葡萄糖和尿素对新鲜水稻秸秆氨化品质的影响

刘亦凝，张志飞，谢展，刘子健，魏岚，黄丽娟，郭为波，陈桂华*

(1 湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128；2 长沙县自成养殖科技有限公司，湖南 长沙 410135)

我国秸秆资源丰富，水稻秸秆理论资源总量达2.4 亿t[1]。近年来随着畜牧业的迅速发展，饲料需求和粮食生产之间的矛盾日益加剧。而秸秆饲料化作为一种秸秆资源综合利用的方向，其合理高效的利用对解决粮食问题、扩大饲料来源具有重要意义[2-3]。但因秸秆具有复杂的木质纤维素结构[4-5]，其饲料化利用率通常较低，适口性和消化率也较差，因此，合理利用秸秆中的营养物质，提高秸秆饲料化利用率非常重要。

水稻秸秆具有丰富的纤维物质[6]，但其结构中的木质素与纤维素和半纤维素之间以酯键相结合[7]，形成了紧密的镶嵌结构，因此其利用率低、适口性差。氨化处理是一种比较常见的秸秆化学处理方式，即在适宜的环境条件下，利用尿素、氨水或碳酸氢氨等氮源对秸秆进行一段时间的密封处理。添加的氮源在脲酶的作用下可以打破复杂的木质纤维素结构，同时氨与有机物形成铵盐后可以被瘤胃微生物利用。此外，氨与有机酸结合可以中和秸秆潜在的酸度，使瘤胃微生物更加活跃，可有效提高秸秆的饲用价值。

尿素是最为常用的氮源，用尿素处理粗饲料较为安全且成本低，还可减少天气变化带来的营养物质损失，较适合实际生产应用。使用尿素处理秸秆还可以抑制霉菌生长，保障秸秆品质[8]。因此，尿素氨化的综合经济效益和处理效果优于碳酸氢铵和氨水[9]。除了单独添加氮源外，添加复合生物酶制剂[10]、碳源等物质可进一步加强氨化效果。李聚才等[11]设置4 种浓度的尿素-糖蜜-硫酸铵-水溶液对玉米秸秆进行复合氨化处理，结果表明，复合氨化处理能提高玉米秸秆粗蛋白含量，降低中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量，提高秸秆饲料的品质和营养价值。罗立娜等[12]以不同质量分数(2、4、6、8 和10 g/kg)的尿素对水稻秸秆进行预处理，结果表明，不同添加量的尿素均能显著破坏水稻秸秆的木质纤维素结构，且以4 g/kg 尿素效果最好。邓凯东等[13]以3 g/kg 和6 g/kg 的尿素对桑叶进行氨化处理，发现尿素氨化处理可以显著提高桑叶的粗蛋白、粗脂肪和钙含量。顾拥建等[14]发现，在大豆秸秆中添加2 g/kg 尿素可显著降低氨态氮和丁酸含量。葡萄糖作为碳源，可以提高秸秆适口性，为瘤胃发酵提供营养物质，避免反刍动物因尿素氮分解过快而发生氨中毒[15]。马清河等[16]发现，在柱花草中添加不同质量分数(1、2、3、4 和5 g/kg)的葡萄糖能显著降低pH 值，降低纤维成分含量，提高粗蛋白质含量，其中以3 g/kg 的添加量效果最好。李茂等[17]以不同添加量(5、10、20 和40 g/kg)的葡萄糖对木薯叶进行处理，发现添加葡萄糖可显著降低中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量，且以20 g/kg 的添加量最适宜。曹蕾等[18]以0、0.2 和10 g/kg 的葡萄糖对紫花苜蓿进行处理，结果表明添加葡萄糖可显著提高可溶性糖含量，保留更多的干物质，且以0.2 g/kg 的葡萄糖处理效果最好。

本试验以刚脱穗的含水量较高的新鲜水稻秸秆为原料，研究添加不同浓度的葡萄糖和尿素对水稻秸秆氨化效果的影响，通过感官评价及营养成分等指标的测定，探究含水量较高的水稻秸秆直接氨化的可行性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为湖南省长沙市望城区湖南希望种业科技股份有限公司水稻基地种植的水稻(Oryza sativaL.)品种卓两优141，于2019 年9 月31 日(完熟期)刈割，脱穗后粉碎至2～3 cm 备用。

