瞬时弹射式蒸汽爆破对玉米秸秆微贮营养成分和牛瘤胃营养物质消失率的影响

杨 森 段旭磊 裴亚欣 张海旭 陈 想 梁婷婷 宋安东 陈红歌

(河南农业大学 生命科学学院/农业农村部农业微生物酶工程重点实验室，郑州 450002)

据2019年统计，我国玉米种植面积达275 227 km2，年产玉米秸秆在2.73亿吨以上[1]。目前这些秸秆绝大部分被随意堆放，自然沤烂或焚烧[2]。另一方面，玉米秸秆既可以用作反刍动物牛羊的粗饲料直接饲喂，又可以通过青贮、微贮或氨化等多种技术手段加工后提高其营养价值[3-4]。因此，对玉米秸秆饲料化利用领域的研究，不仅解决了对秸秆处理不当导致的环境污染问题，还对国家节粮发展战略具有重要支撑意义。

对玉米秸秆进行青贮或微贮既能长期保留秸秆中的营养成分，又具有成本低和操作简便等优点而被广泛使用。在我国西部和北方大部分地区，一般玉米收获期较长，收割前后气候干燥，因此大部分玉米秸秆收获后可在自然条件下快速风干形成结构复杂、坚韧，且以木质纤维素为主要成分的干黄玉米秸秆，此类秸秆相较于青秸秆，粗纤维、水溶性碳水化合物和粗脂肪含量更低，直接作为反刍动物饲料使用不仅适口性差，而且利用率不高[5]。有大量研究表明,将木质纤维素含量较高的干黄玉米秸秆进行蒸汽爆破预处理可以有效增加大分子纤维素的酶解效率[6-7]。

蒸汽爆破(汽爆)技术是利用高温高压蒸汽的瞬间释放能量至秸秆上以破坏纤维细胞壁[8]。和立文等[9]研究表明，将玉米秸秆在水蒸气蒸煮40 min后瞬间泄压爆破，显著提高了粗饲料的相对值和干物质采食量。而瞬时弹射式蒸汽爆破(ICSE)蒸汽释放时间比普通汽爆缩短了123倍，为0.087 5 s。利用ICSE处理干黄玉米秸秆可以破坏纤维壁细胞，处理后玉米秸秆比表面积达3.4 m2/g，呈现疏松多孔状态，提高了玉米秸秆微生物对秸秆的利用率[10]。Xie等[11]使用2.4 MPa的条件ICES预处理干黄玉米秸秆后，不仅能够提高动物饲料消化率，还能完全去除黄曲霉毒素b1，为玉米秸秆的安全资源转化利用提供了新的依据；常娟等[12-13]在压力2.5 MPa，保压时间200 s的条件下对玉米秸秆进行汽爆后添加米曲霉进行发酵，发现处理后玉米秸秆中半纤维素和纤维素和的降解率分别为64.80% 和27.89%，并且产生的多种饲用酶将有利于提高玉米秸秆的降解率，进一步进行肉鸡饲养试验，发现其可以替代肉鸡日粮中8%的玉米。

在这些研究中，虽对ICSE干黄玉米秸秆进行了相关研究，但是很少从工业化的角度对利用ICSE预处理干黄玉米秸秆的最优条件进行探究，也鲜有关利用乳酸菌对利用ICSE预处理后的干黄玉米秸秆进行微贮，以及微贮后的爆破秸秆在反刍动物胃中的相关研究报道。鉴于以上研究现状，本研究旨在探究利用ICES预处理干黄玉米秸秆的最优条件，再加裹包微贮的两步法发酵工艺，用来提高干黄玉米秸秆在反刍动物中的应用。

