汽爆與汽爆后發(fā)酵對(duì)棉花秸稈營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的影響

張志軍 郭同軍* 趙 潔 桑斷疾 石 勇 崔繼文

(1.新疆畜牧科學(xué)院飼料研究所，烏魯木齊830000；2.新疆巴州草原工作站，庫(kù)爾勒841000； 3.新疆弘瑞達(dá)纖維有限公司，庫(kù)爾勒841000)

作為新疆農(nóng)業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)之一的棉花種植業(yè)，2013年棉花秸稈總量近800萬(wàn)t。據(jù)魏敏[1]測(cè)定，新疆奎屯地區(qū)棉花秸稈中粗蛋白質(zhì)(CP)含量為6.5%、木質(zhì)素(ADL)含量為15.2%、纖維素含量為44.1%、半纖維素含量為10.7%、鈣(Ca)含量為0.65%、磷(P)含量為0.09%、游離棉酚(FG)含量為0.03%，具有作為動(dòng)物粗飼料來(lái)源的良好開(kāi)發(fā)潛力。盡管棉花秸稈CP含量高于麥秸和稻稈，但其木質(zhì)化程度較高，另外含有有毒的FG，且適口性差，增加了棉花秸稈飼料化利用的難度。如果通過(guò)處理降低棉花秸稈的ADL和FG含量將大大提高其飼料化利用率，進(jìn)而可緩解新疆飼草料短缺問(wèn)題。玉米秸稈、麥秸、稻稈等粗飼料有水泡、氨化、堿化以及生物發(fā)酵等處理方法，不同的方法對(duì)不同秸稈的作用效果有所不同[2-5]。近年來(lái)，學(xué)者對(duì)農(nóng)作物秸稈汽爆處理研究有所進(jìn)展。汽爆可以降低秸稈的纖維素、半纖維素以及ADL含量[6-8]；稻草、桉樹(shù)、谷物秸稈進(jìn)行汽爆處理后進(jìn)行瘤胃液體外發(fā)酵處理，提高了其在反芻動(dòng)物瘤胃中的消化率[9-11]。本試驗(yàn)將棉花秸稈用汽爆和固態(tài)發(fā)酵技術(shù)聯(lián)合處理，利用汽爆過(guò)程中高溫高壓作用來(lái)破壞細(xì)胞壁，打開(kāi)ADL和半纖維素的共價(jià)鍵，以釋放纖維素和半纖維素，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)裸露，然后添加菌劑對(duì)其進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵以利于微生物降解，增加動(dòng)物對(duì)棉花秸稈的消化利用率。本試驗(yàn)通過(guò)測(cè)定飼料常規(guī)營(yíng)養(yǎng)成分，評(píng)價(jià)這種物理和生物聯(lián)合作用的效果，進(jìn)而為制作營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高的棉花秸稈飼料和今后動(dòng)物對(duì)其的利用提供必要理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用棉花秸稈采自新疆巴州，由棉花秸稈收獲機(jī)械收獲，長(zhǎng)度為10 cm左右，風(fēng)干棉花秸稈的水分含量為10.4%。試驗(yàn)發(fā)酵所用的活性桿菌來(lái)自于海星資環(huán)秸稈發(fā)酵劑，其主要成分為枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)、植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum)、釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)等，其中活性菌的數(shù)量可達(dá)200億個(gè)/g。

1.2 棉花秸稈的汽爆處理

棉花秸稈的處理在新疆弘瑞達(dá)纖維有限公司進(jìn)行。根據(jù)汽爆棉花秸稈生產(chǎn)流程，先將粉碎至2～3 cm棉花秸稈進(jìn)行加水浸潤(rùn)，當(dāng)水分含量達(dá)40%時(shí)，采用蒸汽爆破設(shè)備將棉花秸稈通過(guò)進(jìn)料裝置送入膨化脫糖脫毒機(jī)(ZL2014208627577)，通入水蒸汽使壓力達(dá)到2.5 MPa，220 ℃時(shí)維壓2～3 min，然后瞬間釋壓，使物料在自然壓差條件下快速膨化并噴入收集罐中，由收集罐排出的膨化料依次通過(guò)出料絞龍、出料提升機(jī)，然后送入逆流冷卻器進(jìn)行冷卻。對(duì)需要發(fā)酵的棉花秸稈按比例每噸噴灑含發(fā)酵劑的水(發(fā)酵劑∶水=1 g∶350 kg)約500 kg，調(diào)節(jié)水分含量達(dá)60%～65%，利于發(fā)酵。

