农作物秸秆饲料化技术研究进展

综述

农作物秸秆饲料化技术研究进展

我国作为农业大国，如何高效开发利用农作物秸秆已经成为我国的重大课题。人类生活水平的提高对动物性食品的需求量日益增加，刺激了畜牧业的快速发展，畜牧业的发展速度又受到动物饲粮短缺的制约。而秸秆饲料化利用一方面可以补充动物饲粮的短缺，另一方面也可以减少资源浪费。农作物秸秆饲料，主要是玉米、稻谷、棉花、高粱等粉碎加工利用的纤维饲料，是反刍动物的主要饲料。因为反刍动物能有效利用秸秆中的粗纤维，其瘤胃和盲肠中的微生物能够分泌纤维素降解酶，将纤维素降解成能被宿主细胞吸收的单糖。农作物秸秆饲料主要的特征是粗纤维含量高、适口性差、利用率低。秸秆的结构单元主要是由纤维素、半纤维素和木质素组成。木质素被认为是刚性较强和相对难处理的生物聚合物。其最主要的结构单元是由对羟基肉桂醇单体和相关化合物的氧化偶联合成的芳香族苯丙素亚单位和木质素醇（Vanholme等，2008；Ralph，2004；Boerjan，2003）。这些化合物主要存在于次要增厚的植物细胞壁中，与半纤维素共价结合，为细胞壁提供强度和刚度。秸秆预处理能够降低酶解底物中纤维素的结晶度，减少木质素的含量，增加酶水解底物的比表面积，从而提高纤维素酶对纤维素的可及度，更加迅速地将碳水化合物转化为单糖（Talebnia，2010）。

迄今，已经开发应用的秸秆预处理方法有：稀酸处理、碱处理、蒸汽爆破、微生物预处理、热水处理、氨纤维爆炸、挤出预处理、微波预处理和生物处理等。虽然这些预处理方法提高了秸秆利用率，但是其高昂的设备费用使秸秆在实际应用中受到制约（Ahmed，2016）。

1 秸秆饲料化的预处理

传统的秸秆饲料化预处理包括物理处理、化学处理、生物处理。物理预处理又包括最简便的机械加工、热加工以及盐化处理。化学处理包括稀酸处理、氨化处理、碱化处理和氨碱复合预处理。生物处理包括青贮、酶解、发酵。这些预处理虽然改善了秸秆的特性，提高了其降解率，但又存在能耗高、二次污染严重以及易产生发酵抑制物等问题。

1.1 秸秆的物理预处理秸秆的物理预处理研究较多，工艺相对比较成熟。机械加工是用机械设备将秸秆切割、粉碎，将秸秆搓成丝状或者条状，以增加饲料和动物消化液的接触面积，使其混合均匀，提高饲料的利用率以及动物的适口性。热加工处理则是利用热喷或者膨化技术破坏纤维素的结晶，撕断纤维素、半纤维素与木质素的紧密联系，减少木质素对纤维素分解的障碍，增加接触面积，使纤维素消化酶以及微生物可以降解纤维素，从而增加动物的采食量，提高秸秆的消化利用率。传统的机械加工，秸秆的消化利用率还是较低，现在研究较多的是秸秆的热喷、膨化技术以及蒸汽爆破技术。

1.1.1 热喷处理秸秆的热喷处理是将初步破碎（或不经破碎）的粗饲料装入压力罐内，用1471~1961 kPa的加压，持续1~30 min，然后突然降压喷放即得热喷饲料。粗饲料经热喷处理后，纤维细胞撕裂、细胞壁疏松、细胞游离，物质颗粒会骤然变小，颗粒的总面积增大，从而得到质地柔软和味道芳香的饲料。而用110~138℃的热蒸汽对毒饼粕进行热喷处理，可在数分钟内除毒，改善其适口性。热喷处理也可以降低蛋白质在瘤胃的降解率、溶解度（贺健等，2011）。热喷过程中可加入尿素等非蛋白含氮化合物，增加秸秆的营养价值。秸秆的热喷技术对蒸汽压力以及操作方法要求相对较高，代价较大，适合大规模秸秆的预处理。

