秸秆饲料的蒸汽爆破预处理技术研究进展

李彦军 郑 楠 王加启 赵圣国

(中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，动物营养学国家重点实验室，北京 100193)

据统计，我国2018年秸秆产量约为8.86亿t，其中玉米秸秆约为2.73亿t，居世界第1位，利用途径主要有肥料化、饲料化、能源化、原料化以及基料化，其中饲料化利用率只占综合利用率的17.99%，大部分都被直接燃烧和当作肥料直接还田了，不仅造成了巨大的资源浪费，还引发了许多环境污染问题[1-2]。牛、羊等反刍动物的瘤胃是天然的纤维素和半纤维素降解反应器，其中定植着大量的微生物，可以通过降解和发酵秸秆等低质、高纤维的粗饲料来产生挥发性脂肪酸和微生物蛋白，从而为反刍动物提供能量[3]。虽然秸秆的饲料化利用不仅可以扩大饲料来源，解决我国因畜牧业的快速发展带来的粗饲料短缺的问题，降低养殖成本，同时也可以减轻焚烧秸秆带来的环境污染。但是，秸秆的主要成分是由纤维素、木质素和半纤维组成的木质纤维素，其特点是纤维含量高，营养价值低，其中纤维素被木质素和半纤维素包裹在中间，阻碍了微生物的发酵，因此未经处理的秸秆适口性差、消化率低，随着存储时间的延长，水溶性碳水化合物的含量显著降低，粗蛋白质的含量没有显著变化，但是纤维素、半纤维素和木质素的含量显著升高，反刍动物大量采食后可能会影响瘤胃微生物的稳定性和功能，进而影响反刍动物的采食量和生产性能，这限制了秸秆在畜牧业生产中的应用[3]。对秸秆进行预处理能打破秸秆的细胞壁结构，提高秸秆的营养价值和消化率，改善适口性。目前秸秆的预处理方法有物理、化学、生物和联合处理法等，其中蒸汽爆破能显著增加纤维素、半纤维素和木质素的降解，提高秸秆的营养价值和消化率，而且具有处理时间短、效率高，对环境无污染等优点。

1 蒸汽爆破的优势

目前常见的秸秆处理方法有物理、化学、生物以及联合处理法。化学处理法包括酸处理、碱处理和氧化剂处理。其中，酸处理和碱处理能分别有效地降解半纤维素和木质素，但是酸和碱的浓度过高会导致葡萄糖和木糖继续降解生成糠醛和羟甲基糠醛等发酵抑制物；氧化剂处理也能有效地除去木质素，而且联合碱处理同时升高温度可以加快木质素的氧化溶解。但是化学处理法成本高，污染严重，对设备的腐蚀较大，会对动物产生不利影响，目前经常用CaO、氨水、尿素、NaOH和Ca(OH)2等碱处理秸秆[4-7]。生物处理法主要有青贮、酶解和微生物固态发酵，生物处理法虽然不需要化学药品，但是处理时间长，效率低，而且微生物会消耗纤维素、半纤维素或木质素等，造成原料的损耗[8-9]。物理处理法包括切短、粉碎、揉丝、膨化和蒸汽爆破等，其中切短和粉碎虽然可以提高秸秆的适口性和采食量，但是对营养价值和消化率没有影响。蒸汽爆破作为一种新的高效处理秸秆技术，能有效地破坏木质纤维素的结构，将木质素和半纤维素软化降解为可溶性单糖和低聚果糖，增加纤维素酶和纤维素的可及度，使其更容易被反刍动物消化吸收，从而提高秸秆的营养价值、适口性以及消化率，而且该方法处理时间短、效率高、对环境无污染，因此蒸汽爆破产物更适合作为反刍动物饲料[8,10]。表1对几种常见的秸秆预处理方法进行了比较。

表1 秸秆常见预处理方法比较Table 1 Comparison of common pretreatment methods of stover

2 蒸汽爆破的原理

蒸汽爆破技术最早始于1925年，由Mason发明并用于生产人造纤维板，当时为间歇法生产[15]，1978年，加拿大的Iotech公司首次将该技术应用于生产反刍动物饲料[16]，随着应用领域的不断扩大，该技术被不断改进和完善。蒸汽爆破的主要原理是：物料在高温高压条件下进行蒸煮时水蒸气扩散进入组织间隙，导致物料软化，部分木质素和半纤维素溶化降解为可溶性糖和低聚果糖，木质素和半纤维素之间的酯键断裂，木质纤维素结构松散，同时物料中的水蒸气在泄压的瞬间急剧膨胀，产生“爆炸”效果，从而将木质纤维素致密的结晶结构破碎，物料的细胞壁结构被打开，组织撕裂为束状纤维素，实现纤维素、半纤维素和木质素的分离。

