秸稈飼料化技術研究進展

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）

隨著我國經濟的發展，發展以食草牲畜為主的節糧型畜牧業成為我國畜牧業發展的重點，粗飼料短缺的現象日益嚴重，秸稈飼料化利用成為人們關注的熱點。通過介紹國內外提高秸稈飼料的方法、技術及其原理、效果和優缺點，指出其中存在的問題，并對其發展趨勢作了展望。

秸稈；飼料；處理方法；利用

農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。我國是一個農業大國，農作物秸稈資源十分豐富。目前，每年可利用的農作物秸稈產量達6億多t，約占世界總產量的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，造成嚴重的環境污染以及資源浪費［1］。秸稈養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，礦物質和蛋白質含量低，造成其可消化率低，適口性不佳，從而限制了它在生產中的應用。因此，秸稈飼料化對緩解人畜爭糧矛盾、減少環境污染和資源浪費及保持畜牧業穩定發展具有重要的現實意義，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

超微粉碎技術是近年來迅速興起的一種高新技術，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。有關專家認為只有經過超微粉碎，從分子水平上破壞纖維素的結構，才能提高秸稈消化率，但其加工處理費用昂貴，難于在生產中推廣應用。

1.2熱噴和膨化處理

熱噴處理技術的作用原理是通過熱力效應和機械效應的雙重作用，首先用170℃以上的高溫蒸汽，破壞秸稈細胞壁上的木質素、纖維素和半纖維素，導致氫鍵斷裂而吸水，從而使木質素、纖維素和半纖維素等大分子發生水解成為小分子物質或可利用的殘基。然后通過高壓噴放，經內摩擦作用，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。膨化技術的作用原理在密閉的設備中經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構、降解木質素的目的，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，木質素含量也有所降低［3］。這兩種技術都能提供秸稈的消化率，但設備投資高，限制了其在生產中的推廣。

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的產生。氨冷凍爆破能耗較低，是有發展前途的技術。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，通常和其他預處理方法結合使用。

1.4熱液處理

熱液處理方法是將物料置于高壓狀態的熱水中，在高壓下水可以滲透到生物質材料內部，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。有關專家在215℃、5MPa條件下對黑麥秸稈處理750 s，研究發現7.9%纖維素溶解及98%半纖維素溶解，糖轉化率達92%［4］。這種方法不需要加入化學藥品，水解產物中抑制后續發酵的因素極少，因而受到很多研究者的關注。

1.5微波熱解

微波輻射以非熱的形式引起熱效應，加速離子與其他分子的碰撞，快速地旋轉偶極子（24.5×108次/s）。李榮斌等研究對大豆秸稈進行微波熱解。結果表明，微波處理大豆秸稈的最優條件為：微波輻射功率400 W，輻射時間40 mim，輻射溫度60℃，大豆秸稈的致密結構得到明顯破壞，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，很難形成規模優勢。

1.6電子束輻照處理

電子束輻射處理是利用電子束所產生的高能射線對秸稈進行預處理，以求最大限度地降低纖維素的結晶度，從而提高纖維素的可消化性。有關專家利用電子束照射稻草，發現了預處理后確實能夠增加稻草中纖維素的酶解率。試驗結果表明，當稻草照射后，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能使秸稈纖維素內部氫鍵結合力變弱，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素之間的聯系減弱，纖維素分子膨脹，半纖維素和一部分木質素溶解，有利于反芻動物瘤胃微生物發揮作用，提高秸稈消化率，增加采食量。王佳堃等電鏡觀察結果也表明，堿處理能使粗飼料的組織結構發生變化，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，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，其有機物與氨發生氨解反應，其中的木質素與多糖間的酯鍵結合遭到破壞，形成銨鹽，銨鹽是牛羊等反芻動物瘤胃內微生物的氮源；同時，氨溶于水后形成的氫氧化銨對粗飼料有堿化作用。鹿書強試驗結果表明氨化可顯著提高秸稈干物質瘤胃消失率，顯著提高秸稈蛋白質含量［7］。莫放研究表明麥秸氨化粗蛋白質可由3.6%增加到11.6%，干物質體內消化率提高24.14%，粗纖維體內消化率提高43.77%，有機物體內消化率提高29.4%，粗蛋白質消化率提高35.3%，作物秸稈經氨化處理后，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損失太多，這不僅是對氮素的極大浪費而且也造成了環境污染［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氨堿復合處理

