秸秆饲料资源开发利用的研究进展

Journal of Shen y an g A g ricultural Universit y,2003-06,34(3):228-231

秸秆饲料资源开发利用的研究进展

王宏立1,2,张祖立1,白晓虎1

(1沈阳农业大学农业工程学院,辽宁沈阳110161;2黑龙江八一农垦大学,黑龙江密山158308)

摘要:简要介绍了秸秆成分的构成、特点和饲料的加工方法及作用机理;论述了秸秆饲料加工的新技术及研究进展;指出了秸秆饲料开发中存在的问题及解决途径,并对其开发利用的前景进行了展望。

关键词:秸秆饲料;开发;利用;作用机理

中图分类号:S816.3;S816.34～35文献标识码:A文章编号:1000-1700(2003)03-0228-04

Ex p loitation and U tilization of Cro p Stra w Feed R esource

W ANG H on g-li,ZHANG Zu-li,BAI X iao-hu

(Colle g e o f A g ricultural En g ineerin g,Shen y an g A g ricultural Univ er sitt y,Shen y an g110161,China)

Abstract:T he characteristic of cro p straw,all kinds of p rocessin g m ethods and functionar y m echanism of straw feed w ere introduced in sam p le;T he p a p er summ erized new p rocessin g techni q ues and research p ro g ress of straw feed in details;Ex istent p roblems and re2 solvent w ere p ointed out about straw feed’s ex p loitation,and the p ros p ect advance of straw feed w ere forecasted.

K e y w ords:straw feed;ex p loitation;utilization;functionar y m echanism

秸秆是指农作物的茎叶,如麦秸、玉米秸、豆秸和高粱秸等,作物秸秆与果实重量比一般为1∶1[1]。我国是一个农业大国,秸秆的产量相当可观。我国各类秸秆年总产量达5.7亿t,占全世界秸秆总产量的20%～30%[2]。饲料是畜牧业的基础,畜牧业的迅速发展,加剧了业已存在的饲料供应紧张的程度[3]。代用饲料的开发和利用,已成为当前饲料工业发展的趋势之一。因此有效地利用秸秆进行加工转化,研究出效果好、成本低、适合国情的秸秆饲料加工方法,不仅具有经济意义,也具有十分重要的社会效益。

1秸秆成分的构成及特点

秸秆的主要成分是粗纤维和矿物质,并含有少量的蛋白质和油脂。粗纤维包括纤维素、半纤维素、多缩戊糖及镶嵌物质(木质素,角质)等。纤维素是结构碳水化合物中含量最高的一种(占结构碳水化合物的30%～60%),其他半纤维素(占5%～10%)、木质素(10%～20%)也占有相当的比例[4]。

纤维素属木质化天然纤维,其结晶度和聚合度均很高,是植物细胞壁的主要构成成分。它的化学结构是由许多β-1,4糖苷键联接而成的葡萄糖单位的聚合体,在葡萄糖单位上的第六碳原子呈反式联接,从而导致整个纤维素呈稳定的扁带状的微纤维结构。此外,在微纤维之间还有牢固的氢键联接,从而导致纤维素基本上不可溶,对于各种酶的作用也具有极大的抵抗力。半纤维素是许多不同的单糖聚合体的异源性混合体,各单糖聚合体间分别以共价键、氢键、酯键或醚键相连接,因而呈现为稳定的化学结构。木质素是苯基丙烷的非晶体聚合物,结构随植物不同而异。禾本科饲草中木质素主要以酯键与纤维素和半纤维素相结合。在豆科牧草中主要为醚键,这两种键结构物均不能为哺乳动物消化道内厌氧微生物产生的酶分解,因而降低了木质素的可消化性。

2秸秆饲料的加工方法及作用机理

秸秆是一种非常规饲料资源,其共同特点是质地粗硬、适口性差、消化率低、营养价值不高[5],经合理加工后,可提高其营养价值,增加采食量和消化率。一般秸秆饲料的加工方法可分为物理处理法、化学处理法和生物处理法。

2.1物理处理法

物理处理法是把秸秆切碎、粉碎、揉搓或压块,通过改变秸秆的物理性状来提高秸秆饲料的采食量,进而提高对秸秆饲料的利用率。

收稿日期:2003-03-24

作者简介:王宏立(1971-),男,黑龙江八一农垦大学讲师,沈阳农业大学农业工程学院硕士研究生,从事机械制造及农产品加工机械的研究。

第3期王宏立等:秸秆饲料资源开发利用的研究进展・229・

2.1.1切碎处理法切碎处理的目的是为了使家畜便于咀嚼,且可减少饲料的浪费,同时也便于与其他饲料进行合理搭配利用。一般的秸秆饲料切碎至2～3cm长较适宜。切碎可部分地破坏秸秆纤维素晶体结构,削弱纤维素、半纤维素和木质素之间的结合,增加秸秆与消化液接触面积,同时改善适口性,提高秸秆的利用价值。