1 材料与方法

1.1 材料

风干玉米秸秆：品种，敦玉，种植于河南郑州，收获后自然风干。

菌剂：冻干乳酸菌粉，活菌数1×1010CFU/g，购自中国科学院微生物研究所，常温存储。

密封塑料发酵桶(3 L)16个。

1.2 试验设计

利用ICES预处理玉米秸秆，其条件的选择直接影响到玉米秸秆所承受的热功转化效率以及秸秆的结构性状，基于前期进行的不同压力和保压时间对于玉米秸秆预处理的效果评价，本研究选取了3种ICES条件，分别标记为处理1、处理2和处理3(表1)，以考察这3个特定的ICES条件(压力和时间的综合作用)对玉米秸秆微贮造成的影响。所用的压力对应的温度如表1，而压力释放则在0.087 5 s内温度降至50～60 ℃，从而能够实现高效的热功转化。同时将未经ICES处理的玉米秸秆设置对照组(标记为对照，表1)，处理组及对照组各4个重复。

1.2.1ICSE预处理

将自然风干的玉米秸秆用铡刀铡成约5 cm的小段，再使用粉碎机粉碎，收集后装袋备用。按照表1中条件进行ICSE预处理玉米秸秆。瞬时弹射式蒸汽爆破机型号为：QBS-200B。

表1 试验设计Table 1 The design of experiment

1.2.2微贮

将不同ICES条件下预处理的干黄秸秆样品进行微贮，另将一份在处理3条件下经ICES处理的爆破玉米秸秆和未经ICES处理的原始玉米秸秆不进行微贮分别作为对照组。首先将菌种活化，按照每吨接种量为3 g冻干菌粉，取冻干菌种3 g，溶解至200 mL无菌水中进行活化；将活化后菌种加入在不同ICES条件下预处理的干黄秸秆并搅拌均匀，适当添加灭菌的蒸馏水，保持贮料的含水率为60%～70%。在25 ℃条件下微贮60 d。接菌秸秆微贮完成后对各组样品的营养物质成分进行检测分析和奶牛瘤胃消化率的测定。

1.2.3测定指标

ICES预处理干黄玉米秸秆再进行微贮的pH测定:将ICES预处理干黄玉米秸秆再进行微贮后的试样制备成提取液， 然后用精密酸度计测定pH；粗蛋白检测方法参照GB/T 6432—2018 饲料中粗蛋白的测定；粗脂肪检测方法参照GB/T 6433—2006 饲料中粗脂肪的测定；粗灰分检测方法参照GB/T 6438—2007 饲料中粗灰分的测定方法；淀粉检测方法参照GB 5009.9—2016食品中淀粉的测定；粗纤维检测方法参照GB/T 6434—2006 饲料中粗纤维的含量测定；NDF(中性洗涤纤维)检测参照GB/T 20806—2006 饲料中中性洗涤纤维(NDF)的测定；ADF(中酸性洗涤纤维)检测参照NY/T 1459—2007 饲料中酸性洗涤纤维的测定；ADL(酸性洗涤木质素)检测参照GB/T 20805—2006 饲料中酸性洗涤木质素的测定；氨基酸检测方法参照GB/T 18246—2000 饲料中氨基酸的测定。饲料质量评价参照青贮饲料质量评定标准(试行)进行评价[14]。

SLNB是指引流原发肿瘤的第一个或第一组淋巴结，大量临床试验已经证实在前哨淋巴结阴性的乳腺癌患者中，仅行SLNB的患者和行ALND的患者相比，其总生存率无疾病生存率以及无复发生存率等无明显差异[7]。因此早期乳腺癌处理方法通常是前哨淋巴结阴性的患者不需行ALND，而对于前哨淋巴结有恶性肿瘤细胞侵犯的患者，ALND仍是常规处理模式。

1.2.4干物质降解率检测

将微贮后的4组样品按照尼龙袋技术(ISNBT)标准方法测定牛瘤胃干物质降解率[15]。试验奶牛为3头永久安装瘤胃瘘管的荷斯坦奶牛，奶牛体重控制在650±20 kg，每天饲喂2次(早07：00和晚18:00)，饮水自由。试验奶牛饲粮为全混合日粮，配方参照《奶牛营养需要》中的奶牛饲养标准配制[16]，具体组成及营养成分见表2。试验方法为：称7 g微贮风干样品，装入孔径为50 μm，长×宽为12 cm×8 cm的尼龙袋内，用尼龙绳扎紧尼龙袋口，分别将4个袋一起捆扎在1根塑料半软管上，每头牛每个时间点设置2个重复。试验样品在早上饲喂前投入奶牛瘤胃中，体内培养24 h后取出。取出后的尼龙袋用自来水细流冲洗至冲洗水清亮、无味为止。然后再将尼龙袋中样品取出，使用65 ℃热风烘干至恒重用于检测干物质(DM)、粗蛋白(CP)和中性洗涤纤维(NDF)含量，和计算牛瘤胃营养物质消失率[17-18]。