1.3 采樣方法

1)未處理的棉花秸稈(對(duì)照組，CK組)：從待處理的棉花秸稈原料堆中，采用五點(diǎn)法進(jìn)行樣品采集，先確定對(duì)角線的中點(diǎn)作為中心樣點(diǎn)，再在對(duì)角線上選擇4個(gè)與中心樣點(diǎn)距離相等的點(diǎn)作為樣點(diǎn)，分別采集1 kg樣品，將收集的5 kg樣品混合后，四分法取樣1 kg，-20 ℃密封保存待檢，試驗(yàn)共分3批采集樣品。

2)粉碎棉花秸稈(S組)：將1)中采集的棉花秸稈用粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，粉碎后的棉花秸稈長(zhǎng)度為2～3 cm，采集未進(jìn)汽爆倉(cāng)的粉碎棉花秸稈樣品各0.5 kg，-20 ℃密封保存待檢，取樣方法同1)，且與1)對(duì)應(yīng)采集3批樣品。

3)汽爆棉花秸稈(SE組)：將2)中粉碎的棉花秸稈進(jìn)行汽爆處理，汽爆結(jié)束后冷卻，從汽爆倉(cāng)中取樣，-20 ℃密封保存待檢，取樣方法同1)，且與1)對(duì)應(yīng)采集3批樣品。

4)汽爆后發(fā)酵棉花秸稈(SEF組)：3)中汽爆后的棉花秸稈經(jīng)冷卻后，添加1%的活性桿菌，裝入?yún)捬醮?，排出空氣后密封，發(fā)酵溫度不能低于15 ℃，發(fā)酵45 d后取樣，-20 ℃密封保存待檢，取樣方法同1)，且與1)對(duì)應(yīng)采集3批樣品。

1.4 指標(biāo)檢測(cè)

1.4.1 常規(guī)營(yíng)養(yǎng)成分

將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，分析干物質(zhì)(DM)、總能(GE)、CP、粗脂肪(EE)、酸性洗滌纖維(ADF)、中性洗滌纖維(NDF)、ADL、粗灰分、Ca和P的含量。CP含量采用GB/T 6432—1994凱氏定氮法測(cè)定，儀器為海能K1100。EE含量采用GB/T 6433—2006石油醚浸提法測(cè)定，儀器為索氏提取儀。Ca含量采用GB/T 6436—2002原子吸收法測(cè)定，儀器為東西電子原子吸收儀7000。P含量采用GB/T 6437—2002分光光度法測(cè)定，儀器為分光光度計(jì)(GC2010)。NDF和ADF、ADL含量采用GB/T 20806—2006、NY/T 1459—2007、GB/T 2080—2006消煮法測(cè)定。水分含量采用GB/T 6435—1986方法測(cè)定。粗灰分含量采用GB/T 6438—2007方法測(cè)定。GE采用燃燒法測(cè)定，儀器為量熱儀OR2014.

1.4.2 粗飼料分級(jí)指數(shù)(GI)

GI是我國(guó)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)家盧德勛先生2001年提出的評(píng)定粗飼料品質(zhì)的科學(xué)指標(biāo)。

GI=ME×DMI×CP/NDF。

式中：ME為粗飼料代謝能(MJ/kg)，在奶牛上使用泌乳凈能(NEL)；DMI為粗飼料干物質(zhì)自由采食量(kg)；CP為粗蛋白質(zhì)含量(%DM)；NDF為中性洗滌纖維含量(%DM)。其中DMI校正為40 kg標(biāo)準(zhǔn)體重綿羊的DMI(1.4 kg/d)，ME參照劉潔[12]公式ME(MJ/kg DM)=3.866+0.285×CP(%DM)計(jì)算，其他數(shù)據(jù)為實(shí)測(cè)值，計(jì)算時(shí)需由風(fēng)干基礎(chǔ)轉(zhuǎn)化成DM基礎(chǔ)后計(jì)算。

1.4.3 游離FG含量

飼料樣品采用具有水循環(huán)制冷的FOSS MILL打碎后送至第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)采用GB/T 13086—1991方法檢測(cè)FG含量。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2007進(jìn)行初步整理，采用SAS 9.0的GLM模型進(jìn)行單因素方差分析，多重比較采用Tdiff法進(jìn)行，P<0.01為差異極顯著，P<0.05為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 汽爆和汽爆后發(fā)酵處理對(duì)棉花秸稈常規(guī)營(yíng)養(yǎng)成分的影響