1.1.2 膨化处理膨化处理是将含有一定水分的秸秆原料放在密闭的膨化设备中，经过高温、高压处理一定时间后，迅速降压，使饲料膨胀的一种处理方法。秸秆膨化处理后可明显增加可溶性成分和可消化吸收的成分，饲用价值提高。但是，秸秆的膨化处理必须要有专门的设备，由于设备投资较高，很难实现生产中大范围的应用。

1.1.3 蒸汽爆破蒸汽爆破通常采用高压饱和蒸汽在温度160~240℃（对应的压力为600~ 3400 kPa）条件下处理原料，时间维持几秒钟到几分钟，之后释放压力。蒸汽爆破过程中，高温高压加剧了纤维素内部氢键的破坏和有序结构的变化；原料中的半纤维素会释放出有机酸，如乙酸和糠醛酸等；蒸汽预处理过程中细胞间的木质素也出现了熔化，并部分分解。蒸汽预处理过程中，由于木质素会发生缩合和沉积现象，使得其对纤维素酶有着较高的非特异性吸附，降低了原料的纤维素酶的消化性。Boonterm等（2016）研究发现，秸秆进行热蒸汽爆炸预处理，其纤维素纤维极度分解，导致纤维直径和长度显著降低。与化学提取处理相比，蒸汽爆破对生态毒性的影响显著降低，纤维产量更高，并且热蒸汽爆炸过程受环境影响较小。然而，热爆炸过程的能量消耗是需要改进的主要问题。此外，高压短时间处理工艺对设备的要求非常高，设备结构复杂，投资费用高。

1.2 秸秆的化学预处理

1.2.1 稀酸预处理稀酸预处理是将秸秆浸泡在稀酸溶液中，或将酸稀释到一定程度后喷洒到秸秆上，然后加热到140~200℃并反应一定时间（几分钟到1 h）。采用稀硫酸等酸性物质处理秸秆，可将一部分半纤维素水解为单糖，又可打破半纤维素和木质素对纤维素的包覆，使纤维素更易被酶解和消化，从而提高秸秆的降解率。Kootstra等（2009）研究发现，小麦秸秆在170℃，经稀马来酸和酶水解50 min后，小麦秸秆的葡聚糖和木聚糖几乎可以完整的转换。Zu等（2009）研究发现，玉米秸秆经稀盐酸和石灰两步预处理可以去除部分半纤维素，改变交联木质素结构与去除部分木质素。张建辉（2010）等研究报道，当硫酸质量分数为5.00%，水解时间为150 min，水解温度为120℃时，麦秸水解液中还原性糖产率可达83.30%。惠文森等（2010）研究发现，用稀硫酸催化水解稻秸半纤维素，控制固液比为1∶10、稀硫酸质量分数为25.00%、反应温度为95℃和反应时间为3 h时，10 g稻秸粉末水解得到的总还原糖量达到2.704 g，总还原糖收率达94.90%。Lee等（2015）研究发现，稻草在1%稀硫酸、160℃下预处理可提高其水解和发酵后还原糖和乙醇产量。稀酸预处理后的原料中仍有大量的木质素，不利于物料的酶解，酶解纤维素还会增加纤维素酶的用量。稀酸预处理过程中也会形成化合物如呋喃醛和5-羟甲基糠醛（5-HMF）和酸（甲酸和乙酸）。稀酸预处理要求反应器对抗腐蚀，这使得稀酸预处理秸秆成本较高。

