秸稈飼料化技術(shù)研究進展

張國啟，王彥華，鄭愛榮，張曉霞

（河南省飼草飼料站，河南 鄭州　450008）

秸稈飼料化技術(shù)研究進展

張國啟，王彥華，鄭愛榮，張曉霞

（河南省飼草飼料站，河南 鄭州450008）

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，發(fā)展以食草牲畜為主的節(jié)糧型畜牧業(yè)成為我國畜牧業(yè)發(fā)展的重點，粗飼料短缺的現(xiàn)象日益嚴重，秸稈飼料化利用成為人們關(guān)注的熱點。通過介紹國內(nèi)外提高秸稈飼料的方法、技術(shù)及其原理、效果和優(yōu)缺點，指出其中存在的問題，并對其發(fā)展趨勢作了展望。

秸稈；飼料；處理方法；利用

農(nóng)作物秸稈是指籽實或果粒收獲后剩下的作物殘留物，其包括禾谷類、豆類、油料類、薯類和瓜果類秸稈。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈資源十分豐富。目前，每年可利用的農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量達6億多t，約占世界總產(chǎn)量的20%～30%。但其中大部分未得到有效利用，甚至被就地焚燒或丟棄，造成嚴重的環(huán)境污染以及資源浪費［1］。秸稈養(yǎng)畜在我國具有悠久的歷史，是秸稈綜合利用的一種重要方式。農(nóng)作物秸稈本身是反芻動物粗飼料的重要組成部分，但由于粗纖維含量高，礦物質(zhì)和蛋白質(zhì)含量低，造成其可消化率低，適口性不佳，從而限制了它在生產(chǎn)中的應(yīng)用。因此，秸稈飼料化對緩解人畜爭糧矛盾、減少環(huán)境污染和資源浪費及保持畜牧業(yè)穩(wěn)定發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義，同時，提高秸稈消化率、秸稈飼料化途徑成為當前的研究熱點。

1　物理處理法

物理處理法就是借助人工和機械等手段，通過浸泡、蒸煮、切短、揉碎、粉碎、膨化、熱噴、射線照射等方法改變秸稈的物理性狀，便于家畜咀嚼，減少能耗，同時也可改善適口性，提高采食量。

1.1超微粉碎

超微粉碎技術(shù)是近年來迅速興起的一種高新技術(shù)，能把原材料加工成微米級甚至納米級的微細顆粒（＞300目，即＞0.05 mm）［2］。秸稈經(jīng)過超微粉碎后，其顆粒變小，增大了與消化酶接觸的表面積，提高物料細胞的破壁率，增加物料顆粒有效成分的溶出度，從而提高其利用率。有關(guān)專家認為只有經(jīng)過超微粉碎，從分子水平上破壞纖維素的結(jié)構(gòu)，才能提高秸稈消化率，但其加工處理費用昂貴，難于在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

1.2熱噴和膨化處理

熱噴處理技術(shù)的作用原理是通過熱力效應(yīng)和機械效應(yīng)的雙重作用，首先用170℃以上的高溫蒸汽，破壞秸稈細胞壁上的木質(zhì)素、纖維素和半纖維素，導致氫鍵斷裂而吸水，從而使木質(zhì)素、纖維素和半纖維素等大分子發(fā)生水解成為小分子物質(zhì)或可利用的殘基。然后通過高壓噴放，經(jīng)內(nèi)摩擦作用，再加蒸汽突然膨大及高溫蒸汽的張力作用，使莖稈撕碎，增大與消化酶的接觸面積，從而提高秸稈的消化率。膨化技術(shù)的作用原理在密閉的設(shè)備中經(jīng)一段時間的高溫高壓（200℃、1 500 KPa）處理，然后突然降壓和迅速排出，以達到破壞纖維素結(jié)構(gòu)、降解木質(zhì)素的目的，從而增加可溶性成分。陳尚钘等報道，熱噴處理對纖維素影響不顯著，半纖維素含量大幅度降低，木質(zhì)素含量也有所降低［3］。這兩種技術(shù)都能提供秸稈的消化率，但設(shè)備投資高，限制了其在生產(chǎn)中的推廣。

