汽爆加工與堿化貯存提高沙棘枝干的飼用價值

■錢文靜 黃引超 王先柳,2 張 微 和立文*

（1.中國農業(yè)大學動物科學技術學院，動物營養(yǎng)學國家重點實驗室，北京 100193；2.云南農業(yè)大學動物科學技術學院，云南昆明 650201）

蒸汽爆破，簡稱“汽爆”，是利用高溫高壓水蒸汽 對原料進行蒸煮一定時間，然后瞬間泄壓使原料內部蒸汽膨脹而“爆破”，從而實現原料的組分分離和結構變化的一種加工方法；其處理溫度通常在180～240 ℃，壓力1.0～3.5 MPa，時間在幾秒到幾十分鐘不等[1]。經過近百年的發(fā)展，汽爆技術已在能源、食品、生物基料、化工、制藥等領域得到廣泛應用，近年來在飼料加工方面受到越來越多的關注。國內外學者以作物秸稈、灌木枝條、糟渣餅粕及各種加工副產物為原料開展了廣泛的汽爆加工試驗[2-4]。研究結果顯示，汽爆加工可以快速降低物料顆粒大小，增加孔徑和表面積比，降低半纖維素含量，增加可溶性糖含量，促進體外瘤胃產氣和瘤胃降解率[5-7]，進而影響飼料瘤胃發(fā)酵和飼用價值，具有很好的應用潛力。

但是，從木質纖維素組分變化來看，汽爆過程半纖維素含量大幅減少，而木質素和纖維素含量沒有發(fā)生明顯變化，木質素對纖維素消化的屏障作用還有待進一步破解。研究表明，堿化可以使木質素的部分醚鍵斷裂，皂化半纖維素和木質素之間的酯鍵，削弱半纖維素與纖維素之間的氫鍵，使物料疏松膨脹，提高飼料消化率[8-9]。氧化鈣（氫氧化鈣）是一種比較常用的堿化試劑，價格低廉、操作安全，同時也是很好的鈣源。此外，汽爆過程通常會產生一定量的醛類、酚類或弱酸類物質，可能會對消化酶活性或瘤胃微生物生長產生一定的抑制作用[10-11]。乙醇工業(yè)研究表明，堿可以與汽爆加工抑制物發(fā)生反應使其轉化為無毒物質，從而實現脫毒[12]。由此假設，汽爆加工所得飼料再進行堿化處理，可以進一步提高飼料的利用價值。

因此，本試驗擬以沙棘枝干為原料，進行汽爆加工和添加氧化鈣厭氧濕儲，研究汽爆加工和堿化處理對沙棘枝干理化結構、體外瘤胃發(fā)酵及整體飼用價值的影響，為沙棘枝干等灌木資源的開發(fā)利用提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 原料采集及預處理

冬季從內蒙古荒漠化草原上采集3～5年生沙棘全株（葉子已完全脫落），丟棄一些過于粗大（直徑＞3 cm）的枝干，剩余枝條風干后用T-420刀片式木材粉碎機切碎（安裝2 cm篩片），編織袋室溫貯存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 汽爆加工

汽爆加工處理在華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室進行，所用汽爆加工裝置為自主設計的BL-08 型實驗室移動式爆破器。該汽爆裝置工作容壓2.0 MPa，反應倉由兩個容積為5 L 的柱形罐體組成，通過電控閥門按鈕控制蒸汽加壓和釋壓。根據前期加工參數篩選試驗結果，本試驗選定壓強1.5 MPa和保壓時間20 min開展汽爆加工，裝料量為1 000 g，進行3次加工試驗，汽爆加工前后采集飼料樣品用于相關指標測定。

1.3 氧化鈣厭氧貯存

根據原料（汽爆前后）水分含量測定結果，分別用塑料盆稱取一定量的沙棘原料和汽爆沙棘，然后添加一定量的去離子水進行復水處理，使其預期水分含量達到65%（基本達到飽和），室溫下浸潤24 h，并不定時攪拌均勻。隨后按不同比例（0、2%、4%，濕樣基礎）拌入氧化鈣（CaO），混勻后裝入實驗室用聚乙烯青貯袋（20 cm×30 cm），并用家用食品真空封口機（綠葉DZ280，東莞億健包裝機械有限公司）密封，每個處理3個重復，共18袋，室溫下保存160 d后開袋取樣分析。

