汽爆加工与碱化贮存提高沙棘枝干的饲用价值

■钱文静 黄引超 王先柳,2 张 微 和立文*

（1.中国农业大学动物科学技术学院，动物营养学国家重点实验室，北京 100193；2.云南农业大学动物科学技术学院，云南昆明 650201）

蒸汽爆破，简称“汽爆”，是利用高温高压水蒸汽 对原料进行蒸煮一定时间，然后瞬间泄压使原料内部蒸汽膨胀而“爆破”，从而实现原料的组分分离和结构变化的一种加工方法；其处理温度通常在180～240 ℃，压力1.0～3.5 MPa，时间在几秒到几十分钟不等[1]。经过近百年的发展，汽爆技术已在能源、食品、生物基料、化工、制药等领域得到广泛应用，近年来在饲料加工方面受到越来越多的关注。国内外学者以作物秸秆、灌木枝条、糟渣饼粕及各种加工副产物为原料开展了广泛的汽爆加工试验[2-4]。研究结果显示，汽爆加工可以快速降低物料颗粒大小，增加孔径和表面积比，降低半纤维素含量，增加可溶性糖含量，促进体外瘤胃产气和瘤胃降解率[5-7]，进而影响饲料瘤胃发酵和饲用价值，具有很好的应用潜力。

但是，从木质纤维素组分变化来看，汽爆过程半纤维素含量大幅减少，而木质素和纤维素含量没有发生明显变化，木质素对纤维素消化的屏障作用还有待进一步破解。研究表明，碱化可以使木质素的部分醚键断裂，皂化半纤维素和木质素之间的酯键，削弱半纤维素与纤维素之间的氢键，使物料疏松膨胀，提高饲料消化率[8-9]。氧化钙（氢氧化钙）是一种比较常用的碱化试剂，价格低廉、操作安全，同时也是很好的钙源。此外，汽爆过程通常会产生一定量的醛类、酚类或弱酸类物质，可能会对消化酶活性或瘤胃微生物生长产生一定的抑制作用[10-11]。乙醇工业研究表明，碱可以与汽爆加工抑制物发生反应使其转化为无毒物质，从而实现脱毒[12]。由此假设，汽爆加工所得饲料再进行碱化处理，可以进一步提高饲料的利用价值。

因此，本试验拟以沙棘枝干为原料，进行汽爆加工和添加氧化钙厌氧湿储，研究汽爆加工和碱化处理对沙棘枝干理化结构、体外瘤胃发酵及整体饲用价值的影响，为沙棘枝干等灌木资源的开发利用提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 原料采集及预处理

冬季从内蒙古荒漠化草原上采集3～5年生沙棘全株（叶子已完全脱落），丢弃一些过于粗大（直径＞3 cm）的枝干，剩余枝条风干后用T-420刀片式木材粉碎机切碎（安装2 cm筛片），编织袋室温贮存备用。

1.2 汽爆加工

汽爆加工处理在华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室进行，所用汽爆加工装置为自主设计的BL-08 型实验室移动式爆破器。该汽爆装置工作容压2.0 MPa，反应仓由两个容积为5 L 的柱形罐体组成，通过电控阀门按钮控制蒸汽加压和释压。根据前期加工参数筛选试验结果，本试验选定压强1.5 MPa和保压时间20 min开展汽爆加工，装料量为1 000 g，进行3次加工试验，汽爆加工前后采集饲料样品用于相关指标测定。

1.3 氧化钙厌氧贮存

根据原料（汽爆前后）水分含量测定结果，分别用塑料盆称取一定量的沙棘原料和汽爆沙棘，然后添加一定量的去离子水进行复水处理，使其预期水分含量达到65%（基本达到饱和），室温下浸润24 h，并不定时搅拌均匀。随后按不同比例（0、2%、4%，湿样基础）拌入氧化钙（CaO），混匀后装入实验室用聚乙烯青贮袋（20 cm×30 cm），并用家用食品真空封口机（绿叶DZ280，东莞亿健包装机械有限公司）密封，每个处理3个重复，共18袋，室温下保存160 d后开袋取样分析。

1.4 检测指标及方法

1.4.1 理化结构分析

首先，利用冷冻研磨仪（Tissuelyser-32，上海净信实业发展有限公司）将样品进一步磨碎（过200 目筛）；然后称取1.5 mg样品与100 mg溴化钾研磨呈粉状，用铸模压片机压制（20 MPa，30 s）成药片状，用于红外光谱扫描分析（FTIR，Bruker Vertex 70，布鲁克光谱仪器公司，德国），检测器RT-DLaTGS，扫描波长范围400～4 000/cm，分辨率为4/cm，样品扫描频次16次。另外压制纯溴化钾样品用于背景扫描校正。同时，取部分样品用于X射线扫描，测定纤维素结晶度，所用仪器为Siemens D-5000 衍射仪（布鲁克光谱仪器公司，德国），Cu-K射线发生条件为30 kV和20 mA，扫描范围5°～40°，步进为0.05 θ，步频3 s/步。最后，计算纤维结晶指数（crystallinity index，CrI）。

