棉花秸稈飼料化的難點與處理方法

 

　　目前，我國新疆地區棉花收獲后棉稈多直接粉碎還田，然而，由于新疆地區土壤干旱，直接還田的棉稈很難降解轉化為土壤有機質。同時，因棉稈常攜帶枯黃萎病病原菌，直接還田易導致次年棉田病害加重。可見，棉花秸稈資源的高效利用已成為新疆棉田急需解決的技術難題。棉花秸稈營養豐富，具備制成反芻動物優質飼料的潛力;但棉稈的木質化程度相對較高，且存在對動物有毒害作用的游離棉酚，因而阻礙了其飼料化發展進程。歸納和分析了國內現有的膨化處理、氨化處理、硫酸亞鐵處理和微貯處理等棉稈飼料化處理方法，并提出了組合處理技術思路。

　　棉花秸稈飼料化的難點與處理方法

　　◆ 棉稈飼料化的難點

　　棉花秸稈飼料化處理中的主要難點有2個：一是棉稈必須經軟化處理后才能更好地被動物食用，這是因為棉稈比玉米、水稻等秸稈含有更多的木質素和纖維素，質地更硬、適口性差，會降低動物的采食量、采食效率和消化效率;二是須減少棉花秸稈中的游離棉酚(C30H30O8)———1種廣泛分布于整個棉株色素腺體中的黃色有毒多酚物質的含量。游離棉酚在進入動物體內后能夠與蛋白質和鐵等物質結合，使生物體出現胃腸黏膜損傷、缺鐵性貧血、血管壁通透性增高、氨基酸利用率降低等病癥，導致生長遲緩、中毒甚至死亡，還會危害雄性動物的生殖系統，導致不育。為防止游離棉酚在動物體內長時間富集產生危害，一般要求反芻動物飼料中的游離棉酚含量不超過200 mg·kg-1。我國很早就開展了低酚棉的研究，并取得一定的研究成果，如中國農業科學院棉花研究所、河北省農林科學院等單位培育的低酚棉品種。但由于低酚棉品種缺乏棉酚，其抗病蟲性明顯減弱，因此其推廣應用受到極大限制。因此，針對當前棉田生產的棉稈，須采取專門的游離棉酚處理技術，以達到飼喂要求。

　　◆ 棉稈飼料化處理方法

　　為了將棉花秸稈制作成優質飼料，需要對秸稈原料存在的問題進行針對性處理，以降低木質素、纖維素和游離棉酚的含量。目前，主要有物理、化學和生物3類處理方法。

　　物理處理是化學處理和生物處理的基礎，常見的物理處理方法有粉碎、蒸煮、浸泡、輻射和膨化。化學處理可通過添加化學試劑來改變棉稈纖維中的各種組分含量，降低木質素、纖維素和棉酚含量，也可通過添加一些特定的營養物質來提升飼料的最終品質。常見的化學處理方法有酸處理、堿處理、氨化處理和硫酸亞鐵處理等。生物處理是利用微生物的生命活動或微生物的代謝產物來處理秸稈，并根據不同的處理目的向秸稈原料中接種不同微生物菌株。與物理處理和化學處理相比，生物處理的反應周期更長、處理效果更好。一套成熟的棉稈飼料化工藝流程中生物處理一般作為核心步驟。常見的生物處理方法包括酶解、青貯和微貯等。

　　針對上述提及的棉稈飼料化中存在的2個難點，對目前應用較廣、相對高效的幾種處理方法進一步分析探討。

　　(1)膨化處理。與其他幾種物理方法相比，膨化處理能夠更大限度地破壞秸稈中原有的纖維結構，使原本緊密排列的木質素和纖維素彼此分離，從而使膨化處理后的秸稈質地更加松軟，木質化程度降低，體積與表面積明顯增加，纖維束暴露，纖維結晶度降低。

　　膨化處理可以分為蒸汽爆破(簡稱為“汽爆”)和擠壓膨化2種。汽爆的原理是將秸稈原料置于密閉的容器內，通過加熱提升容器內的溫度和壓強，讓植物纖維之間充滿高壓蒸汽，然后突然釋放壓力使秸稈內部的蒸汽發生爆炸效果，從而將原本緊實的木質素和纖維素撕裂膨化。擠壓膨化的工作原理是通過電機和傳動裝置控制金屬螺桿在擠壓腔內對秸稈進行強烈的擠壓摩擦和剪切作用，從而產生大量的熱量使擠壓腔內達到高溫高壓的狀態;當秸稈被擠出噴嘴后，外部壓力驟然下降，內部纖維間的高壓空氣體積快速膨脹從而使秸稈被膨化。

　　將膨化后的秸稈直接作為粗飼料使用時，動物的采食量和采食后的消化率明顯提高，將其作為中間產物繼續進行生物發酵，也能夠提高發酵效率，縮短發酵周期。在壓力2.5 MPa、溫度220 ℃的條件下對棉花秸稈進行汽爆膨化，處理后的棉稈中木質素含量減少11.81%，纖維素減少9.34%，半纖維素減少16.76%，而粗蛋白含量增加9.38%;用少量膨化前后的秸稈分別摻進基礎飼料對肉羊進行飼喂，肉羊瘤胃對膨化后棉稈的整體消化效率高于膨化前的棉稈。也有研究表明，膨化時的高溫對棉稈中的游離棉酚有一定的脫毒作用，如在壓力2.5 MPa、溫度220 ℃的條件下汽爆后，棉稈中游離棉酚含量可降低33.7%。綜上所述，汽爆膨化不僅可以降低棉稈中的木質素和纖維素含量，提高飼料的適口性，還能減少其中的游離棉酚含量。