尿素购自湖北省三宁化工股份有限公司，总氮含量＞46.5%；葡萄糖(AR 级)购自国药集团化学试剂有限公司。

1.2 试验设计

试验采用双因素随机设计。因素一为葡萄糖添加量，设2 个水平:0(G0)和4 g/kg FM(鲜质量)(G4)；因素二为尿素添加量，设4 个水平:0(U0)、2(U2)、4(U4)、6 g/kg FM(U6)。共设8 个处理，分别为(1)G0U0:0 g/kg 葡萄糖+0 g/kg 尿素；(2)G0U2:0 g/kg 葡萄糖+2 g/kg 尿素；(3)G0U4:0 g/kg 葡萄糖+4 g/kg 尿素；(4)G0U6:0 g/kg 葡萄糖+6 g/kg 尿素；(5)G4U0:4 g/kg 葡萄糖+0 g/kg 尿素；(6)G4U2:4 g/kg葡萄糖+2 g/kg 尿素；(7)G4U4:4 g/kg 葡萄糖+4 g/kg 尿素；(8)G4U6:4 g/kg 葡萄糖+6 g/kg尿素。

将葡萄糖和尿素分别均匀地撒入粉碎后的水稻秸秆中，充分搅拌，使用聚乙烯真空饲料袋模拟裹包，每袋约600 g，每处理5 次重复。避光室温贮藏，50 d 后开包取样测定各项指标。

1.3 测定指标及方法

感官品质评价。氨化饲料包打开后，根据氨化秸秆饲料质量感官评定标准[19]，对水稻秸秆的气味、色泽、质地进行评定。

秸秆pH 值、氨态氮(AN)含量的测定。开包后用四分法取20 g 样品装入榨汁机中，加入180 mL蒸馏水，运行2 min，榨汁液先经2 层纱布过滤，再经中速定性滤纸过滤得到氨化秸秆浸提液。采用Spectrum 公司的SI400 型pH 计测定pH 值；各处理取9 mL 浸提液用5 500 r/mim 离心10 min，上清液冷冻保存，用于测定氨态氮含量。氨态氮含量采用苯酚—次氯酸钠比色法测定[20]。

干物质(DM)的测定。用四分法取100 g 样品于铁盘中，每个处理3 次重复。样品于105 ℃杀青15 min 后，65 ℃烘干至恒重，测定干物质含量[21]。烘干样品粉碎过18 目(1.000 mm)和40 目(0.425 mm)筛后用于营养成分和纤维成分的测定。

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营养成分的测定。粗蛋白(CP)采用凯氏定氮法测定:称取1 g 粉碎样品(0.425 mm)装入250 mL消化管中，再依次加入7 g K2SO4和0.8 g CuSO4作为催化剂，420 ℃条件下消煮2 h 后，使用凯氏定氮法测定粗蛋白的含量，采用蒽酮比色法[22]测定可溶性碳水化合物(WSC)含量。每处理3 次重复。

秸秆纤维物质含量的测定。秸秆纤维物质含量采用范式法进行测定:称取0.5 g 粉碎样品(1.000 mm)装入滤袋，使用ANKOM A200i 纤维分析仪对样品进行消煮后，依次测量中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)的含量。酸性洗涤纤维经72%硫酸消煮后，在马弗炉600±15 ℃条件下灰化2 h 得到酸不溶灰分，测定酸性洗涤木质素(ADL)的含量；称取0.8 g 粉碎样品(1.000 mm)，在纤维分析仪中依次经过酸、碱溶液消煮、干燥、550±20 ℃碳化3 h 后可测得粗纤维(CF)的含量。

纤维素和半纤维素含量。根据以下公式计算纤维素和半纤维素含量:

半纤维素＝NDF-ADF

纤维素＝ADF-(ADL+酸不溶灰分)

毒素测定。称取各处理粉碎样品(1.000 mm)20 g，加100 mL 70%的甲醇溶液混合，37 ℃振荡5 min 后，用定性滤纸过滤后得到提取液，用于配制各毒素的检测液。黄曲霉毒素(AF):20 μL 提取液+200 μL 缓冲液；玉米赤酶烯酮(ZEN):1 mL 提取液+4 mL 70 %甲醇溶液；伏马毒素(FB):50 μL 提取液+950 μL 水溶液。以上待测液用酶联免疫试剂盒进行霉菌毒素检测。

