汽爆处理对玉米-小麦型混合秸秆营养品质的影响

冉 福，雷赵民，焦 婷，程 强，赵生国，高雪梅，李昌宁

（1. 甘肃农业大学草业学院 / 草业生态系统教育部重点实验室 / 中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070；

2. 甘肃农业大学动物科学技术学院，甘肃 兰州 730070；3. 甘肃省平凉市灵台县康庄牧业有限公司，甘肃 平凉 744400）

随着我国经济快速发展，畜产品产量的快速增长带动中国饲料粮需求量不断上升[1]，为解决人畜争粮矛盾，提高饲料转化率，节约成本，农作物副产品—秸秆作为家畜饲料利用已经成为当前研究热点。我国拥有丰富的农作物秸秆资源，秸秆综合利用不仅可以减少传统秸秆焚烧带来的环境污染，而且有利于生态建设和保护，缓解资源紧张压力。在畜牧业生产实践中，未经处理的农作物秸秆适口性差、营养品质低、消化利用率低[2]，资源浪费大。传统秸秆资源的加工方法有物理法(粉碎、铡短、浸泡等)、化学法(氨化、碱化等)和微生物法(青贮、微贮等)，氨化和碱化因其影响秸秆饲料适口性未被广泛应用，而青贮则因其能较好地保存饲料原料的营养价值及低成本近几年被广泛推广[3-5]。如二茬苜蓿(Medicago sativa)与玉米(Zea mays)秸秆混贮，不仅可以提高青贮保存性能，而且可以提高青贮品质、显著降低丁酸含量[6]。但对于农作物副产品秸秆或秕壳，黄贮并不能很好地改善其营养品质，在饲喂家畜后，会有大量的茎秆因牛羊的捡食挑食遗弃而被浪费。

汽爆(蒸汽爆破)工艺是一种物理化学结合的方法，是将作物秸秆等原料铡碎后传送至汽爆腔中，通入饱和水蒸汽加压至一定压力，保压一定时间后瞬间释放，秸秆纤维结构发生系列反应：类酸性水解及热降解、类机械断裂、氢键破坏和纤维结构重新排列；细胞壁内的冷凝水迅速蒸发，对已软化的木质纤维施加横向剪切力，纤维发生机械断裂，原有纤维结构破坏，质地疏松；部分半纤维素发生水解，部分降解产生的少量有机酸，细胞壁内的部分纤维素也发生降解，从而实现高温高压高湿环境下秸秆资源的汽爆加工[3, 7-9]。以往关于秸秆汽爆的研究，大多集中于某单一的秸秆及仅从某一方面进行其品质评定，如常规营养分析[10]、体外产气[11]、纤维结构[12]等，没有综合养分、产气量及纤维结构等全面系统的评价。

本研究以饲养实践中广泛存在的、营养品质较差的以及生产中产生一定浪费的家畜采食挑拣后残余的黄贮玉米茎秆为原料，并与小麦秸秆以7︰3比例混合，进行汽爆加工处理，基于常规养分分析和 CNCPS (The Cornell Net Carbohydrate and Protein System)组分评价，结合体外产气量及扫描电镜结果，全面分析汽爆加工对秸秆饲料的有效性影响，以期为秸秆资源的有效利用及汽爆技术的推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

采集甘肃灵台康庄牧业有限公司养殖场肉牛采食挑捡后残余的黄贮玉米茎秆(2017年10月收获玉米籽实后采收的玉米秸秆制作的玉米黄贮)，与小麦秸秆以7︰3比例均匀混合作为汽爆原料。汽爆处理前混合样含水量为 (56.28% ± 0.15%)。

1.1.1 汽爆设备组成及参数

汽爆装置：汽爆腔容积为1.14 m3，装草样约130 kg，汽爆腔设计压力为 2.0 MPa，为山东陆丰有限公司生产；使用蒸汽锅炉发生器供应高压蒸汽；额定工作压力为1.6 MPa。

本研究在压强为1.0 MPa、温度180 ℃下维压处理10 min后，迅速打开汽爆腔阀门，经汽爆腔爆出物料，在传输带作用下将物料运送至饲料堆积仓，冷却后进行采样，6次重复。