2.1.2粉碎处理法秸秆粉碎后与其他饲料混合配制、加工制成各种颗粒料,利于运输和储藏,适口性好,营养价值高,采食量和利用率大幅提高。粉碎虽能增加采食量,但由于缩短了饲料在瘤胃内停留时间而降低了纤维质的消化率。K ellaw a y等(1997)报道[6],秸秆粉碎后,VFA的生成速度和丙酸比率将有所增加,同时引起反刍次数减少,瘤胃p H值下降等现象。秸秆切碎和粉碎方法简单易行,在我国农村有较长的历史,现在还被广泛地采用。

2.2化学处理法

2.2.1碱化处理法碱化秸秆是在一定浓度的碱液作用下,打破纤维素、半纤维素、木质素之间的醚键或酯键(Butter,1982),溶去大部分木质素和磷酸盐、乙酰盐,溶解酚醛酸、糖醛酸和乙酰基,增加纤维素之间的空隙度,使细胞壁膨胀、疏松,增大瘤胃微生物附着的数目,提高纤维素的降解率(S iliva等,1988)。

碱化处理10年始于德国,用氢氧化钠处理秸秆。现在已有贝克曼法、轮流喷洒法、浸泡法等多种处理方法,使之成为简单易行,成本低廉的秸秆处理方法。Das(1994)用10g・k g-1DM NaOH同时加入20g・k g-1DMR的Ca(OH)2,将麦秸密封处理3个月,使麦秸在水牛体内的干物质消化率提高了16.5%(45.5% VS53.0%)。Ja g ruti(1997)用同样的条件处理了甘蔗、栗秆等4种秸秆,使其干物质降解率平均提高32.5% (28.8%～34.8%)[7]。碱化处理法虽能有效地提高秸秆利用率,但易污染环境且营养损失严重,因此受到了极大的。我国只在北方某些农区有些应用。

2.2.2氨化处理法秸秆氨化处理是在密闭的条件下,用尿素或氨液对秸秆进行处理的方法。含氮量较低的秸秆与氨相遇时,其有机物与氨发生氨解反应,其中的木质素与多糖间的酯键遭到破坏,并形成铵盐,成为牛羊瘤胃内微生物的氮源。获得了氮源后的瘤胃微生物活性大大提高,对饲料的消化作用增强。另外,氨溶于水后形成的氢氧化铵对秸秆具有碱化作用。因此,氨化处理通过碱化与氨化双重作用提高低质秸秆的营养价值。

南京农业大学陈杰等(1993)将麦秸氨化后,有机物消化率提高了27.4%,粗纤维消化率提高了3.03%。邓序森等将稻草氨化后,有机物、粗蛋白、粗纤维的消化率比未氨化稻草分别提高了11.49%、19.48%和8.27%。Ber g er等(1994)对32种农作物废弃物和10种禾本科牧草的研究显示,氨化分别使消化率提高了15%和16%,尿素使进食量提高了13%,消化率提高了2.3%。据中国农业大学等单位试验,氨化处理1t农作物秸秆,可节省精饲料300k g以上,经济效益和社会效益明显。氨化后的秸秆质地松软、气味糊香,改变了秸秆组织结构,提高了消化率,改善了适口性,增加了采食量[8]。但也存在污染环境的问题。我国秸秆氨化工作起步较晚,20世纪80年代初某些省区开始进行试验。1987年全国氨化秸秆达14.75万t,上世纪90年代有了更大的突破,取得了明显的经济效益。

2.2.3氧化处理法主要包括秸秆的SO2处理法和碱性过氧化氢处理法。

2.2.