1.3氨冷凍爆破法和CO2爆破法

氨冷凍爆破法是利用液態(tài)氨在相對低溫和壓力（50～80℃、115 KPa）下將秸稈處理一定時間，然后突然釋放壓力，將秸稈爆破，以增加纖維素表面積，減少碳水化合物變性及有毒有害物質(zhì)的產(chǎn)生。氨冷凍爆破能耗較低，是有發(fā)展前途的技術(shù)。CO2爆破法和氨冷凍爆破法作用原理相似，不同的是CO2必須以碳酸的形式存在以增加水解率，此方法一般不單獨使用，通常和其他預(yù)處理方法結(jié)合使用。

1.4熱液處理

熱液處理方法是將物料置于高壓狀態(tài)的熱水中，在高壓下水可以滲透到生物質(zhì)材料內(nèi)部，水解少部分纖維素，并將半纖維素移除，以消除對纖維素酶的空間阻礙，從而提高酶解效率。有關(guān)專家在215℃、5MPa條件下對黑麥秸稈處理750 s，研究發(fā)現(xiàn)7.9%纖維素溶解及98%半纖維素溶解，糖轉(zhuǎn)化率達92%［4］。這種方法不需要加入化學藥品，水解產(chǎn)物中抑制后續(xù)發(fā)酵的因素極少，因而受到很多研究者的關(guān)注。

1.5微波熱解

微波輻射以非熱的形式引起熱效應(yīng)，加速離子與其他分子的碰撞，快速地旋轉(zhuǎn)偶極子（24.5×108次/s）。李榮斌等研究對大豆秸稈進行微波熱解。結(jié)果表明，微波處理大豆秸稈的最優(yōu)條件為：微波輻射功率400 W，輻射時間40 mim，輻射溫度60℃，大豆秸稈的致密結(jié)構(gòu)得到明顯破壞，可以更有利于纖維素酶水解［5］。但這種方法目前僅限于實驗室階段，很難形成規(guī)模優(yōu)勢。

1.6電子束輻照處理

電子束輻射處理是利用電子束所產(chǎn)生的高能射線對秸稈進行預(yù)處理，以求最大限度地降低纖維素的結(jié)晶度，從而提高纖維素的可消化性。有關(guān)專家利用電子束照射稻草，發(fā)現(xiàn)了預(yù)處理后確實能夠增加稻草中纖維素的酶解率。試驗結(jié)果表明，當?shù)静菡丈浜?，再用酶處理，葡萄糖得率達到52.1%，但是由于成本太高，僅限于實驗室研究。

2　化學處理法

化學處理法主要是通過添加一定量的化學試劑，再經(jīng)過一段時間作用，達到提高秸稈消化率的目的。

2.1堿化處理

堿化處理是借助堿類物質(zhì)能使秸稈纖維素內(nèi)部氫鍵結(jié)合力變?nèi)?，酯鍵和醚鍵破壞的特性，從而使細胞壁中的纖維素和半纖維素與木質(zhì)素之間的聯(lián)系減弱，纖維素分子膨脹，半纖維素和一部分木質(zhì)素溶解，有利于反芻動物瘤胃微生物發(fā)揮作用，提高秸稈消化率，增加采食量。王佳堃等電鏡觀察結(jié)果也表明，堿處理能使粗飼料的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，易于被瘤胃微生物附著消化［6］。目前堿處理的主要試劑是氫氧化鈉或氫氧化鈣，但由于堿類容易導致土壤板結(jié)，且堿處理添加過量影響適口性，因此堿化處理有被氨化處理代替的趨勢。

2.2氨化處理

氨化處理是含氮量較低的秸稈與氨相遇時，其有機物與氨發(fā)生氨解反應(yīng)，其中的木質(zhì)素與多糖間的酯鍵結(jié)合遭到破壞，形成銨鹽，銨鹽是牛羊等反芻動物瘤胃內(nèi)微生物的氮源；同時，氨溶于水后形成的氫氧化銨對粗飼料有堿化作用。鹿書強試驗結(jié)果表明氨化可顯著提高秸稈干物質(zhì)瘤胃消失率，顯著提高秸稈蛋白質(zhì)含量［7］。莫放研究表明麥秸氨化粗蛋白質(zhì)可由3.6%增加到11.6%，干物質(zhì)體內(nèi)消化率提高24.14%，粗纖維體內(nèi)消化率提高43.77%，有機物體內(nèi)消化率提高29.4%，粗蛋白質(zhì)消化率提高35.3%，作物秸稈經(jīng)氨化處理后，DM采食量可提高25%左右［8］。用弱堿處理秸稈能提高消化率但全部用尿素去氨化則氨的揮發(fā)損失太多，這不僅是對氮素的極大浪費而且也造成了環(huán)境污染［9］。因此，如何提高氨化過程中氮素的保留率是一個有待進一步解決的問題。