1.4 数据处理

采用Excel 2013 进行数据处理，采用DPS 7.05对各成分指标进行双因素方差分析，采用LSD 法进行多重比较，以P＜0.05 作为显著性分析依据。

2 结果与分析

2.1 感官评定结果

表1 秸秆氨化感官评定结果Table 1 Sensory evaluation results of straw ammonification

2.2 霉菌毒素检测结果

随机抽取各处理组样品进行重要毒素种类检测。由表2 可知，不添加葡萄糖的处理组中，2 g/kg尿素处理组的黄曲霉毒素和玉米赤霉烯酮含量最低；当尿素添加量增加至4、6 g/kg 时，黄曲霉毒素和玉米赤霉烯酮含量均随之增加，特别是尿素添加量由2 g/kg 增加到4 g/kg 时，玉米赤霉烯酮含量增长了1.37 倍。添加4 g/kg 葡萄糖时，黄曲霉毒素和玉米赤霉烯酮含量随着尿素添加量的增加而增加；当尿素添加量由2 g/kg 增加到4 g/kg 时，黄曲霉毒素含量增长了1.19 倍，玉米赤霉烯酮含量增加了3.70 倍。尿素添加量由4 g/kg 增加到6 g/kg时，玉米赤霉烯酮含量增长了2.22 倍。伏马毒素的含量均小于免疫试剂盒最低检测量(200 μg/kg)。

表2 氨化饲料霉菌毒素含量检测结果Table 2 Detection results of mycotoxin content in ammoniated feed

根据饲料卫生标准(GB 13078—2017)要求[23]，各处理中各种毒素的含量均未超出限量范围。

2.3 不同添加量的葡萄糖对水稻秸秆氨化的影响

对各处理氨化饲料营养成分的葡萄糖主效应分析发现(表3)，葡萄糖对氨化水稻秸秆的pH、DM、CF、NDF、ADF、ADL、WSC、CP、AN 含量均有显著影响(P＜0.05)。4 g/kg 葡萄糖处理组的pH 值为7.78，显著低于0 g/kg 葡萄糖处理组(P＜0.05)；4 g/kg 葡萄糖处理组的DM、WSC 含量显著高于0 g/kg 葡萄糖处理组(P＜0.05)，分别为33.01%、1.56%；相较于0 g/kg葡萄糖处理组，添加4 g/kg 的葡萄糖显著降低了氨化水稻秸秆中CF 的含量(P＜0.05)，其中纤维素含量显著降低(P＜0.05)，半纤维素含量差异不显著；4 g/kg 葡萄糖处理组的NDF、ADF、ADL 含量分别显著降低了6.25%、8.80%、13.66%(P＜0.05)；添加4 g/kg 葡萄糖后，水稻秸秆的CP 含量显著升高(P＜0.05)，达7.49 %；4 g/kg 葡萄糖处理组的氨态氮含量显著低于0 g/kg 葡萄糖处理组(P＜0.05)。初步分析，添加4 g/kg 葡萄糖有助于提高水稻秸秆的氨化效果。

表3 不同葡萄糖添加量处理水稻秸秆pH 值和营养成分比较Table 3 Comparison of pH value and nutritional components of rice straw with different glucose supplemental levels

2.4 不同添加量的尿素对水稻秸秆氨化的影响

对各处理氨化饲料营养成分的尿素主效应分析发现(表4)，尿素含量对氨化水稻秸秆的pH、DM、CF、NDF、ADL、半纤维素、WSC、CP、AN 含量均有显著影响(P＜0.05)。随着尿素添加量的增加，各处理组pH 值显著升高(P＜0.05)，其中6 g/kg 尿素处理组的pH 值最高，为9.28；2 和4 g/kg 尿素处理组的DM 含量显著高于0 和6 g/kg 尿素处理组(P＜0.05)；与0 g/kg 尿素处理组相比，2 和4 g/kg 尿素处理组秸秆的CF 含量有升高趋势，但差异不显著；随着尿素添加量的增加，各处理组的NDF 和半纤维素含量显著下降(P＜0.05)，6 g/kg 尿素处理组中的NDF 和半纤维素含量最低；但各处理组间ADF 和纤维素含量没有显著差异。随着尿素添加量的增加，各处理组的CP 和AN 含量显著增加(P＜0.05)，6 g/kg 尿素处理组的CP 和AN 含量最高，分别达到8.17%和9.69%；各处理组间WSC 含量差异显著(P＜0.05)，但没有明显的规律性，6 g/kg 尿素处理组的WSC 含量显著高于其他处理组(P＜0.05)，为1.98%。