　　(2)氨化處理。氨化處理是用一定濃度的尿素溶液或者氨水浸泡秸稈。與一些采用強酸強堿溶液處理的方法相比，氨化處理更加溫和。此方法處理可調節秸稈的碳氮比，提升飼料中的蛋白質等營養物質的水平，提高動物的采食量和采食后的消化率;同時，尿素分解產生的氨在一定條件下還可以使棉稈中的游離棉酚變為結合棉酚而失去毒性，達到一定的脫毒效果。

　　王倩等用質量分數5%的尿素溶液處理粉碎后的棉粕，可使棉粕中的粗蛋白質含量增加約5%，游離棉酚脫毒率超過40%。張國琛等曾用螺桿擠壓膨化機對尿素精料進行擠壓膨化，然后將膨化前后的尿素分別摻進飼料里飼喂反芻動物(牛、羊等)，結果顯示膨化組尿素精料的水解速率比未膨化組明顯降低，水解過程也更加均勻，膨化后的尿素在飼喂安全性和利用率上都有顯著提升。據此認為，棉稈氨化處理后再進行膨化或氨化與膨化同時進行，處理后的棉稈飼喂效果應該更好。

　　(3)硫酸亞鐵處理。如前所述，游離棉酚能夠與生物體中的鐵結合;因此，可以用硫酸亞鐵溶液來處理粉碎后的棉花秸稈，讓其中的游離棉酚提前與溶液中的亞鐵離子結合，達到脫毒的目的。游離棉酚和亞鐵離子的結合在理論上應是等物質的量，但實際操作中受限于棉稈的粉碎程度等，亞鐵離子的添加量一般要高于棉酚含量才能取得較好的脫毒效果。

　　將500 g棉粕樣品浸泡于硫酸亞鐵溶液中，3 h后撈出瀝干，放置于40 ℃烘箱烘干4 h后測定發現，當硫酸亞鐵劑量分別為游離棉酚質量濃度的3倍和5倍時，棉粕中的游離棉酚脫毒率分別為82.13%和83.12%，表明硫酸亞鐵溶液能夠有效降低試樣的游離棉酚含量，起到脫毒作用。

　　游離棉酚與二價鐵離子的結合過程屬于放熱反應。冉函等的研究表明，用硫酸亞鐵去除游離棉酚時，需要2 h的反應時間才能生成穩定的棉酚-鐵離子復合物，高酸性環境會抑制游離棉酚與鐵離子的結合反應，甚至可能導致部分結合棉酚重新分解轉化為游離棉酚從而使毒性增強。因此，硫酸亞鐵法更適合與氨化處理或堿處理配合使用，以確保處理后的棉稈飼料能夠具有適宜的酸堿度。

　　(4)微貯處理。微貯是目前普遍應用的1種秸稈處理方法。前文提到的玉米秸稈黃貯適用于枯黃的秸稈原料，同樣適用于棉花秸稈的微貯處理。由于棉花秸稈的木質化程度更高，通常要采用更加復雜的物理或化學方法進行預處理，之后再添加一定的微生物菌種和營養物質進行微貯發酵。影響微貯發酵效果的因素很多，包括溫度、濕度、密封條件、微生物種類、營養物質、原料碳氮比等。微貯發酵后的棉稈質地柔軟、酸醇，適口性明顯提高。

　　在棉稈微貯飼料化研究中，常用的菌種有L(+)型乳酸菌、枯草芽孢桿菌、酵母菌等。乳酸菌能夠降低棉稈中的纖維素和半纖維素含量，將可溶性糖類物質轉化為更容易被消化吸收的有機酸，提高飼料的營養價值和適口性，增強動物的腸胃免疫力;芽孢桿菌可產生纖維素酶和葡萄糖酶，促進大分子糖類物質的分解，還能通過產生細菌素來抑制一些有害霉菌的滋生，維持發酵過程的穩定;酵母菌能夠分泌纖維素酶、蛋白酶等多種胞外酶，提高動物對飼料的消化效率。研究發現，特定的芽孢桿菌和酵母菌還可以大幅度降低棉稈中游離棉酚的含量。所以，在具體的棉稈微貯實踐中，應該根據原料組分的不同選擇合適的微生物菌株。

　　◆棉稈飼料化技術研發思路

　　綜上所述，棉稈飼料化技術已有較多研究，并取得了一定的進展;但大多是采用單一的技術和處理方式，無法將棉稈制成理想的優質飼料，因而對于棉稈飼料化的復合或組合技術的研究值得開展。如果能建立一套完整的棉稈飼料化技術體系，利用多種技術復合或組合處理，比如將汽爆、氨化、硫酸亞鐵等處理技術進行組合，即在汽爆前將破碎的棉稈與尿素、硫酸亞鐵充分混合，通過汽爆作用實現木質素與纖維素分離、纖維束解束、尿素與棉稈組織成分深度融合、尿素和二價鐵離子與棉酚充分接觸和反應等多重目的，之后將經上述處理的棉稈微貯，就可以提高棉稈飼料化的效率，使棉稈飼料化的價值進一步提高。