1.2.2 稀碱预处理稀碱预处理是发现最早、应用最广的植物纤维素的预处理方法。秸秆在碱的作用下可脱除部分半纤维素和木质素，有利于纤维素的消化和利用。常用的碱有氢氧化钠和氢氧化钙等。刘凯玉（2014）等研究报道，稻秸用4%氢氧化钠碱化后，中性洗涤纤维含量降低，而干物质、无氮浸出物和酸性洗涤纤维含量提高。王佳堃（2016）研究发现，用不同质量分数的氢氧化钠处理稻草，会降低其全部的纤维成分含量，其中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、酸性木质素和半纤维素分别降低4.40%～20.80%、5.60%～13.80%、17.10%～22.90%和1.00%～40.30%。Cameron等（1990）研究发现，小麦秸秆用碱性过氧化氢处理后，将其饲喂奶牛，牛奶中脂肪百分比增加3.07%~3.32%，牛奶中蛋白质的百分比下降2.61%~2.56%）。奶牛饲喂过氧化氢处理后的小麦秸秆，其瘤胃总VFA浓度和乙酸的摩尔百分比增加，丙酸的摩尔百分比降低，醋酸丙酸比增大。Swain等（2015）]研究表明，采用温和的氨水预处理稻草，可以去除稻草中大量的木质素，并且稻草的酶消化率提高了四倍。但是，采用碱性预处理，会使纤维素和半纤维素溶出，导致总糖的损失，而且试剂的回收、中和、洗涤等使预处理成本增加。

1.2.3 臭氧预处理秸秆的臭氧预处理应用较少。臭氧预处理工艺与其他预处理技术相比有许多优点。碱性臭氧预处理能将秸秆中的木质素氧化分解为小分子有机酸。此外，臭氧预处理，能够提高酶水解的速率加快糖的释放。Bhattarai等（2014）研究表明，臭氧预处理可以在室温无环境压力条件下进行。这比其他预处理方式对温度的要求要低。适当的臭氧处理不仅可以选择性去除木质素，不降解纤维素，也不会产生有毒化合物的下游工艺。

1.3 秸秆的生物预处理生物预处理一般是利用自然界中存在的微生物选择性地降解植物纤维素原料中的木质素，从而改善纤维素的酶解性能。近年来，在处理秸秆中研究较多的微生物包括乳酸菌、地衣芽孢杆菌、酵母菌、白腐真菌和EM菌等。乳酸菌是秸秆青贮的主要优势菌种，乳酸菌发酵具有改善秸秆营养物质组成和提高秸秆品质的作用。华金玲（2012）等研究报道，稻秸添加乳酸菌制剂进行整株青贮后，其干物质、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量与全株玉米青贮相接近，仅粗蛋白质含量低于全株玉米，约为全株玉米的50%，而且用青贮稻秸替代50%的全株玉米青贮对荷斯坦奶牛产奶量和乳成分没有显著影响。Liu等（2016）研究表明，含7.5%稻草干物质的全混合日粮（TMR）青贮饲料，经乳酸杆菌和纤维素酶处理后，TMR青贮的pH降低，其干物质的回收率增加，因此，可以作为一种反刍动物饲料。Xing等（2009）研究表明，用酶和孕育剂加酶预处理高粱秸秆可显著提高其干物质消化率，说明添加剂可以在不同程度上提高高粱秸秆青贮发酵质量。魏炳栋等（2016）研究发现，用枯草芽孢杆菌、乳酸菌和酵母菌复合菌剂以2∶2∶1比例混合配制的发酵液发酵玉米秸秆，然后进行肉羊饲喂试验，结果表明，微生物发酵秸秆能显著提高秸秆利用率，显著降低反刍动物甲烷排放量和甲烷能损失，促进肉羊生长。

秸秆通过生物预处理可分解和矿化其木质素。但是真菌处理仍存在效率较低、碳水化合物的损失较大以及停留期较长等缺点。

1.4 综合预处理单一方式的预处理都存在很多弊端，在生产实践中常将两种或者两种以上的预处理方式综合起来，充分发挥各自的优势，从而提高秸秆的消化利用率。

1.4.1 氢氧化钠/尿素预处理对秸秆进行预处理过程中氢氧化钠可破坏纤维素分子之间的氢键，同时，尿素水合物可充当溶剂分子之间的氢键供体和受体，防止纤维素分子的再结合。另外，NH3和尿素还可破坏稻草的硅化角质层。稻谷秸秆经尿素预处理，能显著提高纤维素、半纤维素和木质素在瘤胃中的消失率。