2.3氨堿復(fù)合處理

氨堿復(fù)合處理克服了氨化處理秸稈消化率提高幅度不大的缺點。郭佩玉等研究表明氨堿復(fù)合處理能使水稻秸稈消化率達到71.2%，麥秸消化率達到66.3%［10］。劉宗貴等用1%氫氧化鈉和3%的尿素復(fù)合干處理稻草飼喂奶牛，干物質(zhì)消化率提高了12.5%，采食量提高了4.8%，日產(chǎn)奶量提高了20.7%［11］。這種處理方法綜合了堿化和氨化的優(yōu)點，處理后秸稈的含氮量增加，其營養(yǎng)價值比單一堿化或氨化有所提高，且復(fù)合處理技術(shù)成本低，能顯著提高秸稈的消化率，因此氨堿復(fù)合處理是秸稈處理的較佳選擇。

2.4氧化處理

氧化劑能破壞木質(zhì)素分子間的共價鍵，溶解部分半纖維素和木質(zhì)素，使纖維素基質(zhì)中產(chǎn)生較大空隙，增加纖維素酶和細胞壁成分的接觸面積，從而明顯提高飼料的消化率。關(guān)于氧化處理秸稈的研究較少，且處理效果不一，因此，有待于進一步研究。

2.5酸化處理

酸化處理原理基本上與堿化處理相同。因為秸稈纖維內(nèi)部纖維素、半纖維素與木質(zhì)素之間形成的氫鍵、酯鍵及醚鍵等化學鍵不僅可以被堿性物質(zhì)破壞打開，也可以被酸性物質(zhì)分解［12］。酸處理法是木質(zhì)纖維素預(yù)處理最早、研究最深入的方法，直到現(xiàn)在人們還沒有放棄對它的研究，特別是與其他方法的結(jié)合使用處理效果好，更適合工業(yè)化。

3　生物處理法

3.1青貯

微生物的發(fā)酵作用，在適宜的溫度和濕度且密封等條件下，通過厭氧發(fā)酵產(chǎn)生酸性環(huán)境，抑制和殺滅各種腐敗微生物，從而達到長期保存青綠多汁飼料及其營養(yǎng)成分的目的［13］，是一種簡單、可靠且經(jīng)濟的方法，已在世界各國畜牧生產(chǎn)中普遍推廣應(yīng)用。青貯飼料氣味酸香、柔軟多汁、顏色黃綠、營養(yǎng)不易丟失、適口性好且容易被動物消化吸收，是動物冬春不可缺少的優(yōu)良青綠多汁飼料。青貯可分為普通常規(guī)青貯和半干青貯。半干青貯的特點是干物質(zhì)含量比一般青貯飼料多，且發(fā)酵過程中微生物活動較弱，原料營養(yǎng)損失少，因此，半干青貯的質(zhì)量比一般青貯要好［14］。主要適用于含糖較高的秸稈，但是該法無法分解粗纖維，難以改變秸稈的化學組成，氨基酸和蛋白質(zhì)含量均不夠高。

3.2微貯

秸稈微貯又稱微生物處理，是近年來推廣的一種秸稈處理方法。微貯與青貯的原理非常相似，只是在發(fā)酵前通過添加一定量的微生物添加劑如秸稈發(fā)酵活桿菌、白腐真菌、酵母菌等，然后利用這些微生物對秸稈進行分解利用，使秸稈軟化，將其中的纖維素、半纖維素及木質(zhì)素等有機碳水化合物轉(zhuǎn)化為糖類，最后發(fā)酵成為乳酸和其他一些揮發(fā)性脂肪酸，從而提高瘤胃微生物對秸稈的利用率。秸稈微貯技術(shù)主要是針對含水量低的麥秸、稻草以及半黃或黃干玉米秸、高粱秸等不宜青貯的秸稈。秸稈微貯后，可提高采食速度40%，采食量增加20%～40%，消化率提高24%～43%，有機物消化率提高29%，并且可改善動物腸胃的微生態(tài)平衡，但微貯法生產(chǎn)周期較長，且只能用于反芻動物。

