農(nóng)作物秸稈飼料化技術(shù)研究進展

綜述

農(nóng)作物秸稈飼料化技術(shù)研究進展

我國作為農(nóng)業(yè)大國，如何高效開發(fā)利用農(nóng)作物秸稈已經(jīng)成為我國的重大課題。人類生活水平的提高對動物性食品的需求量日益增加，刺激了畜牧業(yè)的快速發(fā)展，畜牧業(yè)的發(fā)展速度又受到動物飼糧短缺的制約。而秸稈飼料化利用一方面可以補充動物飼糧的短缺，另一方面也可以減少資源浪費。農(nóng)作物秸稈飼料，主要是玉米、稻谷、棉花、高粱等粉碎加工利用的纖維飼料，是反芻動物的主要飼料。因為反芻動物能有效利用秸稈中的粗纖維，其瘤胃和盲腸中的微生物能夠分泌纖維素降解酶，將纖維素降解成能被宿主細胞吸收的單糖。農(nóng)作物秸稈飼料主要的特征是粗纖維含量高、適口性差、利用率低。秸稈的結(jié)構(gòu)單元主要是由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成。木質(zhì)素被認為是剛性較強和相對難處理的生物聚合物。其最主要的結(jié)構(gòu)單元是由對羥基肉桂醇單體和相關(guān)化合物的氧化偶聯(lián)合成的芳香族苯丙素亞單位和木質(zhì)素醇（Vanholme等，2008；Ralph，2004；Boerjan，2003）。這些化合物主要存在于次要增厚的植物細胞壁中，與半纖維素共價結(jié)合，為細胞壁提供強度和剛度。秸稈預(yù)處理能夠降低酶解底物中纖維素的結(jié)晶度，減少木質(zhì)素的含量，增加酶水解底物的比表面積，從而提高纖維素酶對纖維素的可及度，更加迅速地將碳水化合物轉(zhuǎn)化為單糖（Talebnia，2010）。

迄今，已經(jīng)開發(fā)應(yīng)用的秸稈預(yù)處理方法有：稀酸處理、堿處理、蒸汽爆破、微生物預(yù)處理、熱水處理、氨纖維爆炸、擠出預(yù)處理、微波預(yù)處理和生物處理等。雖然這些預(yù)處理方法提高了秸稈利用率，但是其高昂的設(shè)備費用使秸稈在實際應(yīng)用中受到制約（Ahmed，2016）。

1 秸稈飼料化的預(yù)處理

傳統(tǒng)的秸稈飼料化預(yù)處理包括物理處理、化學(xué)處理、生物處理。物理預(yù)處理又包括最簡便的機械加工、熱加工以及鹽化處理?；瘜W(xué)處理包括稀酸處理、氨化處理、堿化處理和氨堿復(fù)合預(yù)處理。生物處理包括青貯、酶解、發(fā)酵。這些預(yù)處理雖然改善了秸稈的特性，提高了其降解率，但又存在能耗高、二次污染嚴(yán)重以及易產(chǎn)生發(fā)酵抑制物等問題。

1.1 秸稈的物理預(yù)處理秸稈的物理預(yù)處理研究較多，工藝相對比較成熟。機械加工是用機械設(shè)備將秸稈切割、粉碎，將秸稈搓成絲狀或者條狀，以增加飼料和動物消化液的接觸面積，使其混合均勻，提高飼料的利用率以及動物的適口性。熱加工處理則是利用熱噴或者膨化技術(shù)破壞纖維素的結(jié)晶，撕斷纖維素、半纖維素與木質(zhì)素的緊密聯(lián)系，減少木質(zhì)素對纖維素分解的障礙，增加接觸面積，使纖維素消化酶以及微生物可以降解纖維素，從而增加動物的采食量，提高秸稈的消化利用率。傳統(tǒng)的機械加工，秸稈的消化利用率還是較低，現(xiàn)在研究較多的是秸稈的熱噴、膨化技術(shù)以及蒸汽爆破技術(shù)。