1.4.2 氢氧化钠、尿素和生物预处理Dai等（2015）在对稻谷秸秆的研究中，用鞘氨醇杆菌属LD-1、4%/6%尿素-10℃使还原性糖和葡萄糖的含量比单一NU处理提高1.396和1.372倍。20LC下，氢氧化钠与尿素（7%/12%）可完全溶解纤维素，产生再生纤维素。该方法还用于通过纤维素溶解预处理来增强酶水解。

1.4.3 碱预处理和铁剂量玉米秸秆进行碱预处理时，可增加可及表面积，降低全纤维素聚合度和结晶度，而且可破坏木质素结构，亚铁离子能够促进纤维素酶的活性。一般情况下，选择硫酸亚铁对秸秆进行预处理，它通过将纤维素降解成可溶性的木糖及寡聚糖，来促进纤维素的酶解，从而提高水解效率。

1.4.4 挤压与碱处理相结合Zhang等（2015）在对稻草进行挤压预处理研究中发现，其处理改变了稻草的物理性质（持水能力，比孔隙率，比表面积和结晶度指数），化学组成（木质素，苯-乙醇提取物和热水提取物）和化学结构，并增加了全纤维素的降解。挤压不仅可以减小颗粒尺寸，而且提供连续的热机械处理，这将导致稻草原纤维结构的进一步膨胀。研究发现，通过氢氧化钙处理可从甘蔗渣中除去葡聚糖或木聚糖，使14%的木质素溶解。

1.4.5 碱处理与微波预处理碱预处理可使植物细胞壁结构内的酯键断裂，减少纤维素的物理结合。用微波辐射和碱预处理的稻草的质地和物理外观发生变化。Kaur等（2016）在对稻谷秸秆进行碱与微波预处理的研究中发现，4%氢氧化钠-30 min微波预处理效果最好，其导致木质素含量降低65.0%，二氧化硅含量降低88.7%。由于木质素和二氧化硅含量降低，这种增加的消化率导致沼气产量增加54.7%。二氧化硅是决定稻谷秸秆消化率和提高沼气产量的重要因素。

1.4.6 水热/稀酸预处理联合碱后处理Chen等（2017）研究发现，水热/稀酸预处理联合碱后处理可提高油菜秸秆酶解效果，与未经处理原料相比，油菜秸秆水热预处理和碱后处理后其糖化率显著增加5.9倍，乙醇的产率提高。

2 小结

秸秆的饲料化预处理技术虽然研究较多，但仍存在很多局限性。总体来讲，综合的预处理方法比单一预处理更完善，秸秆的利用率更高。在实际生产应用中，还是要根据实际需求和规模选择最佳的预处理方式，从而高效利用秸秆。

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郑梦莉，王凯军，张佩华*，文佐时
（湖南农业大学动物科学技术学院，畜禽遗传改良湖南省重点实验室，湖南长沙410128）

农作物秸秆是一种具有多种用途的可再生生物资源，其富含氮、磷、钾、钙、镁和有机质等。由于秸秆的化学组成复杂，纤维素、半纤维素和木质素之间又存在着不同的结合力，使得秸秆结构稳定，生物降解效果较差，利用率较低。但将秸秆进行一系列的预处理，能够破坏纤维素、半纤维素和木质素相互之间的结合力，从而降低秸秆纤维素的结晶度，提高秸秆的利用率。本文主要综述了近年来农作物秸秆饲料化的加工利用技术，旨在加大畜牧生产中秸秆的高效利用。

农作物秸秆；预处理；饲料

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

*通讯作者