3.3酶處理

酶解法是選擇能夠水解纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的單一或復(fù)合酶類，在滿足酶作用條件下對秸稈進行處理，從而降低纖維性物質(zhì)比例，提高可溶性糖含量的方法。張強等報道，在加酶量372 U/g，反應(yīng)溫度40℃，反應(yīng)時間20 h，pH為4.5條件下，利用木質(zhì)素酶降解玉米秸稈木質(zhì)素的降解率為44.28%［15］?？紫楹茍蟮溃诿谌樵缙谌榕Ｈ占Z中添加一定量的木聚糖酶和纖維素酶混合物，結(jié)果，試驗組較對照組的產(chǎn)奶量提高3.6 kg/d；營養(yǎng)物質(zhì)消化率分別提高：干物質(zhì)7.4%，中性洗滌纖維8.5%，粗蛋白8.1%［16］。目前，玉米秸稈發(fā)酵中使用的酶制劑主要有淀粉酶、纖維素酶、半纖維素酶等，能降解秸稈中的纖維素、半纖維素、淀粉等多糖成分為單糖，有效提高秸稈飼料利用率及動物的生產(chǎn)性能。

3.4“EM”法

“EM”是有益微生物的英文縮寫，這些有益菌包括耐熱性芽孢桿菌群、乳酸菌群、雙歧桿菌群、光合菌群、酵母菌群和放線菌群等106種有益微生物。日本琉球大學比嘉照夫教授發(fā)明的，由能產(chǎn)生多種酶的耐熱性芽孢桿菌群、乳酸菌群、雙歧桿菌群、光合菌群、酵母菌群和放線菌群等多種有益微生物組成的微生態(tài)發(fā)酵制劑處理秸稈和飼料，所得飼料稱為多維復(fù)合酶菌秸稈發(fā)酵飼料，該飼料在糞便除臭和防病方面有一定效果，但其成本較高［17］。

3.5對瘤胃內(nèi)環(huán)境進行營養(yǎng)調(diào)控

通過補充適量淀粉或蔗糖等能量物質(zhì)，補充可發(fā)酵氮源，補充過瘤胃蛋白、微量元素和硫元素，充分利用秸稈飼料的營養(yǎng)潛力，可極大激發(fā)瘤胃微生物的活性，促進纖維分解菌的繁殖，提高反芻家畜對秸稈纖維性物質(zhì)的利用率。

4　綜合處理法

目前，我國推廣使用了一些秸稈飼料加工技術(shù)如青貯、微貯等，雖然取得了一定的成效，但在應(yīng)用中存在不同程度的弊端和缺點，其貯存量有限且占用空間大，以及技術(shù)沒有形成體系，仍處于粗加工階段。針對這些問題一些學者對秸稈飼料轉(zhuǎn)化設(shè)備進行研究，以實現(xiàn)秸稈飼料的高效集約生產(chǎn)。師建芳研制了一種適用于農(nóng)作物秸稈連續(xù)式秸稈梯度發(fā)酵飼料設(shè)備，該機器可在常溫下優(yōu)先分解半纖維素，不僅具有即用即制、操作簡單的特點，而且解決了秸稈貯存問題［18］。侯哲生運用仿生學思想，以瘤胃及其微生態(tài)環(huán)境為生物原型，同時考慮了瘤胃的蠕動作用，開展了蠕動式耦合發(fā)酵罐的設(shè)計研究［19］。但這些研究都只處于初級階段，還沒有在生產(chǎn)應(yīng)用上取得進展。

5　展望

對于如何提高秸稈飼料的利用率和營養(yǎng)價值，無論用化學處理還是用生物處理都取得了很大進展。我國現(xiàn)有秸稈飼料化加工技術(shù)與國外先進技術(shù)相比還有一定的差距，秸稈高效利用設(shè)備和技術(shù)亟待開發(fā)與研究。今后對秸稈飼料運用多種方式預(yù)處理，同時加強纖維素酶的研究，提高纖維素酶活性，篩選高產(chǎn)纖維素酶菌株，選育能降解秸稈木質(zhì)素的高產(chǎn)微生物菌種，以及能降解秸稈纖維素、半纖維素的高效微生物菌種，并研究其配套的發(fā)酵工程技術(shù)，使大量的秸稈等纖維素資源得到合理的開發(fā)利用。隨著我國畜牧業(yè)的不斷發(fā)展與進步，秸稈飼料將成為發(fā)展畜牧業(yè)的重要資源，對于解決人畜爭糧、降低能源的消耗和飼料的成本、保護和改善生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)可持續(xù)、健康、穩(wěn)定發(fā)展都有非常重要的意義。

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