1.1.2 样品的采集与处理

每次采用多点随机取样法采集汽爆前混合样及汽爆后放置0、24及120 h的样品，每次处理草样6个重复，每个重复约1.5 kg，真空包装后带回实验室预处理后待测。

1.2 汽爆前后养分测定

营养养分分析 取真空包装样品其中3个重复在 (65 ± 5) ℃ 烘箱中烘干 72 h 后，利用粉碎机粉碎样品，过0.45 mm网筛用于分析测定各成分。干物质 (dry matte, DM)、 粗 蛋 白 质 (crude protein, CP)、粗脂肪 (crude fat, EE)、粗灰分 (ash)、淀粉的含量采用AOAC方法测定[13]；中性洗涤纤维(neutral detergent fiber, NDF)、 酸 性 洗 涤 纤 维 (acid detergent fiber, ADF)、 酸 性 洗 涤 木 质 素 (acid detergent lignin,ADL)含量采用Van Soest等方法测定[14]；中性洗涤不 溶 蛋 白 (neutral detergent insoluble protein, NDIP)、酸 性 洗 涤 不 溶 蛋 白 (acid detergent insoluble protein,ADIP)、 可 溶 性 粗 蛋 白 (soluble protein, SP)含 量采用周荣等方法测定[15]；钙(calcium, Ca)含量按照空气－乙炔火焰原子吸收光谱法测定[16]；磷(phosphorus, P)含量按照钒钼酸铵分光光度法测定[17]；挥发性脂肪酸 (volatile fatty acid, VFA)使用安捷伦(Agilent 1100)气相色谱仪测定[18]。

CNCPS体系对营养组分的划分及计算方法CNCPS经过不断改进和完善，能够真实反映饲料中的碳水化合物和蛋白质在瘤胃内的降解率、消化率、外流数量以及能量、蛋白质的吸收效率情况，并建立相应的数学模型，CNCPS能够对饲料的碳水化合物(CHO)和蛋白质营养价值进行更深层次的评定[14]。

在CNCPS 6.5中[19-21]，根据蛋白质在瘤胃内的降解及流通特性，CNCPS将碳水化合物进一步分为：CA1(乙酸、丙酸和丁酸等挥发性脂肪酸)、CA2(乳酸)、CA3(其他有机酸)、CA4(水溶性碳水化合物)、CB1(淀粉)、CB2(可溶性纤维)、CB3(可消化纤维)和CC(不可消化纤维)。将蛋白质划分为PA、PB和 PC(非降解蛋白质)，PA包括 PA1(氨)、PA2(可溶性真蛋白)，PB包括PB1(难溶性真蛋白)、PB2(纤维结合蛋白质)，计算公式参考李国彰[21]。

1.3 体外产气

1.3.1 瘤胃液供体

瘤胃液取自甘肃兰州小西湖屠宰场屠宰的羊只，为5只1周岁、平均体重约为60 kg小尾寒羊，在屠宰后迅速将瘤胃液内容物取出，经4层纱布过滤到39 ℃恒温厌氧的保温瓶中(持续通入CO2)。

1.3.2 人工瘤胃培养液

微量元素溶液 (A 液)[18]：称取 CaCl2·2H2O 13.2 g，MnCl2·4H2O 10.0 g，CoCl2·6H2O 1.0 g， FeCl3·6H2O 8.0 g，蒸馏水溶解定容至 100 mL。

缓冲溶液 (B 液)[18]：NH4HCO34.0 g，NaHCO335.0 g，蒸馏水溶解定容至 1 000 mL。

常 量 元 素 溶 液 (C 液 )[18]： Na2HPO45.7 g，KH2PO46.2 g，MgSO4·7H2O 0.6 g，蒸馏水溶解定容至 1 000 mL。

刃天青溶液[18]：0.1%。

还原剂溶液[18]：1 mol·L-1NaOH 4.0 mL，Na2S·9H2O 0.625 g，蒸馏水 95 mL。

缓冲液制备[18]：蒸馏水 400 mL + A 液 0.1 mL +B 液 200 mL + C 液 200 mL + 刃天青溶液 1 mL + 还原剂溶液40 mL。按上述比例依次向玻璃瓶中加入蒸馏水、A液、B液、C液和刃天青溶液。加入刃