式中：I002——主峰的散射强度（2θ=22.8°）；

Iam——无定形区的散射强度（2θ=18°）。

1.4.2 化学成分分析

参照AOAC（2000）[13]和Licitra 等[14]相应的测定方法，中性洗涤纤维（NDF）、酸性洗涤纤维（ADF）和酸性洗涤木质素（ADL）用纤维分析仪（A220，安康科技公司，美国）测定，不添加无水亚硫酸钠，残渣未扣除灰分。

半纤维=NDF-ADF

纤维素=ADF-ADL

粗灰分通过在550 ℃茂福炉煅烧4 h测定。可溶性糖测定采用3,5-二硝基水杨酸比色法[15]，通过多功能酶标仪（Varioskan LUX，美国赛默飞公司）比色分析（波长540 nm）。利用全自动凯氏定氮仪（Kjeltec 2300，FOSS）测定总氮量（N），计算粗蛋白含量。

粗蛋白（CP）=N×6.25

1.4.3 体外瘤胃产气量分析

以厌氧保存后的沙棘枝干饲料为底物，参照Menke等[16]的方法进行体外瘤胃发酵试验。每根玻璃培养管（100 mL）称入220 mg 底物，并将注射器推桶前1/3 部分均匀涂抹凡士林（保证气密性和润滑度），每个样品2根管，每个处理共6根管，称样完成后将所有培养管放置于39 ℃培养箱预热待用。然后，按照Menke 等[17]所用方法配制人工瘤胃缓冲液，晨饲前从3头体重约800 kg装有瘤胃瘘管的安格斯阉牛采集所需瘤胃液，四层纱布过滤后使用，瘤胃液与缓冲液按1∶2 比例混合而成人工瘤胃培养液。用分液器向每根培养管中注入30 mL人工瘤胃培养液，排出管内空气，记录初始刻度（0 h），置于39 ℃水浴摇床中培养，转速60 r/min，定时读取2、4、6、8、12、16、20、24、30、36、42、48、60、72 h培养管的刻度值（mL）。发酵结束时（72 h）收集发酵液，测定pH（PHS-3C，上海雷磁仪器有限公司），然后离心取上清液用于氨态氮测定（酚-次氯酸钠比色法）[18]和气相色谱分析瘘管牛日粮配方：玉米（28%）、豆粕（8%）、枣粉（5%）、全株玉米青贮（35%）、玉米秸秆（20%）、预混料（4%），每天饲喂2 次（7：30和16：00），自由饮水。

①体外瘤胃产气动态参数拟合采用以下预测模型

式中：GP——体外培养t时间的累积产气量（mL）；

B——理论最大产气量（mL）；

c——产气速率（%/h）；

t——体外培养时间（h）。

②基于体外产气量和饲料养分估算有机物消化率[17]和代谢能值[19]

式中：OMD——有机物消化率(g/kg);

ME——代谢能值（MJ/kg）；

GP——24 h体外瘤胃累积产气量（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 统计分析

采用Excel软件进行数据整理，利用SAS 9.0软件中non-linear 方法拟合产气动态发酵参数；用OMNIC软件处理FTIR图谱，用MDI Jade 6软件处理X射线衍射图谱（XRD图谱）；采用双因素（汽爆加工、氧化钙添加量）方差分析进行组间差异分析，以P＜0.05 表示存在统计学差异。

2 结果与分析

2.1 汽爆加工和CaO 添加对厌氧保存沙棘枝干理化结构的影响

图1 显示，经过汽爆加工或CaO 厌氧处理，沙棘枝干红外光谱扫描图谱（FTIR）在3 352.27/cm 处的吸收峰增强，在2 852.03/cm 处新增了一个小的吸收峰，而1 736.24/cm 处吸收峰强度降低；CaO 处理组1 624.78/cm 处吸收峰出现右移现象，且1 460.39、1 374.96、1 319.15/cm和1 246.07/cm处吸收峰强度减弱。汽爆加工使1 510.39、1 159.21/cm处吸收峰增强。