1.4 檢測指標及方法

1.4.1 理化結構分析

首先，利用冷凍研磨儀（Tissuelyser-32，上海凈信實業(yè)發(fā)展有限公司）將樣品進一步磨碎（過200 目篩）；然后稱取1.5 mg樣品與100 mg溴化鉀研磨呈粉狀，用鑄模壓片機壓制（20 MPa，30 s）成藥片狀，用于紅外光譜掃描分析（FTIR，Bruker Vertex 70，布魯克光譜儀器公司，德國），檢測器RT-DLaTGS，掃描波長范圍400～4 000/cm，分辨率為4/cm，樣品掃描頻次16次。另外壓制純溴化鉀樣品用于背景掃描校正。同時，取部分樣品用于X射線掃描，測定纖維素結晶度，所用儀器為Siemens D-5000 衍射儀（布魯克光譜儀器公司，德國），Cu-K射線發(fā)生條件為30 kV和20 mA，掃描范圍5°～40°，步進為0.05 θ，步頻3 s/步。最后，計算纖維結晶指數（crystallinity index，CrI）。

式中：I002——主峰的散射強度（2θ=22.8°）；

Iam——無定形區(qū)的散射強度（2θ=18°）。

1.4.2 化學成分分析

參照AOAC（2000）[13]和Licitra 等[14]相應的測定方法，中性洗滌纖維（NDF）、酸性洗滌纖維（ADF）和酸性洗滌木質素（ADL）用纖維分析儀（A220，安康科技公司，美國）測定，不添加無水亞硫酸鈉，殘渣未扣除灰分。

半纖維=NDF-ADF

纖維素=ADF-ADL

粗灰分通過在550 ℃茂福爐煅燒4 h測定?？扇苄蕴菧y定采用3,5-二硝基水楊酸比色法[15]，通過多功能酶標儀（Varioskan LUX，美國賽默飛公司）比色分析（波長540 nm）。利用全自動凱氏定氮儀（Kjeltec 2300，FOSS）測定總氮量（N），計算粗蛋白含量。

粗蛋白（CP）=N×6.25

1.4.3 體外瘤胃產氣量分析

以厭氧保存后的沙棘枝干飼料為底物，參照Menke等[16]的方法進行體外瘤胃發(fā)酵試驗。每根玻璃培養(yǎng)管（100 mL）稱入220 mg 底物，并將注射器推桶前1/3 部分均勻涂抹凡士林（保證氣密性和潤滑度），每個樣品2根管，每個處理共6根管，稱樣完成后將所有培養(yǎng)管放置于39 ℃培養(yǎng)箱預熱待用。然后，按照Menke 等[17]所用方法配制人工瘤胃緩沖液，晨飼前從3頭體重約800 kg裝有瘤胃瘺管的安格斯閹牛采集所需瘤胃液，四層紗布過濾后使用，瘤胃液與緩沖液按1∶2 比例混合而成人工瘤胃培養(yǎng)液。用分液器向每根培養(yǎng)管中注入30 mL人工瘤胃培養(yǎng)液，排出管內空氣，記錄初始刻度（0 h），置于39 ℃水浴搖床中培養(yǎng)，轉速60 r/min，定時讀取2、4、6、8、12、16、20、24、30、36、42、48、60、72 h培養(yǎng)管的刻度值（mL）。發(fā)酵結束時（72 h）收集發(fā)酵液，測定pH（PHS-3C，上海雷磁儀器有限公司），然后離心取上清液用于氨態(tài)氮測定（酚-次氯酸鈉比色法）[18]和氣相色譜分析瘺管牛日糧配方：玉米（28%）、豆粕（8%）、棗粉（5%）、全株玉米青貯（35%）、玉米秸稈（20%）、預混料（4%），每天飼喂2 次（7：30和16：00），自由飲水。