表4 不同尿素添加量处理水稻秸秆pH 值和营养成分比较Table 4 Comparison of pH value and nutrient composition of rice straw with different urea supplemental levels

2.5 葡萄糖与尿素交互效应对水稻秸秆氨化的影响

对各处理的氨化饲料各项指标进行尿素和葡萄糖双因素方差分析发现(表5)，葡萄糖和尿素均对水稻秸秆的pH、DM、AN、WSC、CP 含量有极显著影响(P＜0.01)。二者交互作用对水稻秸秆的pH、DM、WSC、AN 含量有极显著影响(P＜0.01)，对CP含量无显著影响。在同一葡萄糖添加水平下，pH 随着尿素添加量的增加显著升高(P＜0.05)，其中0 g/kg 葡萄糖+6 g/kg 尿素处理组的pH 最高；未添加葡萄糖时，尿素处理组的DM 含量均高于未添加尿素处理组。4 g/kg 葡萄糖水平下，2、4 g/kg 尿素处理组的DM 含量均高于0 g/kg 处理组，而6 g/kg 尿素处理组的DM 含量显著低于0 g/kg 尿素处理组(P＜0.05)；在2 个葡萄糖添加水平下，尿素处理组的AN 含量均显著增加(P＜0.05)，且添加4 g/kg 葡萄糖后，各对应处理组AN 含量不同程度地降低；添加4 g/kg 葡萄糖后，各处理组的WSC 含量均不同程度地提高，其中4 g/kg 葡萄糖+6 g/kg 尿素处理组的WSC 含量最高；CP 含量随着尿素添加量增加而显著提高(P＜0.05)，且添加4 g/kg 葡萄糖后，各处理组的CP 含量均高于0 g/kg 葡萄糖处理组。

表5 不同处理组水稻秸秆pH、干物质、氨态氮、可溶性碳水化合物和粗蛋白含量比较Table 5 Comparison of pH，dry matter，ammonia nitrogen，soluble carbohydrate and crude protein contents of rice straw under different treatments

由表6 可知，葡萄糖对水稻秸秆的CF、NDF、ADF、ADL 和纤维素含量均有极显著影响(P＜0.01)；尿素对CF、NDF 和半纤维素含量有极显著影响(P＜0.01)，对ADL 含量有显著影响(P＜0.05)，对ADF 和纤维素含量无显著影响；葡萄糖和尿素的交互作用对水稻秸秆CF、NDF、ADF、ADL、纤维素含量无显著影响，对半纤维素含量有显著影响(P＜0.05)；同一葡萄糖添加水平下，各处理组的NDF 和ADL 含量变化无规律。无论是否添加葡萄糖，6 g/kg 尿素处理组的CF、NDF、ADF、ADL 和半纤维素含量均较0 g/kg 尿素处理组低，其中NDF 和半纤维素含量具有显著差异(P＜0.05)；在0 和4 g/kg 葡萄糖添加水平下，半纤维素含量均随着尿素添加量的增加而降低，0、2、4 g/kg 尿素处理组之间无显著差异，6 g/kg 尿素处理组的纤维素含量显著低于其他处理组(P＜0.05)。

表6 不同处理组水稻秸秆纤维成分比较Table 6 Comparison of fiber composition of rice straw under different treatments

3 讨论

含水量是影响秸秆氨化效果的重要因素，含水量过低不利于尿素的降解，氨化效果较差，含水量过高则会使氨浓度过低而影响结构性碳水化合物酯键的断裂，同时可能引起秸秆霉变[24]。刘卢生等[9]研究发现，秸秆含水量为30%时氨化效果最好，CP 含量可提高84.89%；孟翠红等[25]分析了添加不同含量的水分对干玉米秸秆(含水量为6.8%)氨化效果的影响，发现添加65%水分(即秸秆含水量为71.8%)的秸秆CP 含量显著高于其他处理组，且NDF 和ADF 降解效果最好。本试验中采用的材料为新鲜收获的水稻秸秆，含水量为60%～70%，氨化后各处理组均未出现霉变现象，霉菌毒素含量符合饲料卫生标准要求，NDF 含量降低了1.95%～19.50%，ADF 含量降低了2.88%～13.41%，CP 含量提高了32.37%～114.01%，初步表明新鲜水稻秸秆直接进行氨化具有可行性。