牛瘤胃营养物质消失率/%=(放入尼龙袋某成分质量-某时间点消化后所剩某成分质量)/放入尼龙袋某成分质量

表2 基础日粮组成及营养成分(干物质基础)Table 2 Composition and nutrient components analysis of basal diet (Dry matter)

1.3 数据分析

采用GraphPad Prism 7进行图表作图及数据显著性分析，单因素方差分析采用ANOVA分析方法，多重比较采用Tukey法，P<0.05为差异显著，P<0.01为差异极显著。

2 结果与分析

2.1 不同ICES条件预处理玉米秸秆后微贮pH变化

不同ICES条件下汽爆玉米秸秆再进行微贮pH变化结果见表3，由表可知与对照组相比，三组处理组pH均显著降低(P<0.05)，并且随着汽爆压力强度的提高，处理组pH依次降低，处理3相较于对照组pH降低1.08，表现出极显著差异(P<0.01)。

表3 不同ICES条件预处理后玉米秸秆微贮pH变化Table 3 pH Changes of corn stover microsilage after pretreatment under different ICES conditions

2.2 不同ICES条件预处理玉米秸秆后微贮饲料质量评价

对不同ICES条件下预处理玉米秸秆再进行微贮效果进行评分，结果如表4所示。对照组分值最低为41分，处理2为分值最高为63分，仅次于处理2的是处理3分值为62分。虽然处理2得分较高，但是可明显看出其pH一项得分远低于处理3。造成这一现象原因在于干黄秸秆的微贮水分普遍在70%以下，这与青贮相比具有一定优势，所以得分较高，而随着贮藏时间的延长，酸度仍有进一步降低的可能。饲料气味和色泽方面，处理2同样具有明显优势。因为本产品评价标准参照是新鲜玉米秸秆的青贮标准，对于干黄玉米秸秆的标准目前并没有详细的制定标准。

表4 玉米秸秆微贮饲料质量评分结果Table 4 Scores results of silage quality

2.3 不同ICES条件预处理玉米秸秆后微贮主要营养成分检测

ICES预处理玉米秸秆微贮后主要营养成分结果如表5所示，原始玉米秸秆与在处理3条件下ICES但未经微贮的汽爆玉米秸秆营养成分相比，除了粗蛋白、粗纤维和无氮浸出物没有显著差别，其他主要营养成分均发生明显变化。经过ICES预处理后的秸秆水分明显增加，这是因为随着汽爆预处理，大量冷凝水会保留在汽爆玉米秸秆中；原始玉米秸秆、汽爆玉米秸秆的粗蛋白相对含量与处理3相比并无显著变化，但是与对照组、处理1和处理2相比，后者粗蛋白的相对含量显著升高(P<0.05)；汽爆玉米秸秆、对照组和三组处理组与原始玉米秸秆相比，粗灰分相对含量均有有显著增加(P<0.05)；原始玉米秸秆NDF和ADF的含量在单纯汽爆或经汽爆再微贮后均显著降低(P<0.05)，对照组也显著降低原始玉米秸秆中NDF和ADF的含量。值得注意的是，直接汽爆处理对于降低原秸秆中NDF的含量更明显，从69.71%降低了25.9%，但ADF仅仅降低了2.2个百分点；对照组与三组处理组的NDF和ADF含量相比并没有显著性差异(P<0.05)。

表5 不同处理方式对玉米秸秆营养成分变化影响Table 5 Effects of different treatments on corn stover nutrients contents