1.1.1 熱噴處理秸稈的熱噴處理是將初步破碎（或不經(jīng)破碎）的粗飼料裝入壓力罐內(nèi)，用1471~1961 kPa的加壓，持續(xù)1~30 min，然后突然降壓噴放即得熱噴飼料。粗飼料經(jīng)熱噴處理后，纖維細胞撕裂、細胞壁疏松、細胞游離，物質(zhì)顆粒會驟然變小，顆粒的總面積增大，從而得到質(zhì)地柔軟和味道芳香的飼料。而用110~138℃的熱蒸汽對毒餅粕進行熱噴處理，可在數(shù)分鐘內(nèi)除毒，改善其適口性。熱噴處理也可以降低蛋白質(zhì)在瘤胃的降解率、溶解度（賀健等，2011）。熱噴過程中可加入尿素等非蛋白含氮化合物，增加秸稈的營養(yǎng)價值。秸稈的熱噴技術(shù)對蒸汽壓力以及操作方法要求相對較高，代價較大，適合大規(guī)模秸稈的預(yù)處理。

1.1.2 膨化處理膨化處理是將含有一定水分的秸稈原料放在密閉的膨化設(shè)備中，經(jīng)過高溫、高壓處理一定時間后，迅速降壓，使飼料膨脹的一種處理方法。秸稈膨化處理后可明顯增加可溶性成分和可消化吸收的成分，飼用價值提高。但是，秸稈的膨化處理必須要有專門的設(shè)備，由于設(shè)備投資較高，很難實現(xiàn)生產(chǎn)中大范圍的應(yīng)用。

1.1.3 蒸汽爆破蒸汽爆破通常采用高壓飽和蒸汽在溫度160~240℃（對應(yīng)的壓力為600~ 3400 kPa）條件下處理原料，時間維持幾秒鐘到幾分鐘，之后釋放壓力。蒸汽爆破過程中，高溫高壓加劇了纖維素內(nèi)部氫鍵的破壞和有序結(jié)構(gòu)的變化；原料中的半纖維素會釋放出有機酸，如乙酸和糠醛酸等；蒸汽預(yù)處理過程中細胞間的木質(zhì)素也出現(xiàn)了熔化，并部分分解。蒸汽預(yù)處理過程中，由于木質(zhì)素會發(fā)生縮合和沉積現(xiàn)象，使得其對纖維素酶有著較高的非特異性吸附，降低了原料的纖維素酶的消化性。Boonterm等（2016）研究發(fā)現(xiàn)，秸稈進行熱蒸汽爆炸預(yù)處理，其纖維素纖維極度分解，導(dǎo)致纖維直徑和長度顯著降低。與化學(xué)提取處理相比，蒸汽爆破對生態(tài)毒性的影響顯著降低，纖維產(chǎn)量更高，并且熱蒸汽爆炸過程受環(huán)境影響較小。然而，熱爆炸過程的能量消耗是需要改進的主要問題。此外，高壓短時間處理工藝對設(shè)備的要求非常高，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資費用高。