天青溶液后混合液变为蓝色，通入CO2并预热至39 ℃后约30 min，混合液色变淡或无色。在与过滤瘤胃液混合之前加入还原剂并通CO2气体至溶液完全褪色。

1.3.3 体外产气装置

准确称取发酵底物1 g于F57纤维滤袋中，用FS-300封口机封口，放入250 mL产气瓶中，将产气瓶放置在39 ℃下预热30 min，然后再将采集的羊瘤胃液与人工培养液以体积比1︰2混合均匀，准确量取150 mL混合液加入产气瓶中，在盖上感应模块之前持续通入CO2约2 min，保证产气瓶为厌氧环境，将各个产气瓶放置于39 ℃的SPH-110X24型恒温振荡水浴培养摇床中培养72 h。每个样品3次重复，同时做空白试验。

1.3.4 干物质消失率 (DMD)和相对饲喂价值 (RFV)

发酵72 h后，迅速将所有发酵瓶置于冷水终止发酵，取出发酵瓶中的纤维滤袋，将其用蒸馏水冲洗干净后，放置于105 ℃烘箱中，烘干48 h至恒重。

式中：m0指放入发酵瓶前纤维袋重，m为发酵前样重，m1为发酵后样重，m2指终止发酵瓶后纤维袋重；DMI (dry matter intake, %)为饲料干物质的随意采食量占体重 BW (body weight, BW)的百分比；DDM (digestible dry matter, %)为饲料可消化干物质百分比；1.29为标准校正系数。DMI与DDM的预测模型公式[11]分别为：

1.4 体视与扫描电镜观察

在其余3个重复样品中，挑出具有代表性的茎秆、玉米穗皮及其组织，将其剪成 1 cm × 1 cm 的样块，经过预处理后用扫描电镜(S-3400N)观察[22]汽爆处理前后组织纤维降解情况。

1.5 统计分析

所有数据用Excel 2013进行预处理后，采用SPSS 19.0软件进行单因子方差分析，差异显著时，采用Duncan法进行多重比较；显著水平为P＜0.05。采用 Excel 2013 作图。

2 结果与分析

2.1 汽爆前后残留黄贮玉米-小麦秸营养成分含量变化

未汽爆组和汽爆后不同放置时间段(以下分别简称为 0 h 组、24 h 组和 120 h 组)营养成分存在差异；与未汽爆组相比，汽爆各组CP、EE、ADIP、NDIP、ESC 和 SP 含量都显著上升 (P＜0.05)，且均在放置24 h时达到最大；而汽爆后不同放置时间段秸秆NDF、ADF和ADL均显著低于未汽爆组(P＜0.05)，最大分别降低 25.5%、29.3% 和 29.7%，24 h 组木质素含量却高于 0 h 组和 120 h 组 (P＞0.05)；汽爆处理后DM、淀粉和P含量显著低于未汽爆组 (P＜0.05)，而单糖含量则显著增加 (P＜0.05)；Ash随着发酵时间增加先增加后显著减少(P＜0.05)；VFA和 Ca在汽爆处理后也显著增加 (P＜0.05)(表 1)。

2.2 汽爆前后黄贮玉米-小麦秸秆 CNCPS 成分含量变化

汽爆后不同放置时间秸秆CHO、CB1、CB3、CC、PB1和 PB2含量均显著低于未汽爆组 (P＜0.05)，其中CB1和汽爆后含量几乎为0，PB1汽爆后含量为0，PB2在汽爆后120 h组较未汽爆组降低52%；汽爆后秸秆中 NFC、CA1、CA2、CA4、PA1、PA2和 PC较未汽爆组均显著升高 (P＜0.05)，其中NFC在120 h组含量最高，为28.08%，CA1和CA2在汽爆后0 h组含量最高，分别为8.43%和8.33%，CA4含量在汽爆后120 h组达到最大，较未汽爆组增加了105%，PA1、PA2和PC在汽爆后24 h组含量最高，分别为1.31%、3.65%和2.45%；而CA3和CB2检测结果均为0(表2)。

2.3 汽爆前后黄贮玉米-小麦秸秆体外产气量、消化率及相对饲喂价值变化

2.3.1 体外产气量

从产气速率来看，汽爆后0～24 h各组产气速率均高于24～72 h，在汽爆36 h后，产气曲线基本趋于平缓，产气速率减缓(图1)。整个发酵产气过程中，未汽爆组产气量始终低于汽爆各组。