不同ICES条件预处理玉米秸秆微贮后氨基酸组成及含量差异如表6所示，与对照组相比，三组处理组的氨基酸种类和含量都有显著差异，对照组氨基酸含量最高为Ala 0.5%，其他含量高于0.3%的氨基酸为：Glu 0.43%、Asp 0.36%和Gly 0.33%。试验组中处理1中氨基酸含量最高为Glu，达0.72%，含量高于0.3%氨基酸依次是：Asp 0.49%、Leu 0.39%、Ala 0.38%、Gly 0.36%和Val 0.3%。其他试验组中氨基酸含量最高的仍是Glu，但其次为Leu、Asp和Ala，与处理1和对照组都有明显不同。所有试验组与对照组相比Lys含量均明显降低，并且随着汽爆强度增加，Lys含量依次降低。进一步通过表6可以得出与对照组相比随着ICES强度的增加其他氨基酸，如Asp、Glu、Gly、His、Ile、Leu、Val、Pro、Thr、Phe、Ser和Tyr等12种氨基酸含量均呈现先升后降的趋势。对照组和处理组Cys含量都比较低，在0.01%左右，没有明显变化。

表6 玉米秸秆微贮后氨基酸组成差异分析(基于绝干物质测定)Table 6 Analysis of amino acids contents among corn stover and three silage (Dry matter)

2.4 不同ICES条件预处理玉米秸秆后微贮饲料对牛瘤胃营养物质消失率影响

表7 不同ICES条件预处理玉米秸秆微贮后的牛瘤胃营养物质消失率Table 7 Cow rumen disappearance rate of corn stover and silage under different ICSE pretreatments

3 讨 论

pH是衡量微贮饲料品质的重要指标之一，在本研究中随着汽爆强度增加，试验组pH逐渐降低，造成这一结果的原因可能是由于ICES这一处理方式处理后的干黄玉米秸秆更有助于在微贮过程中酸性物质的积累，微贮产品中的酸度可以有效抑制梭菌等有害菌的产生等作用，从而提高玉米秸秆发酵饲料的品质。然而，风干变黄玉米秸秆本身含有的可溶性糖很低，对玉米秸秆进行ICSE预处理可以提高可溶性糖含量，更有利于微生物酶解。ICSE预处理有利于促进微贮产酸，这一现象与国外同行业的研究结果相一致[19]。另外，微贮产酸与原料秸秆水分含量也是密切相关的，当玉米秸秆的水分高于75%时，贮存过程中容易造成营养成分流失；而水分含量低于40%，也不利于微贮过程中有益菌生长[20]。青贮玉米秸秆质量评定标准是一个初步感官评价标准，是评价玉米秸秆青贮的一个实用技术，本研究中经过1.8 MPa 200 s的条件对干黄玉米秸秆进行ICES预处理后微贮，得分最优，说明从感官上，处理后的干黄玉米秸秆作为牛羊饲料食用具有优势，后期可以通过添加尿素或碳源等辅助物质来提高微贮的质量，同时也应积极建立适用于干黄玉米秸秆微贮的评价标准。

据报道，鲜玉米秸秆直接青贮后粗蛋白在9%左右，如果添加酶制剂处理则可上升至12%[21]。在本研究中，通过汽爆再微贮，处理2组最高粗蛋白含量可达10.85%，与文献报道的青贮玉米秸秆粗蛋白含量相当，处理3组粗蛋白含量为5.99%，显著低于(P<0.05)处理1和处理2组，可能的原因是在较高的汽爆条件下(2.0 MPa 150 s)，会使玉米秸秆产生糠醛、羟甲基糠醛和香草醛等副产物，并通过抑制部分种类微生物的生长而抑制微贮效果；另一方面原因可能是在较高的汽爆条件下(处理3条件下)，热功转化效率较高，一部分玉米秸秆生物质存在碳化现象，使其中粗蛋白的绝对含量有所损失[22]。因此，过高的汽爆预处理条件并非最优。仅从蛋白质转化角度考虑，选择低强度如1.2 MPa或1.8 MPa的蒸汽压会更好。粗灰分的相对含量无论在对照直接微贮、汽爆玉米秸秆还是汽爆再微贮组都显著上升(P<0.05)，这是因为玉米秸秆中的能量物质会在剧烈的物理条件下损失或者在微贮过程中以微生物能量代谢的方式损失掉一部分。从表5结果可知单独汽爆和单独微贮都可以显著降低(P<0.05)玉米秸秆中的NDF和ADF的相对含量，与原始玉米秸秆相比，发酵膨化玉米秸秆和青贮玉米秸秆中的ADF和NDF的含量显著(P<0.05)低于常规玉米秸秆。但值得注意的是，与原始秸秆相比，2.0 MPa 150 s条件汽爆后，玉米秸秆的NDF含量的下降程度远高于ADF含量的下降，并且在上述条件下汽爆玉米秸秆的NDF和ADF的差值仅为3.7%；而玉米秸秆经过直接微贮后NDF和ADF的差值为11.06%。这个差值在测定方法中代表着玉米秸秆中半纤维素的含量。由此可见，蒸汽爆破处理玉米秸秆可以有效促进玉米秸秆中半纤维素的降解，而单纯的微贮对秸秆中半纤维素的分解和利用是有限的。