Yu等[17]基于瞬时弹射原理和原有的蒸汽爆破原理提出了瞬时弹射蒸汽爆破技术，并基于该技术设计了瞬时弹射蒸汽爆破设备，爆破时间仅为0.078 s，相比传统的蒸汽热喷放，爆破时间缩短了123倍，秸秆化学成分更容易降解，细胞壁破碎和聚合度下降程度更大，比表面积提高了57.4%，结晶度下降了29.4%，喷出的物料温度在55～60 ℃，实现了功热转化，显著降低了能耗和成本。

3 蒸汽爆破处理秸秆效果的影响因素

3.1 蒸汽压强和温度

秸秆的蒸汽爆破效果主要受温度和蒸汽压强的影响，并且两者呈正相关关系。研究表明，在一定范围内保压时间固定不变时，随着温度和蒸汽压强的升高，纤维素、半纤维素和木质素的降解率升高，纤维素和可溶性糖的相对含量也相应升高，但是过高会导致纤维素和可溶性糖的过度降解，提高甲酸、乙酸和糠醛等副产物的含量[18-20]。这是由于高温高压条件下产生的有机酸促使半纤维素和木质素降解，比表面积增加，进入秸秆内部的水蒸气削弱了分子间的黏结，同时在泄压的瞬间热能转化为机械能，秸秆在机械剪切力的作用下被瞬间撕裂，纤维素结晶度降低，内部共价键被充分暴露，但是，随着爆破强度的增加木质素又会形成更难降解的缩合亚结构，戊糖和己糖也进一步降解为甲酸、乙酸和糠醛以及羟甲基糠醛等发酵抑制物[13,20-21]。

3.2 保压时间

保压时间对秸秆的爆破效果仅次于温度和蒸汽压强。水蒸气随着保压时间的适当延长大量进入秸秆内部，改变秸秆的化学结构，木糖浓度随着保压时间的延长逐渐降低，葡萄糖和糠醛的浓度则逐渐升高，羟甲基糠醛的浓度则是先升高后降低，低温低压时较长的保压时间爆破效果越好，高温高压条件下保压时间不宜太长[22-23]。而超过适宜范围就会造成纤维素和可溶性糖的大量损失，糠醛等发酵抑制物的浓度显著增加，已发表文献中的保压时间从30 s[21]到30 min[24]不等。

3.3 预浸处理

秸秆经过水[24]、稀酸(乙酸[7]和稀H2SO4[24])、稀碱[NaOH[24]、Ca(OH)2[5]和KOH[6]]、氧化剂[11]或盐溶液[NaCl[25]和(NH4)2SO4[26]]等预浸之后蒸汽爆破效果都显著升高。稀酸预浸后乙酰键断裂、半纤维素溶解和底物孔隙率扩大，当H2SO4浓度为2%时半纤维素几乎完全被去除，但是部分纤维素也被降解[24,27]。水是通过减小粒径，破坏半纤维素和木质素之间的某些化学键增强蒸汽爆破效果。酸碱预浸处理易引发环境污染问题，仅进行水预浸也是合适的方法之一。

3.4 物料种类

Chen等[28]研究得出5种秸秆(小麦、水稻、玉米、油菜、棉花秸秆)在相同爆破条件下处理后玉米秸秆中的半纤维素含量下降幅度最大，棉花秸秆最小；但纤维素含量的下降幅度却是棉花秸秆最大，小麦秸秆最小；玉米秸秆中木质素含量减少，小麦秸秆和水稻秸秆有所增加，而油菜秸秆和棉花秸秆则变化不大。这与Viola等[29]得出的结果相似，说明相同爆破条件下蒸汽爆破效果因物料种类不同而存在较大差异，而且相同秸秆的不同部位处理效果也不同[30]。

4 蒸汽爆破条件的优化

蒸汽爆破技术自1925年问世以来，随着科技的进步和研究人员的探索，蒸汽爆破条件被不断地优化，但是不同研究人员之间得到的最优条件由于研究目的和原料不同而有所差别。表2列举了部分优化的蒸汽爆破条件。