图1 汽爆加工和CaO添加对厌氧保存沙棘枝干红外图谱的影响

如图2 所示，与未处理原料相比，汽爆加工使XRD 图谱主峰的峰形更尖，峰高更高；与空白厌氧保存相比，只进行CaO处理的主峰峰形更宽，峰高变矮。

图2 汽爆加工和CaO添加对厌氧保存沙棘枝干红外图谱的影响

2.2 汽爆加工和CaO 添加对厌氧保存沙棘枝干化学成分的影响（见表1）

如表1所示，汽爆加工和CaO添加对厌氧保存沙棘枝干化学成分（NDF、ADF、ADL、半纤维素、纤维素、可溶性糖、粗灰分）有显著影响（P＜0.05），且除纤维素外都存在互作关系（P＜0.05）。

表1 汽爆加工和CaO添加对厌氧保存沙棘枝干营养成分的影响(% DM)

具体来看，汽爆加工使沙棘枝干NDF、半纤维素和纤维素含量减少，ADF、ADL和可溶性糖含量增加；CaO 添加使沙棘枝干（无论汽爆加工与否）使NDF、ADF、ADL和纤维素含量减少，粗灰分含量增加；汽爆加工后CaO添加使沙棘枝干半纤维素含量增加，可溶性糖含量减少，与原料相反。

2.3 汽爆加工和CaO 添加对厌氧保存沙棘枝干体外瘤胃发酵特性的影响

图3 显示，除原料添加2% CaO 组和单纯汽爆处理外，汽爆加工和CaO添加导致厌氧保存沙棘枝干体外瘤胃产气量出现不同程度降低；同时，由表2可知，不同处理组的体外瘤胃产气量（GP24h、GP72h）和产气动态参数（B、c）及发酵液pH无差异（P＞0.05），汽爆加工导致发酵液氨态氮浓度下降。汽爆加工使厌氧保存沙棘枝干ME 预测值升高（P＜0.05），但CaO 添加使OMD 升高（P＜0.05）而ME 降低（P＜0.05），且随着氧化钙添加水平呈线性变化。

表2 汽爆加工和CaO添加对厌氧保存沙棘枝干体外瘤胃发酵参数的影响

图3 汽爆加工和CaO添加对厌氧保存沙棘枝干体外瘤胃产气量的影响

表3显示，汽爆加工和CaO添加对厌氧保存沙棘枝干的体外瘤胃挥发性脂肪酸总产量没有影响（P＞0.05），但对乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸、戊酸的相对比例有影响（P＜0.05）。具体来讲，汽爆加工导致丙酸比例增加，异丁酸、异戊酸、戊酸的比例及乙丙比下降；CaO 添加导致乙酸比例及乙丙比升高（P＜0.05），丙酸、异戊酸和戊酸的比例下降。

表3 汽爆加工和CaO添加对厌氧保存沙棘枝干体外瘤胃挥发性脂肪酸组成的影响

3 讨论

3.1 汽爆加工和CaO 添加对厌氧保存沙棘枝干理化结构的影响

红外吸收光谱法利用物质分子对红外辐射的特异性吸收，得到与分子结构相应的红外光谱图，吸收谱带的强弱与化学基团的含量有关，可用于进行定量分析[20]。本研究中，汽爆加工和CaO厌氧处理均对沙棘枝干的红外图谱产生一定的影响。3 352/cm处吸收峰代表O—H官能团的伸缩吸收峰[21]，其增强说明经过汽爆加工或CaO厌氧处理O—H官能团含量增加，这可能是由于处理过程氢键、酯键、醚键等断裂造成。在2 852/cm 处新增了一个小的吸收峰，可能源自C—H伸缩振动[22]，预示着有新官能团的产生。据报道，1 736/cm 处是羰基（C＝O）伸缩振动吸收峰，主要来自乙酰基、糖醛酸或阿魏酸酯等结构[21-22]，此处吸收峰强度降低表明汽爆加工或CaO贮存导致羰基（C＝O）减少，主要指示半纤维素结构的变化；1 510/cm 处吸收峰主要由木质素芳香环（C＝C）振动引起的[21]，其强度增强说明木质素含量增加，这可能是汽爆加工过程“假木质素”生成及干物质损失产生的浓缩效应造成的。此外，1 460、1 425、1 375、1 319、1 246、1 159/cm处吸收峰均出现变化。红外光谱FTIR谱图分析结果表明，沙棘枝干经过汽爆加工或CaO 厌氧保存处理后，其木质纤维素结构发生了明显变化。