此项预处理也对干黄玉米秸秆微贮后产品的氨基酸组成种类和含量都具有较显著的影响。含量显著下降 的氨基酸分别是Ala、Lys、Arg和Met。而其他氨基酸含量呈现出先升后降的趋势，表明高强度的汽爆处理可能会破坏微贮饲料部分氨基酸。Lys等某些重要氨基酸在肉牛或肉羊等反刍动物生长育肥过程中起着关键的限制性作用[23]，这些氨基酸补充也可以通过添加玉米、大麦或大豆等精料。但是，经过汽爆和微贮的处理后，干黄玉米秸秆中的赖氨酸含量显著降低，在实际应用过程中应予以补充。有研究表明，Lys和Met的添加可以使肉牛的增重得到显著提高[24]。

饲料干物质瘤胃消化率对合理配比日粮参数、提高蛋白质利用率具有重要意义。对照组玉米秸秆微贮后粗蛋白的24 h牛瘤胃营养物质消失率为57.8%，高于相关文献报道的44%，与发酵玉米秸秆饲料相当，但低于相关文献报道的全株青贮玉米秸秆61%，与文献中报道的全株青贮玉米的粗蛋白消失率74%相当[25-26]；发酵玉米秸秆和全株玉米秸秆青贮的24 h牛瘤胃干物质消失率分别为45%和51%[27-28]，说明1.8 MPa，200 s预处理的条件的此项指标高于普通发酵玉米秸秆，与全株青贮玉米秸秆相当。从奶牛24 h瘤胃营养物质消失率数据来看，处理2条件下玉米秸秆微贮效果较好，DM、粗蛋白和NDF牛瘤胃营养物质消失率相当于青贮全株玉米秸秆的技术指标。可能是由于过高的汽压使内部结构发生变化，破坏了秸秆内部的结构造成瘤胃物质消失率显著增加，这一结果与马鹏等[29]的相关研究一致。后续试验中为继续提高汽爆对干黄玉米秸秆的处理效果，可以在汽爆预处理这一过程中添加甘油等化学物质处理以提高酶解或微生物的利用效率。

4 结 论

在1.8 MPa，200 s条件下汽爆预处理干黄玉米秸秆进行微贮后的饲料产品质量最优，即pH达4.45、含水量为54%，青贮饲料质量评定总得分最高，为63分，属于良好级别的玉米秸秆饲料。此处理条件下玉米秸秆饲料的粗蛋白含量为10.85%，粗纤维含量为27.73%，粗灰分含量为9.33%，NDF含量为44.5，ADF含量为35.53，奶牛瘤胃营养物质消失率达51.7%。因此经汽爆预处理后的干黄玉米秸秆再进行微贮，不仅可显著提高干黄秸秆中的可溶性糖含量，并且可以形成比较稳定的酸性条件，显著提升玉米秸秆饲料的适口性和消化率。所以此项研究不仅对提高我国中西北部地区干黄玉米秸秆的利用附加值，还将缓解部分地区牧草资源不足，具有一定的应用和发展潜力。