3.1SO2处理秸秆该方法主要是改进木质素、纤维素、半纤维素之间的共价键,溶解半纤维素和酚类物质,使纤维素间的空隙度增加,纤维酶与细胞壁结构型多糖间的接触面积增大,从而使秸秆的消化率提高。Ben-G hedlla(1988)报道用SO235g・k g-1,70℃处理72h,使秸秆中细胞壁含量从81.0%降低至61.0%。用未处理和SO2处理麦秸分别与禽舍垫草以1∶1混合,取代玉米+大麦全精料日粮的60%喂饲绵羊,SO2处理组的采食量比未处理组提高30%,日增重提高34%。Innocenti(1990)用SO245g・k g-1DM的70℃处理72h,能使秸秆干物质和细胞壁的体外消化率分别比对照组提高13.3%和6.4%。SO2处理秸秆虽然各种报道都认为有效,尤其是与氨化联合时,还能提高氮的存留量,但其处理成本、处理后的适口性及其在我国的可行性都有待进一步研究。

2.2.

3.2碱性过氧化氢处理该方法秸秆的机理是通过碱化、氧化打断细胞壁中酚酸、肉桂酸、木质素之间・230・沈阳农业大学学报第34卷

的共价键,从而使细胞壁的空间结构变得疏松,有利于微生物降解。K erl y(1986)用6%的H2O2溶液2342L(加入NaOH,调整p H11.5)浸泡90.9k g麦秸,室温,搅拌16h,然后捞起,挤干大部分水分,真空干燥(80℃) 30m in,粉碎饲喂。这种处理使麦秸纤维素含量增加62.7%(55.8%VS33.4%),绵羊的采食量大幅度增加,并且绵羊瘤胃内NDF和纤维素的降解率显著提高。碱性过氧化氢处理秸秆条件要求较高,NaOH、水、H2O2的用量都很大,处理成本也较高,对于我国来说,很难在实际生产中推广应用。

2.3青贮处理法

适于青贮的农作物秸秆主要是玉米、高粱和黍类作物的秸秆。青贮能有效地保存青绿植物的维生素和蛋白质等营养成分,同时还增加了一定数量的能为畜禽利用的乳酸和菌体蛋白质[9]。青贮的秸秆含水量在70%左右,质地柔软、多汁、适口性好,利用率高,是反刍动物冬春季节理想的青饲料。

青贮技术问世已有100多年。我国从20世纪50年代开始推广,现在已形成规模,主要是在北方牧区应用。但制作青贮正值秋节大忙季节,人力、机力十分紧张,这是青贮的主要因素。

3秸秆饲料加工新技术

3.1膨化处理和热喷处理法

饲料的膨化和热喷技术是新兴的饲料加工技术,是利用热效应在高温高压下处理秸秆。膨化还有机械效应,设备更为简单,与其他的工艺更易联合。

膨化的机理比较复杂,主要包括热效应和机械效应。热效应是在高温、高压蒸汽作用下,使细胞壁内各层间木质素融化和高温水解,氢键断裂而吸水。机械效应是使膨化口处产生极大的摩擦力,使饲料撕碎,乃至细胞游离,细胞壁疏松,细胞间木质素分布状态改变,饲料颗粒骤然变小,密度增大,总体变小,总面积增加,利于消化酶接触面扩大,从而提高饲料的消化率和采食率[10]。

对秸秆类饲料进行膨化或热喷技术处理,可有效破坏影响养分分解的硅酸盐和木质素,以提高适口性和利用率。试验结果证明,在5×105～9×105Pa的压力下膨化,植物细胞壁被破坏,秸秆消化率得以改善[6]。崔凤珍(1992)报道,稻壳膨化后粗脂肪、粗蛋白、矿物质和含氮量分别比膨化前提高25.5%,26.3%,8.0%和23.5%,在蛋鸡日粮中添加5%～10%的膨化稻壳,对生产性能无不良影响。

沈阳农业大学农业工程学院1997年开始研制秸秆膨化机,已取得初步进展。通过膨化及饲喂试验,证明膨化确实可改变秸秆的理化性状和营养成分,提高了秸秆的利用率和消化率。膨化后玉米秸的粗纤维和酸性洗涤纤维分别降低了8.02%和2.95%,无氮浸出物增加了9.83%。膨化后豆秸的粗纤维和酸性洗涤纤维分别降低了17.67%和9.2%,无氮浸出物增加了31.54%[11]。目前,秸秆膨化技术还未能广泛推广使用,秸秆膨化机械及膨化秸秆的饲喂试验等仍有待于进一步研究。

卢德勋等(1990)提出用热喷处理工艺7.84×105Pa气压下处理10m in,喷放压力1.37×106～1.47×106Pa,通过瘤胃尼龙袋法测定,经此法处理的秸秆消化率明显提高,动物增重速度明显加快。贺健等(19)报道,热喷麦秸、玉米秸、稻草的有机物离体消化率比原始样分别提高了16.81%,23.42%和19.47%。并经试验证明,用热喷麦秸比用原始样每千克增重节约精料5.95k g,增重率提高119.6%。