对于具有结晶结构的物质，X射线射入时会发生衍射现象，因此可以用XRD 来研究具有结晶结构的纤维素在加工前后的变化。纤维结晶度指数（CrI）是度量纤维相对结晶度的参数，反映的是结晶纤维素在木质纤维素原料中的相对含量，与实际的纤维结晶度的变化密切相关，其测定相对简便，因此常用来指征纤维结晶度的变化[23]。大量研究表明，结晶区纤维素比无定形区纤维素对酶和微生物降解的抗性更大，其降解速率和降解程度都明显较小[24]。本研究中，与未处理原料相比，汽爆加工使XRD 图谱主峰的峰形变得更尖更高，说明汽爆加工后沙棘枝干的纤维结晶度增大。这可能是由于物质损失导致纤维相对含量增加，或者无定形纤维素发生重结晶，亦或是纤维素聚合度降低导致β-葡聚糖链结晶度增大。与空白厌氧保存相比，CaO 处理使峰形变宽变矮，说明CaO 厌氧保存使纤维结晶度下降。这可能是碱化处理破坏了酯键、醚键、氢键作用，使木质纤维素结构变得蓬松。

3.2 汽爆加工和CaO 添加对厌氧保存沙棘枝干化学成分的影响

本研究中，汽爆加工和CaO厌氧保存导致沙棘枝干化学成分发生较大变化。汽爆过程发生类酸水解、热降解、类机械断裂、氢键破坏、结构重排等作用，造成沙棘枝干木质纤维素组分变化。大量研究显示，汽爆过程中大量半纤维素发生降解，同时纤维素和木质素含量也有一定变化[25-26]。从组分关系来看，半纤维素和纤维素含量减少是导致NDF 含量下降和可溶性糖含量升高的主要原因，而汽爆过程“假木质素”生成及养分损失产生的浓缩效应导致ADL增加，进而导致ADF 含量增加。碱化处理可以使木质素的部分醚键断裂，皂化半纤维素和木质素之间的酯键，削弱半纤维素与纤维素之间的氢键，使木质纤维素结构变得松散及部分发生降解，可溶性糖含量增加[27-28]。此外，氧化钙添加使灰分含量大幅度增加，对其他养分造成一定的稀释作用，这也是高粗灰分含量对饲料利用不利的一面，但日粮中适量CaO 添加可以调节瘤胃pH 和提供钙源。可溶性糖含量的变化主要由木质纤维素降解产生和微生物活动代谢消耗两方面决定的，含量增加说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 添加对厌氧保存沙棘枝干体外瘤胃发酵特性的影响

体外瘤胃产气量法是评价反刍动物饲草饲料营养价值的常用方法之一，通过产气量、产气速率、挥发性脂肪酸产量、微生物蛋白量等指标反映饲料的瘤胃发酵速度、发酵潜力和利用效率[16]。本试验中，汽爆加工或CaO 厌氧保存对沙棘枝干体外瘤胃产气动态没有显著影响，但影响了挥发性脂肪酸的组成比例和氨态氮的浓度。加工处理过程沙棘枝干发生部分降解使其木质纤维素组分发生变化，产生乙酸、乙酰丙酸及各种酚酸（汽爆饲料pH 4.0左右），而这些有机酸在体外瘤胃发酵过程中不会产生气体，这是造成沙棘枝干加工后产气量不升反降的原因之一。同时，汽爆加工使木质纤维素组成结构发生明显变化，有利于微生物附着和降解。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发酵由乙酸型发酵向丙酸型发酵转变，减少产气量，提高能量转化效率。相应地，发酵液氨态氮浓度也降低，说明更多的氮源被微生物用于合成菌体蛋白，但也有可能是因为汽爆加工使底物中可利用氮源减少造成的。CaO 厌氧保存导致乙酸比例升高的原因可能是，一是贮存过程中潜在可发酵成分被微生物利用，导致易发酵成分减少；二是CaO对酸性的缓冲作用可能有利于纤维分解菌生长，促进乙酸型发酵。体外产气量不仅反映了营养物质被瘤胃微生物发酵的程度和速度，还可以比较准确地估测饲料的瘤胃有机物消化率和代谢能值[17]。本试验中，汽爆加工使沙棘枝干的粗蛋白含量测定值升高，而产气量无差异，因而导致代谢能预测值增大。CaO 添加增加灰分含量导致有机物消化率预测值升高，同时粗灰分含量升高导致实际可发酵的有机物和蛋白质含量减少和产气量降低，进而导致代谢能预测值降低。综合来看，汽爆加工可以有效提高沙棘枝干的饲用价值，而CaO厌氧处理的各项预测指标响应不一致，具体效果仍需要更多试验论证。

4 结论

本研究结果显示，汽爆加工与CaO碱贮对沙棘枝干的理化结构均有一定影响，改变了沙棘枝干体外瘤胃发酵挥发性脂肪酸的组成比例以及有机物消化率和代谢能值。结果表明，本试验条件下，汽爆加工提高了沙棘枝干的饲用价值，但CaO碱贮能否提高其饲用价值还有待进一步研究。