1.2 秸稈的化學(xué)預(yù)處理

1.2.1 稀酸預(yù)處理稀酸預(yù)處理是將秸稈浸泡在稀酸溶液中，或?qū)⑺嵯♂尩揭欢ǔ潭群髧姙⒌浇斩捝希缓蠹訜岬?40~200℃并反應(yīng)一定時間（幾分鐘到1 h）。采用稀硫酸等酸性物質(zhì)處理秸稈，可將一部分半纖維素水解為單糖，又可打破半纖維素和木質(zhì)素對纖維素的包覆，使纖維素更易被酶解和消化，從而提高秸稈的降解率。Kootstra等（2009）研究發(fā)現(xiàn)，小麥秸稈在170℃，經(jīng)稀馬來酸和酶水解50 min后，小麥秸稈的葡聚糖和木聚糖幾乎可以完整的轉(zhuǎn)換。Zu等（2009）研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈經(jīng)稀鹽酸和石灰兩步預(yù)處理可以去除部分半纖維素，改變交聯(lián)木質(zhì)素結(jié)構(gòu)與去除部分木質(zhì)素。張建輝（2010）等研究報道，當(dāng)硫酸質(zhì)量分數(shù)為5.00%，水解時間為150 min，水解溫度為120℃時，麥秸水解液中還原性糖產(chǎn)率可達83.30%?；菸纳龋?010）研究發(fā)現(xiàn)，用稀硫酸催化水解稻秸半纖維素，控制固液比為1∶10、稀硫酸質(zhì)量分數(shù)為25.00%、反應(yīng)溫度為95℃和反應(yīng)時間為3 h時，10 g稻秸粉末水解得到的總還原糖量達到2.704 g，總還原糖收率達94.90%。Lee等（2015）研究發(fā)現(xiàn)，稻草在1%稀硫酸、160℃下預(yù)處理可提高其水解和發(fā)酵后還原糖和乙醇產(chǎn)量。稀酸預(yù)處理后的原料中仍有大量的木質(zhì)素，不利于物料的酶解，酶解纖維素還會增加纖維素酶的用量。稀酸預(yù)處理過程中也會形成化合物如呋喃醛和5-羥甲基糠醛（5-HMF）和酸（甲酸和乙酸）。稀酸預(yù)處理要求反應(yīng)器對抗腐蝕，這使得稀酸預(yù)處理秸稈成本較高。

1.2.2 稀堿預(yù)處理稀堿預(yù)處理是發(fā)現(xiàn)最早、應(yīng)用最廣的植物纖維素的預(yù)處理方法。秸稈在堿的作用下可脫除部分半纖維素和木質(zhì)素，有利于纖維素的消化和利用。常用的堿有氫氧化鈉和氫氧化鈣等。劉凱玉（2014）等研究報道，稻秸用4%氫氧化鈉堿化后，中性洗滌纖維含量降低，而干物質(zhì)、無氮浸出物和酸性洗滌纖維含量提高。王佳堃（2016）研究發(fā)現(xiàn)，用不同質(zhì)量分數(shù)的氫氧化鈉處理稻草，會降低其全部的纖維成分含量，其中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維、酸性木質(zhì)素和半纖維素分別降低4.40%～20.80%、5.60%～13.80%、17.10%～22.90%和1.00%～40.30%。Cameron等（1990）研究發(fā)現(xiàn)，小麥秸稈用堿性過氧化氫處理后，將其飼喂奶牛，牛奶中脂肪百分比增加3.07%~3.32%，牛奶中蛋白質(zhì)的百分比下降2.61%~2.56%）。奶牛飼喂過氧化氫處理后的小麥秸稈，其瘤胃總VFA濃度和乙酸的摩爾百分比增加，丙酸的摩爾百分比降低，醋酸丙酸比增大。Swain等（2015）]研究表明，采用溫和的氨水預(yù)處理稻草，可以去除稻草中大量的木質(zhì)素，并且稻草的酶消化率提高了四倍。但是，采用堿性預(yù)處理，會使纖維素和半纖維素溶出，導(dǎo)致總糖的損失，而且試劑的回收、中和、洗滌等使預(yù)處理成本增加。

1.2.3 臭氧預(yù)處理秸稈的臭氧預(yù)處理應(yīng)用較少。臭氧預(yù)處理工藝與其他預(yù)處理技術(shù)相比有許多優(yōu)點。堿性臭氧預(yù)處理能將秸稈中的木質(zhì)素氧化分解為小分子有機酸。此外，臭氧預(yù)處理，能夠提高酶水解的速率加快糖的釋放。Bhattarai等（2014）研究表明，臭氧預(yù)處理可以在室溫?zé)o環(huán)境壓力條件下進行。這比其他預(yù)處理方式對溫度的要求要低。適當(dāng)?shù)某粞跆幚聿粌H可以選擇性去除木質(zhì)素，不降解纖維素，也不會產(chǎn)生有毒化合物的下游工藝。