糖蜜作为碳源，在氨化试验中的应用较葡萄糖更为常见[8，11，26]。糖蜜含有糖类、蛋白质、矿物质等多种营养成分，可以改善饲料适口性，也可作为缓冲剂减缓尿素分解速度。但因其为液体粘稠物质，不易搅拌均匀，且易发生霉变[27]，因此本试验使用晶体粉末状葡萄糖作为碳源，探究其对新鲜水稻秸秆氨化的影响。本试验结果表明，添加4 g/kg 葡萄糖可显著提高氨化秸秆的CP 含量(P＜0.05)，有助于降解结构性碳水化合物。

禾本科秸秆粗蛋白含量为3%～5%，低于反刍动物饲料蛋白质含量(＞8%)的要求。氨化过程中尿素溶于水分解产生的NH3与秸秆中的有机物发生氨解反应产生铵盐，分解的NH3还可以作用于秸秆的细胞壁，使细胞内容物中的蛋白质、淀粉等营养物质释放出来，从而提高CP 含量[28]。根据氨化秸秆饲料的质量评定标准[14]，氨化后粗蛋白提高率≥140%为优秀等级，≥100%且＜140%为良好等级，≥60%且＜100%为及格。刘婷婷等[29]研究发现，尿素用量对谷草CP 含量提高率有极显著影响，4 和6 g/kg 尿素处理的CP 含量提高率为118.54% 和122.72%。鹿书强等[30]试验表明，添加4 g/kg 尿素和石灰的秸秆氨化后CP 含量提高了121.03%～130.20%。本试验添加不同浓度的尿素后，各处理组的秸秆CP 含量显著提高了32.37%～114.01%；添加4 g/kg 葡萄糖的基础上，再添加4 和6 g/kg 尿素的处理组CP 含量提高率分别为106.28%和114.01%，达到了氨化饲料质量良好水平。氨化饲料中尿素添加量会影响秸秆的氨化效果，尿素添加量过低不利于纤维物质的降解利用和瘤胃微生物蛋白的合成，但是尿素添加量过高会产生过量的氨态氮，造成氮源的浪费。本研究发现，添加4 g/kg 葡萄糖可缓解因尿素添加量增加而引起的氨态氮含量增加。尿素中的氨溶于水后生成的氢氧根离子的碱性作用可帮助纤维素和半纤维素与木质素之间的酯键裂开，使纤维之间的氢键结合力减弱，秸秆细胞壁被破坏[31-33]。刘丹等[34]研究发现，水稻秸秆经尿素处理后，木质素与纤维素间的连接键遭到了破坏，并且构成半纤维素的主要成分木糖和阿拉伯糖也有明显减少。本试验中添加尿素降低了氨化秸秆的半纤维素含量，但对氨化秸秆纤维素和ADL 含量没有显著影响，这可能是因为水稻秸秆结构性碳水化合物结晶度较高，不易被降解。

李海军等[35]以120、146、178、208 mg/mL 的葡萄糖培养乳酸杆菌，发现葡萄糖质量分数越高，对乳酸杆菌的生长和产乳酸效率抑制越强。谢展等[36]在紫花苜蓿中添加0、1.5、3.0、4.5 g/kg FW 的尿素，结果显示，随着添加量增加，pH 值和氨态氮占总氮的比例显著提高，但蛋白质损失增大。在本试验中，添加葡萄糖和尿素显著提高了霉菌毒素的含量，但仍在限制范围内。这可能与葡萄糖和尿素的添加量及其互作有关，葡萄糖添加量过高，抑制了乳酸菌的生长及产酸效率，因此霉菌及其他有害菌可以消耗营养物质，产生较多的毒素。而尿素释放的NH4+增加了氨态氮和总氮含量，因此pH 值升高，对梭菌等有害微生物的抑制作用减弱，从而增加了霉菌毒素的含量[37]。

4 结论

当水稻秸秆含水量为60%～70%时，随着尿素浓度的增加，各处理组水稻秸秆CP 含量显著增加(P＜0.05)，NDF、ADF 含量不同程度地降低，添加6 g/kg 尿素对水稻秸秆的氨化效果最佳；添加4 g/kg葡萄糖有利于提高尿素对水稻秸秆的氨化效果，能够有效改善水稻秸秆的营养成分。综合来看，4 g/kg葡萄糖与6 g/kg 尿素组合氨化水稻秸秆的效果最佳。后续还应对氨化时间、氨化温度等因素开展进一步研究，以期建立切实可行的新鲜水稻秸秆氨化技术规范。