由表1可知，SE組和SEF組棉花秸稈CP含量較S組分別提高了10.79%和14.60%(P<0.01)；與對(duì)照組相比，SEF組棉花秸稈CP含量也提高了5.40%(P<0.05)。S組、SE組、SEF組棉花秸稈EE含量較對(duì)照組分別提高了29.29%、61.09%、59.83%(P<0.01)，SE組和SEF組棉花秸稈EE含量較S組也分別提高了24.60%和23.62%(P<0.01)。各組之間棉花秸稈Ca、P含量變化幅度不大，其中SEF組的含量較高，SE組較低，另外，SEF組棉花秸稈灰分含量亦最高，S組最低。SEF組棉花秸稈的GE最高，較SE組、S組和對(duì)照組分別提高了7.89%、24.56%、10.27%(P<0.01)。

表1 汽爆和汽爆后發(fā)酵處理對(duì)棉花秸稈常規(guī)營(yíng)養(yǎng)成分的影響 (干物質(zhì)基礎(chǔ))

同行數(shù)據(jù)肩標(biāo)無(wú)字母或相同字母表示差異不顯著(P>0.05)，不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)，不同大寫(xiě)字母表示差異極顯著(P<0.01)。下表同。

In the same row, values with no letter or the same letter superscripts mean no significant difference (P>0.05), while with different small letter superscripts mean significant difference (P<0.05), and with different capital letter superscripts mean significant difference (P<0.01). The same as below.

2.2 汽爆和發(fā)酵處理對(duì)棉花秸稈纖維素含量的影響

與S組相比，SE組、SEF組棉花秸稈NDF和ADF含量分別提高了10.83%、9.85%和23.94%、14.52%(P<0.01)；S組棉花秸稈ADL含量最高，SE組次之，SEF組最低，各組之間差異極顯著(P<0.01)。

表2 汽爆和發(fā)酵處理對(duì)棉花秸稈纖維素含量的影響 (干物質(zhì)基礎(chǔ))

2.3 汽爆和汽爆后發(fā)酵處理對(duì)棉花秸稈FG含量和GI值的影響

由表3可知，經(jīng)過(guò)不同處理，棉花秸稈中FG含量變化極顯著(P<0.01)，SEF組達(dá)到斷奶后反芻動(dòng)物的安全限量(200 mg/kg)[13]以下。處理后的棉花秸稈GI值也有提高，其中SEF組和SE組GI值較對(duì)照組分別提高了11.60%(P<0.01)、11.58%(P<0.05)，S組GI值較對(duì)照組提高了2.11%，差異不顯著(P>0.05)。

表3 汽爆和汽爆后發(fā)酵處理對(duì)棉花秸稈FG含量和GI值的影響(干物質(zhì)基礎(chǔ))

3 討 論

3.1 汽爆及汽爆后發(fā)酵對(duì)棉花秸稈營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的影響

汽爆處理主要通過(guò)高溫高壓的爆破作用使底物發(fā)生化學(xué)的改變，同時(shí)亦可改變物理結(jié)構(gòu)，發(fā)酵則是通過(guò)微生物作用來(lái)促進(jìn)纖維素的降解利用和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的合成。和立文等[14]對(duì)玉米秸稈、麥秸、稻稈進(jìn)行了汽爆處理，其中玉米秸稈CP含量提高了0.45%，麥秸和稻稈分別降低了0.8%、0.1%。另外，蒸汽爆破處理可造成DM損失，進(jìn)而相對(duì)提高了粗灰分、CP和EE在DM中的含量，但也造成中性洗滌不溶氮(NDIN)和酸性洗滌不溶氮(ADIN)含量的增加[15-17]。本試驗(yàn)中棉花秸稈汽爆處理后，CP含量較僅粉碎的棉花秸稈提高了10.79%，汽爆后再發(fā)酵的棉花秸稈CP含量增加了14.60%，說(shuō)明汽爆且發(fā)酵處理可以提高棉花秸稈CP含量，汽爆處理和汽爆后發(fā)酵處理還使得棉花秸稈粗灰分、Ca、P含量都有所增加，這與和立文等[14]的研究結(jié)果類(lèi)似。汽爆過(guò)程可使脂肪細(xì)胞破裂，溢出的脂肪與淀粉基質(zhì)結(jié)合，形成脂肪-淀粉復(fù)合物，減少了脂肪的變質(zhì)，利于脂肪的儲(chǔ)存[18]。本試驗(yàn)中，與粉碎棉花秸稈相比，汽爆和汽爆后發(fā)酵顯著提高了棉花秸稈EE含量和GE。汽爆后，伴隨著木質(zhì)結(jié)構(gòu)的解構(gòu)，纖維素和半纖維素更加有利于微生物的附著和消化酶的作用，同時(shí)，高溫高壓可將秸稈部分營(yíng)養(yǎng)成分降解為可溶性糖、有機(jī)酸等物質(zhì)，有利于微生物的繁殖和動(dòng)物的消化利用[19-20]。

