明汽爆且发酵处理可以提高棉花秸秆CP含量，汽爆处理和汽爆后发酵处理还使得棉花秸秆粗灰分、Ca、P含量都有所增加，这与和立文等[14]的研究结果类似。汽爆过程可使脂肪细胞破裂，溢出的脂肪与淀粉基质结合，形成脂肪-淀粉复合物，减少了脂肪的变质，利于脂肪的储存[18]。本试验中，与粉碎棉花秸秆相比，汽爆和汽爆后发酵显著提高了棉花秸秆EE含量和GE。汽爆后，伴随着木质结构的解构，纤维素和半纤维素更加有利于微生物的附着和消化酶的作用，同时，高温高压可将秸秆部分营养成分降解为可溶性糖、有机酸等物质，有利于微生物的繁殖和动物的消化利用[19-20]。

3.2 汽爆及汽爆后发酵对棉花秸秆纤维素含量的影响

秸秆的细胞壁主要成分为ADL，通过与少量淀粉、果胶以及蛋白质的牢固结合，难以被动物消化利用，且对其他营养物质的降解率产生副作用。如果能通过破坏木质结构，达到释放营养物质和降低ADL含量的效果，则可提高动物对秸秆的利用效率。与粉碎处理相比，单独对棉花秸秆进行蒸汽爆破可能对ADL的降解效果并不是特别理想，本试验汽爆棉花秸秆ADL含量仅降低了5.79%，但通过汽爆后发酵，ADL含量降低了26.41%，汽爆处理对NDF和ADF含量影响较小，变化幅度不大。不同的秸秆其汽爆处理的效果不尽一致。经过蒸汽爆破处理的芦苇纤维素含量可增加19.2%，ADL含量降低5.5%，还原糖含量提高4.51%[21]。郑丽丽等[22]对香蕉叶进行蒸汽爆破处理，结果发现其ADL含量由14.62%降至6.52%，降解率为55.40%。另外，在2.5 MPa的压力下进行200 s的爆破处理的玉米秸秆纤维素、半纤维素、ADL含量分别降低26.44%、82.99%、35.12%[23]。通过蒸汽爆破，可打破ADL与纤维素等物质的结合，有利于增加纤维内部的表面积，微生物对底物接触点也大大增加，方便微生物接触底物进行降解作用，同时蒸汽爆破产生部分还原糖，为微生物的生长提供了碳源，促进了微生物的生长代谢，进而促进关键酶类降解ADL。

3.3 汽爆及汽爆后发酵对棉花秸秆FG含量的影响

本试验结果表明，汽爆后发酵不仅提高了棉花秸秆的GI值，还降解了大部分的FG，为动物有效利用棉花秸秆扫清了障碍。钟英长等[4]分离了5种微生物菌类，其对未经榨油的棉籽仁粉的微生物脱毒率达60%～74%；王清华等[24]研究表明，固定蒸汽爆破压强为2.0 MPa时，适宜的水料比为30%，适宜维压时间为30 s，棉籽粕中FG含量达85.0 mg/kg，脱毒率达87.0%。经过不同处理，棉花秸秆中FG含量变化极显著，SEF组达到断奶后反刍动物的安全限量(200 mg/kg)[13]以下，说明通过汽爆和发酵联合处理棉秆可基本解除棉秆中FG的毒害。