2.3.2 体外消化率及相对饲喂价值

与未汽爆组相比，汽爆后黄贮玉米-小麦秸秆

表 1 汽爆前后秸秆营养成分Table 1 Nutritional components of straw before and after steam explosion

表 2 汽爆前后秸秆 CNCPS 成分Table 2 CNCPS composition of straw before and after steam explosion

DMD和RFV均显著提高(P＜0.05)，最大分别约提高了39%和30%；汽爆后不同放置时间DMD差异不显著 (P＞0.05)，而 RFV 在 汽爆后放置 24 h 和120 h组较0 h组稍有降低，但都显著高于未汽爆组 (P＜0.05)(表 3)。

表 3 汽爆前后消化率及相对饲喂价值Table 3 Digestibility and relative feeding value before and after steam explosion

图 1 汽爆前后秸秆体外发酵产气曲线Figure 1 Gas production curve of in vitro fermentation of straw before and after steam explosion

2.4 汽爆前后黄贮玉米秸秆纤维结构变化

在100倍扫描电镜下，玉米茎秆及玉米穗皮均由整块的片状经汽爆后只剩丝状叶脉或难破壁的丝状木质素(图2)，玉米秆、叶片纤维之间明显松开，纤维和纤维束明显卷曲折叠，变得蓬松柔软，纤维结构被破坏，消化率提高。

图 2 玉米茎秆和穗皮汽爆前后纤维结构变化Figure 2 Comparison of fiber structure of corn stem and panicle skin before and after steam explosion

3 讨论

3.1 汽爆前后黄贮玉米-小麦秸秆常规营养成分含量变化

汽爆作为一种新型秸秆加工技术，主要通过蒸煮和爆破使其发生系列物理化学反应，从而改变其结构性质。秸秆中含有大量的木质纤维素，其核心构成组分是纤维素、半纤维素和木质素，木质素和半纤维素牢固连接并紧密包裹纤维素，木质纤维素很难自身发生水解反应，这也就降低了秸秆饲用价值[3]。汽爆能够破坏秸秆细胞壁，打破木质纤维素形成的致密组织，使部分木质素、半纤维素和纤维素裸露出来并发生系列反应，进而被成功利用。本研究发现，汽爆处理后秸秆原料的 NDF、ADF 和 ADL 均显著下降 (P＜0.05)，这与和立文等[11]、陈尚钘等[23]在玉米和小麦(Triticum aestivum)秸秆上的研究结果一致。DM含量减少，可能是由于半纤维素等分解产物在高温下挥发造成[24]；同时，汽爆后秸秆的单糖、EE、CP、ADIP、NDIP、SP和VFA等营养成分含量也显著升高，可能是因为在高温高湿汽爆环境下发生系列反应，促使秸秆组分比例发生变化，部分营养成分含量升高并产生多种脂肪酸[10, 23-24]；卢艳[25]研究发现，汽爆处理后，玉米秸秆的水溶性糖含量约增加12倍，其中葡萄糖和木糖的含量最高，约为40.17%和34.12%。朱均均等[10]研究也表明，玉米秸秆在汽爆预处理后，纤维素、半纤维素和木质素发生不同程度降解，损失率分别为9.6%、47.98%和17.55%；碳水化合物分解为甲酸、乙酸、乙酰丙酸、羟甲基糠醛和糠醛，本研究与上述研究结果相似。

3.2 汽爆处理前后 CNCPS 各营养成分特点

CNCPS是当前饲草评价应用中已较为普遍的一种方式[26-27]，CNCPS体系能够全面、系统地反映饲料在瘤胃内的利用情况，对饲料价值评定更加精准。本研究发现，汽爆处理前后CNCPS各组分含量差异较大。碳水化合物组分中，CA1、CA2、CA4的含量显著增加，它们均为反刍动物的主要能量来源[28]，为瘤胃微生物的繁殖和其功能发挥提供良好环境，促进瘤胃微生物生长，加快瘤胃发酵速率。CB1主要为淀粉，在汽爆过程中几乎完全被分解掉；CB3为植物可利用细胞壁，汽爆处理后各时间组含量减少，在瘤胃内缓慢降解[29]。CC为瘤胃不可消化纤维，汽爆处理后都显著降低，增加秸秆营养价值。CA3和CB2在本研究的样品中未检测到。