氨堿復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%的尿素復合干處理稻草飼喂奶牛，干物質消化率提高了12.5%，采食量提高了4.8%，日產奶量提高了20.7%［11］。這種處理方法綜合了堿化和氨化的優點，處理后秸稈的含氮量增加，其營養價值比單一堿化或氨化有所提高，且復合處理技術成本低，能顯著提高秸稈的消化率，因此氨堿復合處理是秸稈處理的較佳選擇。

2.4氧化處理

氧化劑能破壞木質素分子間的共價鍵，溶解部分半纖維素和木質素，使纖維素基質中產生較大空隙，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。因為秸稈纖維內部纖維素、半纖維素與木質素之間形成的氫鍵、酯鍵及醚鍵等化學鍵不僅可以被堿性物質破壞打開，也可以被酸性物質分解［12］。酸處理法是木質纖維素預處理最早、研究最深入的方法，直到現在人們還沒有放棄對它的研究，特別是與其他方法的結合使用處理效果好，更適合工業化。

3　生物處理法

3.1青貯

微生物的發酵作用，在適宜的溫度和濕度且密封等條件下，通過厭氧發酵產生酸性環境，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成分的目的［13］，是一種簡單、可靠且經濟的方法，已在世界各國畜牧生產中普遍推廣應用。青貯飼料氣味酸香、柔軟多汁、顏色黃綠、營養不易丟失、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良青綠多汁飼料。青貯可分為普通常規青貯和半干青貯。半干青貯的特點是干物質含量比一般青貯飼料多，且發酵過程中微生物活動較弱，原料營養損失少，因此，半干青貯的質量比一般青貯要好［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，只是在發酵前通過添加一定量的微生物添加劑如秸稈發酵活桿菌、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、半纖維素及木質素等有機碳水化合物轉化為糖類，最后發酵成為乳酸和其他一些揮發性脂肪酸，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平衡，但微貯法生產周期較長，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、半纖維素和木質素的單一或復合酶類，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，反應溫度40℃，反應時間20 h，pH為4.5條件下，利用木質素酶降解玉米秸稈木質素的降解率為44.28%［15］。孔祥浩報道，在泌乳早期乳牛日糧中添加一定量的木聚糖酶和纖維素酶混合物，結果，試驗組較對照組的產奶量提高3.6 kg/d；營養物質消化率分別提高：干物質7.4%，中性洗滌纖維8.5%，粗蛋白8.1%［16］。目前，玉米秸稈發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明的，由能產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發酵制劑處理秸稈和飼料，所得飼料稱為多維復合酶菌秸稈發酵飼料，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對瘤胃內環境進行營養調控

通過補充適量淀粉或蔗糖等能量物質，補充可發酵氮源，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潛力，可極大激發瘤胃微生物的活性，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如青貯、微貯等，雖然取得了一定的成效，但在應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化設備進行研究，以實現秸稈飼料的高效集約生產。師建芳研制了一種適用于農作物秸稈連續式秸稈梯度發酵飼料設備，該機器可在常溫下優先分解半纖維素，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，以瘤胃及其微生態環境為生物原型，同時考慮了瘤胃的蠕動作用，開展了蠕動式耦合發酵罐的設計研究［19］。但這些研究都只處于初級階段，還沒有在生產應用上取得進展。

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。我國現有秸稈飼料化加工技術與國外先進技術相比還有一定的差距，秸稈高效利用設備和技術亟待開發與研究。今后對秸稈飼料運用多種方式預處理，同時加強纖維素酶的研究，提高纖維素酶活性，篩選高產纖維素酶菌株，選育能降解秸稈木質素的高產微生物菌種，以及能降解秸稈纖維素、半纖維素的高效微生物菌種，并研究其配套的發酵工程技術，使大量的秸稈等纖維素資源得到合理的開發利用。隨著我國畜牧業的不斷發展與進步，秸稈飼料將成為發展畜牧業的重要資源，對于解決人畜爭糧、降低能源的消耗和飼料的成本、保護和改善生態環境、實現農業及畜牧業可持續、健康、穩定發展都有非常重要的意義。

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1004-5090（2015）12-0010-03

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