①體外瘤胃產氣動態(tài)參數擬合采用以下預測模型

式中：GP——體外培養(yǎng)t時間的累積產氣量（mL）；

B——理論最大產氣量（mL）；

c——產氣速率（%/h）；

t——體外培養(yǎng)時間（h）。

②基于體外產氣量和飼料養(yǎng)分估算有機物消化率[17]和代謝能值[19]

式中：OMD——有機物消化率(g/kg);

ME——代謝能值（MJ/kg）；

GP——24 h體外瘤胃累積產氣量（mL/0.2 g DM）；

CP——粗蛋白含量（g/kg DM）；

Ash——粗灰分含量（g/kg DM）。

1.5 統(tǒng)計分析

采用Excel軟件進行數據整理，利用SAS 9.0軟件中non-linear 方法擬合產氣動態(tài)發(fā)酵參數；用OMNIC軟件處理FTIR圖譜，用MDI Jade 6軟件處理X射線衍射圖譜（XRD圖譜）；采用雙因素（汽爆加工、氧化鈣添加量）方差分析進行組間差異分析，以P＜0.05 表示存在統(tǒng)計學差異。

2 結果與分析

2.1 汽爆加工和CaO 添加對厭氧保存沙棘枝干理化結構的影響

圖1 顯示，經過汽爆加工或CaO 厭氧處理，沙棘枝干紅外光譜掃描圖譜（FTIR）在3 352.27/cm 處的吸收峰增強，在2 852.03/cm 處新增了一個小的吸收峰，而1 736.24/cm 處吸收峰強度降低；CaO 處理組1 624.78/cm 處吸收峰出現右移現象，且1 460.39、1 374.96、1 319.15/cm和1 246.07/cm處吸收峰強度減弱。汽爆加工使1 510.39、1 159.21/cm處吸收峰增強。

圖1 汽爆加工和CaO添加對厭氧保存沙棘枝干紅外圖譜的影響

如圖2 所示，與未處理原料相比，汽爆加工使XRD 圖譜主峰的峰形更尖，峰高更高；與空白厭氧保存相比，只進行CaO處理的主峰峰形更寬，峰高變矮。

圖2 汽爆加工和CaO添加對厭氧保存沙棘枝干紅外圖譜的影響

2.2 汽爆加工和CaO 添加對厭氧保存沙棘枝干化學成分的影響（見表1）

如表1所示，汽爆加工和CaO添加對厭氧保存沙棘枝干化學成分（NDF、ADF、ADL、半纖維素、纖維素、可溶性糖、粗灰分）有顯著影響（P＜0.05），且除纖維素外都存在互作關系（P＜0.05）。

表1 汽爆加工和CaO添加對厭氧保存沙棘枝干營養(yǎng)成分的影響(% DM)

具體來看，汽爆加工使沙棘枝干NDF、半纖維素和纖維素含量減少，ADF、ADL和可溶性糖含量增加；CaO 添加使沙棘枝干（無論汽爆加工與否）使NDF、ADF、ADL和纖維素含量減少，粗灰分含量增加；汽爆加工后CaO添加使沙棘枝干半纖維素含量增加，可溶性糖含量減少，與原料相反。

2.3 汽爆加工和CaO 添加對厭氧保存沙棘枝干體外瘤胃發(fā)酵特性的影響

圖3 顯示，除原料添加2% CaO 組和單純汽爆處理外，汽爆加工和CaO添加導致厭氧保存沙棘枝干體外瘤胃產氣量出現不同程度降低；同時，由表2可知，不同處理組的體外瘤胃產氣量（GP24h、GP72h）和產氣動態(tài)參數（B、c）及發(fā)酵液pH無差異（P＞0.05），汽爆加工導致發(fā)酵液氨態(tài)氮濃度下降。汽爆加工使厭氧保存沙棘枝干ME 預測值升高（P＜0.05），但CaO 添加使OMD 升高（P＜0.05）而ME 降低（P＜0.05），且隨著氧化鈣添加水平呈線性變化。