1.3 秸稈的生物預(yù)處理生物預(yù)處理一般是利用自然界中存在的微生物選擇性地降解植物纖維素原料中的木質(zhì)素，從而改善纖維素的酶解性能。近年來，在處理秸稈中研究較多的微生物包括乳酸菌、地衣芽孢桿菌、酵母菌、白腐真菌和EM菌等。乳酸菌是秸稈青貯的主要優(yōu)勢菌種，乳酸菌發(fā)酵具有改善秸稈營養(yǎng)物質(zhì)組成和提高秸稈品質(zhì)的作用。華金玲（2012）等研究報道，稻秸添加乳酸菌制劑進行整株青貯后，其干物質(zhì)、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量與全株玉米青貯相接近，僅粗蛋白質(zhì)含量低于全株玉米，約為全株玉米的50%，而且用青貯稻秸替代50%的全株玉米青貯對荷斯坦奶牛產(chǎn)奶量和乳成分沒有顯著影響。Liu等（2016）研究表明，含7.5%稻草干物質(zhì)的全混合日糧（TMR）青貯飼料，經(jīng)乳酸桿菌和纖維素酶處理后，TMR青貯的pH降低，其干物質(zhì)的回收率增加，因此，可以作為一種反芻動物飼料。Xing等（2009）研究表明，用酶和孕育劑加酶預(yù)處理高粱秸稈可顯著提高其干物質(zhì)消化率，說明添加劑可以在不同程度上提高高粱秸稈青貯發(fā)酵質(zhì)量。魏炳棟等（2016）研究發(fā)現(xiàn)，用枯草芽孢桿菌、乳酸菌和酵母菌復(fù)合菌劑以2∶2∶1比例混合配制的發(fā)酵液發(fā)酵玉米秸稈，然后進行肉羊飼喂試驗，結(jié)果表明，微生物發(fā)酵秸稈能顯著提高秸稈利用率，顯著降低反芻動物甲烷排放量和甲烷能損失，促進肉羊生長。

秸稈通過生物預(yù)處理可分解和礦化其木質(zhì)素。但是真菌處理仍存在效率較低、碳水化合物的損失較大以及停留期較長等缺點。

1.4 綜合預(yù)處理單一方式的預(yù)處理都存在很多弊端，在生產(chǎn)實踐中常將兩種或者兩種以上的預(yù)處理方式綜合起來，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，從而提高秸稈的消化利用率。

1.4.1 氫氧化鈉/尿素預(yù)處理對秸稈進行預(yù)處理過程中氫氧化鈉可破壞纖維素分子之間的氫鍵，同時，尿素水合物可充當(dāng)溶劑分子之間的氫鍵供體和受體，防止纖維素分子的再結(jié)合。另外，NH3和尿素還可破壞稻草的硅化角質(zhì)層。稻谷秸稈經(jīng)尿素預(yù)處理，能顯著提高纖維素、半纖維素和木質(zhì)素在瘤胃中的消失率。

1.4.2 氫氧化鈉、尿素和生物預(yù)處理Dai等（2015）在對稻谷秸稈的研究中，用鞘氨醇桿菌屬LD-1、4%/6%尿素-10℃使還原性糖和葡萄糖的含量比單一NU處理提高1.396和1.372倍。20LC下，氫氧化鈉與尿素（7%/12%）可完全溶解纖維素，產(chǎn)生再生纖維素。該方法還用于通過纖維素溶解預(yù)處理來增強酶水解。

1.4.3 堿預(yù)處理和鐵劑量玉米秸稈進行堿預(yù)處理時，可增加可及表面積，降低全纖維素聚合度和結(jié)晶度，而且可破壞木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，亞鐵離子能夠促進纖維素酶的活性。一般情況下，選擇硫酸亞鐵對秸稈進行預(yù)處理，它通過將纖維素降解成可溶性的木糖及寡聚糖，來促進纖維素的酶解，從而提高水解效率。