表2 优化的蒸汽爆破条件Table 2 Optimum conditions of steam explosion

续表2原料Materials最佳条件Optimum conditions效果Effects参考文献References玉米秸秆Corn stover1.0% Ca(OH)2浸泡后1.5 MPa保压10 min秸秆的表面碎片化,大部分纤维脱落,CH4累积产率最高(275.58 mL/gvs),比未处理的秸秆高61.54%;生物降解率提高了26.49%[5]玉米秸秆Corn stover用2% H2SO4浸泡秸秆,200 ℃保压10 min提高了半纤维素的增溶效果,降低了预处理温度和保压时间,半纤维素几乎被完全去除,木质素含量显著升高,纤维素含量有所降低[27]玉米秸秆Corn stover10% (NH4)2CO3浸泡秸秆,设备固体负载量为400 mL/150 g,200 ℃保压10 min秸秆水解液还原糖浓度(24.72 g/L)显著高于单独蒸汽爆破(11.44%),木质素的去除率最大(47.26%),提高了纤维素的相对含量[26]玉米秸秆Corn stover第1阶段:165 ℃、0.7 MPa保压8 min;第2阶段:188 ℃、1.2 MPa保压2 min半纤维素显著下降,从34.7%降至6.7%,木质素由1.4%升至5.8%,而纤维素的含量变化不显著[32]玉米秸秆Corn stover先利用机械梳理分馏设备分成维管组织和薄壁组织,然后1.5 MPa、185～190 ℃保压2 min(髓)/5 min(叶)/7 min(皮)/8 min(整株)维管组织和薄壁组织中的纤维素、半纤维素以及酸不溶木质素的含量都显著高于整株玉米[12]

从表2可以看出，通常高强度的蒸汽爆破条件会增强半纤维素的去除，提高秸秆的消化率，但同时也促进了可溶性糖和纤维素的降解，并生成发酵抑制物。相比之下，温和的蒸汽爆破条件降低了能耗和可溶性糖的降解，但同时也降低了爆破效果。蒸汽爆破前通过稀酸、碱和盐等预浸处理均能显著增强秸秆的蒸汽爆破效果。蒸汽爆破结合微生物发酵虽然会造成纤维素的损失，但是秸秆的消化率显著升高。降低温度和蒸汽压强、缩短保压时间以及联合化学或生物法共同处理已经成为研究人员专注的方向，并提出了新的方法来克服传统方法中温度和蒸汽压强的局限性，减少化学试剂的使用。

5 蒸汽爆破处理对秸秆理化结构的影响

蒸汽爆破处理后秸秆的干物质含量显著降低，这是由于采用直接蒸汽喷射达到设备所需的温度和压强引起的，而且保压时间越长，干物质含量越低[33]。蒸煮温度达到150 ℃后秸秆中半纤维素开始被降解为木糖和葡萄糖等可溶性单糖或低聚果糖，达到160 ℃时木质素也开始降解，降解产物主要为发酵抑制物，如糠醛和羟甲基糠醛等酚类化合物、弱酸和呋喃衍生物，爆破条件剧烈时酸不溶性木质素的含量升高，而且酸不溶性木质素和半纤维素含量之间呈强负相关，有报道称这是半纤维素和木质素之间的酯键断裂，部分降解产物发生缩合和再聚合反应，生成酸不溶性木质素所致，但是，200 ℃以下时酸不溶性木质素的含量变化不明显[3,32-33]。在不同的蒸汽爆破条件下半纤维素的降解都是最严重的，而纤维素含量则相对稳定，而且更容易受到纤维素酶的攻击[4]。蒸汽爆破条件温和时蛋白质含量变化不明显，但是，在剧烈的条件下蛋白质的含量显著增加，这是因为部分蛋白质的降解也导致非蛋白氮、快速降解蛋白质和中度降解蛋白质等不可降解蛋白质的含量增加[3,33]。扫描电子显微镜(scanning electron microscopy，SEM)结果显示未经处理的秸秆结构致密，表面光滑平整，而蒸汽爆破后由于半纤维素的去除和纤维素的断裂，秸秆表面变得极为破碎，组织结构被彻底改变，导致细胞壁整体结构被破坏，木质纤维素的孔隙率和比表面积增加，这有利于纤维素酶的降解以及瘤胃微生物的附着和定殖，提高秸秆纤维素的降解率[34]。傅立叶变换红外(Fourier transform infrared，FTIR)光谱结果显示纤维素和半纤维素中羟基(-OH)的拉伸振动峰值强度降低，半纤维素中羰基(-C=O)在1 734 cm-1的特征峰值明显降低(图1)，这进一步证实了蒸汽爆破处理导致大量半纤维素降解，木质素的相对含量也因假酸性木质素的形成而有所升高，但纤维的含量变化不大[26,28]。X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)分析表明，蒸汽爆破后半纤维素和木质素之间的酯键断裂，木质素的聚合度降低，纤维素从结晶态转变为非结晶态(图2)，这表明木质纤维素完整的结晶结构被改变，结晶度降低，但是秸秆的结晶度指数增加，这可能是由于半纤维素和木质素等非结晶态成分被除去，导致晶态纤维素暴露于纤维素酶造成的[6,18]。