表2 汽爆加工和CaO添加對厭氧保存沙棘枝干體外瘤胃發(fā)酵參數的影響

圖3 汽爆加工和CaO添加對厭氧保存沙棘枝干體外瘤胃產氣量的影響

表3顯示，汽爆加工和CaO添加對厭氧保存沙棘枝干的體外瘤胃揮發(fā)性脂肪酸總產量沒有影響（P＞0.05），但對乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸、戊酸的相對比例有影響（P＜0.05）。具體來講，汽爆加工導致丙酸比例增加，異丁酸、異戊酸、戊酸的比例及乙丙比下降；CaO 添加導致乙酸比例及乙丙比升高（P＜0.05），丙酸、異戊酸和戊酸的比例下降。

表3 汽爆加工和CaO添加對厭氧保存沙棘枝干體外瘤胃揮發(fā)性脂肪酸組成的影響

3 討論

3.1 汽爆加工和CaO 添加對厭氧保存沙棘枝干理化結構的影響

紅外吸收光譜法利用物質分子對紅外輻射的特異性吸收，得到與分子結構相應的紅外光譜圖，吸收譜帶的強弱與化學基團的含量有關，可用于進行定量分析[20]。本研究中，汽爆加工和CaO厭氧處理均對沙棘枝干的紅外圖譜產生一定的影響。3 352/cm處吸收峰代表O—H官能團的伸縮吸收峰[21]，其增強說明經過汽爆加工或CaO厭氧處理O—H官能團含量增加，這可能是由于處理過程氫鍵、酯鍵、醚鍵等斷裂造成。在2 852/cm 處新增了一個小的吸收峰，可能源自C—H伸縮振動[22]，預示著有新官能團的產生。據報道，1 736/cm 處是羰基（C＝O）伸縮振動吸收峰，主要來自乙?；?、糖醛酸或阿魏酸酯等結構[21-22]，此處吸收峰強度降低表明汽爆加工或CaO貯存導致羰基（C＝O）減少，主要指示半纖維素結構的變化；1 510/cm 處吸收峰主要由木質素芳香環(huán)（C＝C）振動引起的[21]，其強度增強說明木質素含量增加，這可能是汽爆加工過程“假木質素”生成及干物質損失產生的濃縮效應造成的。此外，1 460、1 425、1 375、1 319、1 246、1 159/cm處吸收峰均出現變化。紅外光譜FTIR譜圖分析結果表明，沙棘枝干經過汽爆加工或CaO 厭氧保存處理后，其木質纖維素結構發(fā)生了明顯變化。

對于具有結晶結構的物質，X射線射入時會發(fā)生衍射現象，因此可以用XRD 來研究具有結晶結構的纖維素在加工前后的變化。纖維結晶度指數（CrI）是度量纖維相對結晶度的參數，反映的是結晶纖維素在木質纖維素原料中的相對含量，與實際的纖維結晶度的變化密切相關，其測定相對簡便，因此常用來指征纖維結晶度的變化[23]。大量研究表明，結晶區(qū)纖維素比無定形區(qū)纖維素對酶和微生物降解的抗性更大，其降解速率和降解程度都明顯較小[24]。本研究中，與未處理原料相比，汽爆加工使XRD 圖譜主峰的峰形變得更尖更高，說明汽爆加工后沙棘枝干的纖維結晶度增大。這可能是由于物質損失導致纖維相對含量增加，或者無定形纖維素發(fā)生重結晶，亦或是纖維素聚合度降低導致β-葡聚糖鏈結晶度增大。與空白厭氧保存相比，CaO 處理使峰形變寬變矮，說明CaO 厭氧保存使纖維結晶度下降。這可能是堿化處理破壞了酯鍵、醚鍵、氫鍵作用，使木質纖維素結構變得蓬松。