蛋白质成分中，PA1、PA2含量显著增加，PB1和PB2显著降低，表明汽爆处理可以增加秸秆原料蛋白在瘤胃里的快速降解部分，减少其在后消化道吸收的中慢速蛋白部分，提高秸秆饲料的消化吸收率，这也可能会提前或缩短秸秆在家畜体内的整个消化吸收期。因为秸秆样品和汽爆程度等因素，使部分蛋白成分与不可利用的纤维部分结合[30]，导致PC量增加，秸秆其在反刍动物体内的利用降低[31]。

3.3 汽爆处理前后体外产气量、消化率及相对饲喂价值

体外产气法是饲草或饲料间组合在人工瘤胃液下模拟瘤胃发酵、消化，依靠其产生气体的量及速率来评价、预测饲草或饲料间组合效应的一种快速方法；但单一的产气量并不能直接用于评价饲草的降解程度，应结合DMD等各项综合指标来评价其营养价值[32]。产气量大说明瘤胃微生物活性高，与底物发酵更加充分，相反，则可能是底物可供微生物发酵产物不足所致[33-34]。本研究中，从产气曲线图和DMD可明显看出，汽爆后各组产气量及DMD明显高于未汽爆组；可能在汽爆处理后易于发酵的底物增多，其中氨含量相对升高，为瘤胃微生物发酵提供足够氮源，使产气量增加；汽爆处理可消除秸秆部分抗消化物质[19]，使木质纤维素解聚，增大、促进微生物附着面积和酶解作用，同时纤维素和半纤维素大量降解成小分子物质，加快秸秆发酵产气，提高秸秆的消化率[35]。相对饲喂价值(RFV)是结合可消化干物质和干物质采食量综合评价粗饲料品质优劣的重要指标。本研究中，汽爆处理组显著提高了秸秆相对饲喂价值，主要是因为汽爆降低了NDF含量，提高了模型干物质采食量[19]。也进一步说明汽爆处理后的秸秆营养价值更高，与上述评价结果一致。

3.4 汽爆前后黄贮玉米秸秆纤维结构变化

王玉等[12]研究发现，汽爆处理中类机械断

裂、热降解及氢键破坏作用，使秸秆中纤维素、半纤维素、木质素分离，纤维结构出现明显变化。秸秆受到物理化学双重分解，除发生上述化学变化之外，秸秆原料形态也受到不同程度的破坏[23-24]。本研究发现，与未汽爆组相比，汽爆后原本片状或秆状的残留秸梗变成柔软的细丝状，纤维结构断裂，纤维和纤维束卷曲折叠；纤维键松开，部分纤维断裂，细胞被破坏。被爆破的程度原料叶、穗皮大于茎秆。且原料是在高温、高压的爆破腔里经瞬间释放压力后而成丝的，因此，此过程不但有助于充分清洗秸秆表面杂质，也因熟化而使秸秆气味芳香，大大改善秸秆适口性，从而提高家畜采食量。

综上所述，利用各种不同的评定方法对汽爆处理前后玉米-小麦秸秆营养价值进行全面、系统评价，发现经汽爆处理后原料养分、产气量、DMD、RFV及纤维结构等方面都优于汽爆处理前秸秆，说明汽爆在秸秆预处理中是完全可行的，可为秸秆饲料的进一步开发利用提供理论依据。

4 结论

1)汽爆处理显著降低了黄贮玉米与小麦混合秸秆纤维(NDF、ADF、ADL)含量，提高了可消化碳水化合物(单糖等)含量，从而提高秸秆原料的营养价值；2)CNCPS体系评价中，黄贮玉米-小麦秸秆中的碳水化合物和蛋白质在瘤胃内的降解率、消化率、外流数量以及能量、蛋白质的吸收效率均显著提高，增加其在反刍动物瘤胃内降解吸收；3)汽爆增加和提高了黄贮玉米-小麦秸秆体外产气速率和产气量及相对饲喂价值；4)汽爆处理后，原本片状或秆状的残留秸梗变成柔软的细丝状，纤维结构断裂，纤维和纤维束卷曲折叠；且经高温高压蒸汽爆破熟化处理，秸秆原料气味芳香，改善了饲料适口性，家畜采食量增加，减少了饲料浪费。综上，农作物秸秆的汽爆处理在畜牧业生产实践中具有广阔的应用前景。