3.2 汽爆及汽爆后發(fā)酵對(duì)棉花秸稈纖維素含量的影響

秸稈的細(xì)胞壁主要成分為ADL，通過(guò)與少量淀粉、果膠以及蛋白質(zhì)的牢固結(jié)合，難以被動(dòng)物消化利用，且對(duì)其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的降解率產(chǎn)生副作用。如果能通過(guò)破壞木質(zhì)結(jié)構(gòu)，達(dá)到釋放營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和降低ADL含量的效果，則可提高動(dòng)物對(duì)秸稈的利用效率。與粉碎處理相比，單獨(dú)對(duì)棉花秸稈進(jìn)行蒸汽爆破可能對(duì)ADL的降解效果并不是特別理想，本試驗(yàn)汽爆棉花秸稈ADL含量?jī)H降低了5.79%，但通過(guò)汽爆后發(fā)酵，ADL含量降低了26.41%，汽爆處理對(duì)NDF和ADF含量影響較小，變化幅度不大。不同的秸稈其汽爆處理的效果不盡一致。經(jīng)過(guò)蒸汽爆破處理的蘆葦纖維素含量可增加19.2%，ADL含量降低5.5%，還原糖含量提高4.51%[21]。鄭麗麗等[22]對(duì)香蕉葉進(jìn)行蒸汽爆破處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其ADL含量由14.62%降至6.52%，降解率為55.40%。另外，在2.5 MPa的壓力下進(jìn)行200 s的爆破處理的玉米秸稈纖維素、半纖維素、ADL含量分別降低26.44%、82.99%、35.12%[23]。通過(guò)蒸汽爆破，可打破ADL與纖維素等物質(zhì)的結(jié)合，有利于增加纖維內(nèi)部的表面積，微生物對(duì)底物接觸點(diǎn)也大大增加，方便微生物接觸底物進(jìn)行降解作用，同時(shí)蒸汽爆破產(chǎn)生部分還原糖，為微生物的生長(zhǎng)提供了碳源，促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)代謝，進(jìn)而促進(jìn)關(guān)鍵酶類(lèi)降解ADL。

3.3 汽爆及汽爆后發(fā)酵對(duì)棉花秸稈FG含量的影響

本試驗(yàn)結(jié)果表明，汽爆后發(fā)酵不僅提高了棉花秸稈的GI值，還降解了大部分的FG，為動(dòng)物有效利用棉花秸稈掃清了障礙。鐘英長(zhǎng)等[4]分離了5種微生物菌類(lèi)，其對(duì)未經(jīng)榨油的棉籽仁粉的微生物脫毒率達(dá)60%～74%；王清華等[24]研究表明，固定蒸汽爆破壓強(qiáng)為2.0 MPa時(shí)，適宜的水料比為30%，適宜維壓時(shí)間為30 s，棉籽粕中FG含量達(dá)85.0 mg/kg，脫毒率達(dá)87.0%。經(jīng)過(guò)不同處理，棉花秸稈中FG含量變化極顯著，SEF組達(dá)到斷奶后反芻動(dòng)物的安全限量(200 mg/kg)[13]以下，說(shuō)明通過(guò)汽爆和發(fā)酵聯(lián)合處理棉稈可基本解除棉稈中FG的毒害。

4 結(jié) 論

① 經(jīng)過(guò)汽爆后發(fā)酵的棉花秸稈ADL含量最低，降解效果最好。

② 經(jīng)過(guò)汽爆后發(fā)酵的棉花秸稈FG的降解效果最好，為95 mg/kg，低于成年反芻動(dòng)物飼料安全限量200 mg/kg。

③ 經(jīng)過(guò)汽爆后發(fā)酵的棉花秸稈的GI值最高。