3.2 汽爆加工和CaO 添加對厭氧保存沙棘枝干化學成分的影響

本研究中，汽爆加工和CaO厭氧保存導致沙棘枝干化學成分發(fā)生較大變化。汽爆過程發(fā)生類酸水解、熱降解、類機械斷裂、氫鍵破壞、結構重排等作用，造成沙棘枝干木質纖維素組分變化。大量研究顯示，汽爆過程中大量半纖維素發(fā)生降解，同時纖維素和木質素含量也有一定變化[25-26]。從組分關系來看，半纖維素和纖維素含量減少是導致NDF 含量下降和可溶性糖含量升高的主要原因，而汽爆過程“假木質素”生成及養(yǎng)分損失產生的濃縮效應導致ADL增加，進而導致ADF 含量增加。堿化處理可以使木質素的部分醚鍵斷裂，皂化半纖維素和木質素之間的酯鍵，削弱半纖維素與纖維素之間的氫鍵，使木質纖維素結構變得松散及部分發(fā)生降解，可溶性糖含量增加[27-28]。此外，氧化鈣添加使灰分含量大幅度增加，對其他養(yǎng)分造成一定的稀釋作用，這也是高粗灰分含量對飼料利用不利的一面，但日糧中適量CaO 添加可以調節(jié)瘤胃pH 和提供鈣源?？扇苄蕴呛康淖兓饕赡举|纖維素降解產生和微生物活動代謝消耗兩方面決定的，含量增加說明其降解生成作用大于微生物消耗，反之亦然。

3.3 汽爆加工和CaO 添加對厭氧保存沙棘枝干體外瘤胃發(fā)酵特性的影響

體外瘤胃產氣量法是評價反芻動物飼草飼料營養(yǎng)價值的常用方法之一，通過產氣量、產氣速率、揮發(fā)性脂肪酸產量、微生物蛋白量等指標反映飼料的瘤胃發(fā)酵速度、發(fā)酵潛力和利用效率[16]。本試驗中，汽爆加工或CaO 厭氧保存對沙棘枝干體外瘤胃產氣動態(tài)沒有顯著影響，但影響了揮發(fā)性脂肪酸的組成比例和氨態(tài)氮的濃度。加工處理過程沙棘枝干發(fā)生部分降解使其木質纖維素組分發(fā)生變化，產生乙酸、乙酰丙酸及各種酚酸（汽爆飼料pH 4.0左右），而這些有機酸在體外瘤胃發(fā)酵過程中不會產生氣體，這是造成沙棘枝干加工后產氣量不升反降的原因之一。同時，汽爆加工使木質纖維素組成結構發(fā)生明顯變化，有利于微生物附著和降解。其丙酸含量升高及乙丙比下降表明汽爆加工可以促使沙棘枝干瘤胃發(fā)酵由乙酸型發(fā)酵向丙酸型發(fā)酵轉變，減少產氣量，提高能量轉化效率。相應地，發(fā)酵液氨態(tài)氮濃度也降低，說明更多的氮源被微生物用于合成菌體蛋白，但也有可能是因為汽爆加工使底物中可利用氮源減少造成的。CaO 厭氧保存導致乙酸比例升高的原因可能是，一是貯存過程中潛在可發(fā)酵成分被微生物利用，導致易發(fā)酵成分減少；二是CaO對酸性的緩沖作用可能有利于纖維分解菌生長，促進乙酸型發(fā)酵。體外產氣量不僅反映了營養(yǎng)物質被瘤胃微生物發(fā)酵的程度和速度，還可以比較準確地估測飼料的瘤胃有機物消化率和代謝能值[17]。本試驗中，汽爆加工使沙棘枝干的粗蛋白含量測定值升高，而產氣量無差異，因而導致代謝能預測值增大。CaO 添加增加灰分含量導致有機物消化率預測值升高，同時粗灰分含量升高導致實際可發(fā)酵的有機物和蛋白質含量減少和產氣量降低，進而導致代謝能預測值降低。綜合來看，汽爆加工可以有效提高沙棘枝干的飼用價值，而CaO厭氧處理的各項預測指標響應不一致，具體效果仍需要更多試驗論證。

4 結論

本研究結果顯示，汽爆加工與CaO堿貯對沙棘枝干的理化結構均有一定影響，改變了沙棘枝干體外瘤胃發(fā)酵揮發(fā)性脂肪酸的組成比例以及有機物消化率和代謝能值。結果表明，本試驗條件下，汽爆加工提高了沙棘枝干的飼用價值，但CaO堿貯能否提高其飼用價值還有待進一步研究。