辽宁省阜新市农场用热喷秸秆喂饲奶牛,在单产7000k g的奶牛群粗饲料中,用热喷玉米秸秆代替28.5%的羊草,不会降低产奶量和乳脂率,每头成年母牛每年可节约羊草1000k g,经济效益明显提高[9]。但热喷工艺复杂,费用高,难以推广使用。

3.2生物发酵法

秸秆的生物发酵是选育某些特殊的生物酶系和酶种,经过适当组合后,通过这些酶系和酶种的降解作用,把秸秆粗纤维中的纤维素、半纤维素、木质素等大分子碳水化合物降解为低分子的单糖或多糖的过程。由于生物酶系和酶种改变了秸秆的化学结构,降解秸秆粗纤维中的纤维素、半纤维素和木质素为低分子的单糖或低聚糖,转变秸秆中的不可溶性碳水化合物为可溶性碳水化合物,从而解决了饲料原料问题,拓宽了秸秆的饲喂范围。但秸秆的生物发酵受菌种的筛选、培育与结合以及发酵过程中温度、酸碱度等因素的。吴克谦等的研究表明,微生物处理秸秆的消化率低于氨化秸秆,但发酵秸秆的最大特点是适口性好,采食量第3期王宏立等:秸秆饲料资源开发利用的研究进展・231・

大[12]。K undu(1994)用Paccilom y ces variotii,As p er g illus ni g er alternariaten j us和Fusarium ox y s p orum3种真菌的悬浮液接种到麦秸上,使木质素、酸不溶灰分和细胞内容物分别升高了7.14%, 4.6%和5.32%。张景宏等(1994)用多菌株联合固态发酵作物秸秆,粗蛋白提高94.5%,粗纤维降低22.85%,粗脂肪、矿物质和可溶性糖分别提高20%,35.85%和44.85%,氨基酸含量提高1.42倍,并且大大提高了酶类含量,使纤维素酶提高了7倍,糖化酶提高了5.8倍。

3.3工业化生化加工法

秸秆的各种加工方式均有其优点及不足,因此有人尝试将各种加工方法的优点结合起来,形成工业化生化加工方法。该法是将粉碎、碱化、发酵和制粒等方法有机地结合起来。王仁振(1999)采用此法处理秸秆并作了饲喂试验,结果表明生化加工技术能显著提高秸秆的粗蛋白水平,降低秸秆的粗纤维含量,大大缩短了秸秆的加工周期,可作为猪、鸡等单胃动物的饲料原料[4]。但这种加工方法工艺复杂,加工成本高,不宜被小企业和个体户所接受,因此还不能大范围推广使用。

4秸秆饲料开发存在的问题及前景展望

秸秆饲料加工技术虽然经过长时间的研究,取得了很大进展,但在技术上还不够成熟;有些加工方法复杂,成本高,周期长,见效慢,不能适应当地特点,很难推广使用;单一处理秸秆的方法营养价值不高,采食量和消化率不能大幅度提高。

秸秆饲料的开发利用涉及机械、化工、营养、微生物等多个学科,要想取得突破性进展,就必须集中资金和人力,多学科联合攻关,才能进一步提高技术的成熟度,为秸秆饲料的大量应用提供技术上的保障;各地区有关部门要对本地区的秸秆资源做全面、认真的调查,摸清数量和分布等情况,根据具体情况制定出适合本地发展的方案和规化,尽量做到就地取材,就地开发利用,力求农业的良性循环;要考虑多种加工方法综合使用,采取最佳的加工组合。在秸秆处理过程中,要根据动物机体功能和瘤胃的生理、生化特点进行必要的,提高秸秆的利用率。

秸秆饲料的膨化、热喷和微生物发酵技术是目前开发利用秸秆的最有前景的方法。若将这些技术进一步改进和提高,合理地组配起来,形成综合配套的利用技术,即以膨化—发酵或热喷—发酵双重作用的模式加工秸秆,可有效地增加秸秆的营养价值,将是今后开发利用秸秆资源的最佳途径。目前,秸秆饲料资源的综合利用在我国还不够普及,有着广阔的应用前景。搞好这项工作不仅可缓解我国饲料粮紧缺状况、促进畜牧业发展、提高人民生活水平和改善环境状况,而且在加入WT O的今天,对于增强我国畜产品在国际市场的竞争力也具有重要的战略意义。

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[责任编辑亓国]