(a)：未处理；(b)：蒸汽爆破；(c)：热KOH；(d)：热KOH-蒸汽爆破。(a)： untreated; (b)： steam explosion; (c): thermal KOH; (d): thermal KOH and steam explosion.图1 不同处理后玉米秸秆的FTIR图Fig.1 FTIR spectrogram of corn stover after different treatments[6]

(a)：未处理；(b)：蒸汽爆破；(c)：热KOH；(d)：热KOH-蒸汽爆破。(a)： untreated; (b)： steam explosion; (c): thermal KOH; (d): thermal KOH and steam explosion.图2 不同处理后玉米秸秆的XRD图谱Fig.2 XRD patterns of corn stover after different treatments[6]

6 蒸汽爆破秸秆对反刍动物生产性能的影响

燕麦和小麦秸秆经蒸汽爆破处理后能显著提高泌乳母羊的产奶量和乳蛋白、乳脂肪以及乳糖含量，大麦秸秆则与之相反[35]，而公羊对上述3种秸秆的消化率都显著升高，而且当饲料中蒸汽爆破秸秆含量为1/4时消化率与紫花苜蓿商品饲料相当[29]。Naeem[36]也得到了相似的结果，稻草秸秆经过15.5 kf/cm2蒸汽处理120 s后可以显著提高肉羊的采食量、粗蛋白质等部分营养物质消化率和日增重以及饲料转化率，同时还能显著提高血清抗氧化力及其挥发性脂肪酸的含量，有利于瘤胃和后胃的形态发育，可以提高肉羊屠宰率，但是对肉品质没有显著影响，因此在肉羊饲喂过程中蒸汽爆破稻草秸秆可代替部分苜蓿和燕麦等优质粗饲料。蒸汽爆破玉米秸秆在一定程度上也能够提高羊的免疫力、抗氧化能力和胃肠道健康，但是整个试验期内对羊的生产性能没有显著影响[37]。另外，蒸汽爆破处理还能加快瘤胃微生物对玉米秸秆的黏附和生物被膜的形成，提高秸秆纤维素的瘤胃降解率[34]。

Ebrahimi等[38]研究显示蒸汽爆破甘蔗渣代替全混合日粮中的麸皮和大麦对母羊的平均日增重和乳成分以及血液中葡萄糖和尿素氮含量等血液指标均没有显著影响。郭同军等[39]在研究蒸汽爆破棉秆对绵羊的饲喂效果时发现棉秆经过蒸汽爆破发酵处理后绵羊的干物质采食量显著降低，这与Naeem[36]得到的结果相反，这可能是由于基础饲粮中粗饲料的品质不同所导致的，而绵羊的日增重显著升高，血液中谷丙转氨酶的活性显著降低，料重比和血液中总蛋白、低密度脂蛋白和高密度脂蛋白的含量以及谷草转氨酶的活性则是低于棉秆组而高于青贮玉米组，但是差异并不显著，造成这个现象的原因可能是棉秆组的采食量和棉酚含量显著高于蒸汽爆破发酵棉秆组和青贮玉米组，这表明棉秆经蒸汽爆破处理后饲喂品质显著提高，绵羊采食后能提高生长性能和机体免疫功能。

但是从整体来看，在反刍动物生产过程中大部分蒸汽爆破秸秆代替饲粮中的部分优质粗饲料，不仅不会对动物的生产性能和健康造成不利影响，而且某些秸秆经过蒸汽爆破处理后还会提高动物的生产性能和机体免疫力，这表明在不影响动物生产性能的情况下蒸汽爆破秸秆能够代替饲粮中的部分优质粗饲料。

7 小结与展望

蒸汽爆破是一种高效处理秸秆的方法，目前已经在生物能压源、造纸用纸浆制备、无害化处理等领域应用，但在饲料领域受技术能力、生产成本等因素影响应用刚刚起步，据调研，河南启宝等企业已开展了蒸汽爆破秸秆饲料化生产。为了加快蒸汽爆破技术的转化，未来应重点研究、制订蒸汽爆破秸秆饲料生产的技术参数行业标准，实现生产标准化，引导行业规范健康发展；研究蒸汽爆破秸秆的饲粮配制模式，构建蒸汽爆破秸秆营养成分数据库，与中国饲料数据库、饲料配方系统软件和Web连接在一起，根据当地的实际情况和饲养资源因地制宜，同时结合营养管理技术，优化饲养模式；研究精、粗饲料之间的组合效应机制，优化饲粮的精粗比，科学搭配蒸汽爆破秸秆饲料，调控和平衡饲粮的营养水平，同时利用营养检测技术进行全面深入的检控和评估，充分发挥秸秆的木质纤维素营养作用；研究以蒸汽爆破秸秆为底物进行微生物发酵，生产菌酶维一体化饲料，提高秸秆经济附加值和动物生产性能。