1.4.4 擠壓與堿處理相結(jié)合Zhang等（2015）在對稻草進行擠壓預(yù)處理研究中發(fā)現(xiàn)，其處理改變了稻草的物理性質(zhì)（持水能力，比孔隙率，比表面積和結(jié)晶度指數(shù)），化學(xué)組成（木質(zhì)素，苯-乙醇提取物和熱水提取物）和化學(xué)結(jié)構(gòu)，并增加了全纖維素的降解。擠壓不僅可以減小顆粒尺寸，而且提供連續(xù)的熱機械處理，這將導(dǎo)致稻草原纖維結(jié)構(gòu)的進一步膨脹。研究發(fā)現(xiàn)，通過氫氧化鈣處理可從甘蔗渣中除去葡聚糖或木聚糖，使14%的木質(zhì)素溶解。

1.4.5 堿處理與微波預(yù)處理堿預(yù)處理可使植物細胞壁結(jié)構(gòu)內(nèi)的酯鍵斷裂，減少纖維素的物理結(jié)合。用微波輻射和堿預(yù)處理的稻草的質(zhì)地和物理外觀發(fā)生變化。Kaur等（2016）在對稻谷秸稈進行堿與微波預(yù)處理的研究中發(fā)現(xiàn)，4%氫氧化鈉-30 min微波預(yù)處理效果最好，其導(dǎo)致木質(zhì)素含量降低65.0%，二氧化硅含量降低88.7%。由于木質(zhì)素和二氧化硅含量降低，這種增加的消化率導(dǎo)致沼氣產(chǎn)量增加54.7%。二氧化硅是決定稻谷秸稈消化率和提高沼氣產(chǎn)量的重要因素。

1.4.6 水熱/稀酸預(yù)處理聯(lián)合堿后處理Chen等（2017）研究發(fā)現(xiàn)，水熱/稀酸預(yù)處理聯(lián)合堿后處理可提高油菜秸稈酶解效果，與未經(jīng)處理原料相比，油菜秸稈水熱預(yù)處理和堿后處理后其糖化率顯著增加5.9倍，乙醇的產(chǎn)率提高。

2 小結(jié)

秸稈的飼料化預(yù)處理技術(shù)雖然研究較多，但仍存在很多局限性?？傮w來講，綜合的預(yù)處理方法比單一預(yù)處理更完善，秸稈的利用率更高。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，還是要根據(jù)實際需求和規(guī)模選擇最佳的預(yù)處理方式，從而高效利用秸稈。

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鄭夢莉，王凱軍，張佩華*，文佐時
（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，畜禽遺傳改良湖南省重點實驗室，湖南長沙410128）

農(nóng)作物秸稈是一種具有多種用途的可再生生物資源，其富含氮、磷、鉀、鈣、鎂和有機質(zhì)等。由于秸稈的化學(xué)組成復(fù)雜，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間又存在著不同的結(jié)合力，使得秸稈結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，生物降解效果較差，利用率較低。但將秸稈進行一系列的預(yù)處理，能夠破壞纖維素、半纖維素和木質(zhì)素相互之間的結(jié)合力，從而降低秸稈纖維素的結(jié)晶度，提高秸稈的利用率。本文主要綜述了近年來農(nóng)作物秸稈飼料化的加工利用技術(shù)，旨在加大畜牧生產(chǎn)中秸稈的高效利用。

農(nóng)作物秸稈；預(yù)處理；飼料

Crop straw is a kind of renewable bio-resource with many uses.It is rich in nitrogen，phosphorus，potassium，calcium，magnesium and organic matter.However，the complex chemical composition of straw and different binding force between cellulose，hemicellulose and lignin，making structure of the straw is stable，which leads to poor biodegradation and low utilization.After a series of pretreatment of straw，the binding force between cellulose，hemicellulose and lignin is destroyed，which can reduce the crystallinity of straw cellulose and improve the utilization rate of straw.This paper mainly reviews the processing and utilization technology of crop straw fodder in recent years，aiming at increasing the efficient utilization of straw in livestock production.

crop straw；pretreatment；feed

S816.35

A

1004-3314（2017）11-0005-04

10.15906/j.cnki.cn11-2975/s.20171101

*通訊作者