棉花秸稈飼料化的難點(diǎn)與處理方法

 

　　目前，我國新疆地區(qū)棉花收獲后棉稈多直接粉碎還田，然而，由于新疆地區(qū)土壤干旱，直接還田的棉稈很難降解轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)質(zhì)。同時，因棉稈常攜帶枯黃萎病病原菌，直接還田易導(dǎo)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(shù)難題。棉花秸稈營養(yǎng)豐富，具備制成反芻動物優(yōu)質(zhì)飼料的潛力;但棉稈的木質(zhì)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(fā)展進(jìn)程。歸納和分析了國內(nèi)現(xiàn)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(shù)思路。

　　棉花秸稈飼料化的難點(diǎn)與處理方法

　　◆ 棉稈飼料化的難點(diǎn)

　　棉花秸稈飼料化處理中的主要難點(diǎn)有2個：一是棉稈必須經(jīng)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(zhì)素和纖維素，質(zhì)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(zhì)的含量。游離棉酚在進(jìn)入動物體內(nèi)后能夠與蛋白質(zhì)和鐵等物質(zhì)結(jié)合，使生物體出現(xiàn)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(dǎo)致生長遲緩、中毒甚至死亡，還會危害雄性動物的生殖系統(tǒng)，導(dǎo)致不育。為防止游離棉酚在動物體內(nèi)長時間富集產(chǎn)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(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所、河北省農(nóng)林科學(xué)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(yīng)用受到極大限制。因此，針對當(dāng)前棉田生產(chǎn)的棉稈，須采取專門的游離棉酚處理技術(shù)，以達(dá)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(yōu)質(zhì)飼料，需要對秸稈原料存在的問題進(jìn)行針對性處理，以降低木質(zhì)素、纖維素和游離棉酚的含量。目前，主要有物理、化學(xué)和生物3類處理方法。

　　物理處理是化學(xué)處理和生物處理的基礎(chǔ)，常見的物理處理方法有粉碎、蒸煮、浸泡、輻射和膨化。化學(xué)處理可通過添加化學(xué)試劑來改變棉稈纖維中的各種組分含量，降低木質(zhì)素、纖維素和棉酚含量，也可通過添加一些特定的營養(yǎng)物質(zhì)來提升飼料的最終品質(zhì)。常見的化學(xué)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(chǎn)物來處理秸稈，并根據(jù)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(xué)處理相比，生物處理的反應(yīng)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(diǎn)，對目前應(yīng)用較廣、相對高效的幾種處理方法進(jìn)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(jié)構(gòu)，使原本緊密排列的木質(zhì)素和纖維素彼此分離，從而使膨化處理后的秸稈質(zhì)地更加松軟，木質(zhì)化程度降低，體積與表面積明顯增加，纖維束暴露，纖維結(jié)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(nèi)，通過加熱提升容器內(nèi)的溫度和壓強(qiáng)，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(nèi)部的蒸汽發(fā)生爆炸效果，從而將原本緊實的木質(zhì)素和纖維素撕裂膨化。擠壓膨化的工作原理是通過電機(jī)和傳動裝置控制金屬螺桿在擠壓腔內(nèi)對秸稈進(jìn)行強(qiáng)烈的擠壓摩擦和剪切作用，從而產(chǎn)生大量的熱量使擠壓腔內(nèi)達(dá)到高溫高壓的狀態(tài);當(dāng)秸稈被擠出噴嘴后，外部壓力驟然下降，內(nèi)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(chǎn)物繼續(xù)進(jìn)行生物發(fā)酵，也能夠提高發(fā)酵效率，縮短發(fā)酵周期。在壓力2.5 MPa、溫度220 ℃的條件下對棉花秸稈進(jìn)行汽爆膨化，處理后的棉稈中木質(zhì)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(jìn)基礎(chǔ)飼料對肉羊進(jìn)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(zhì)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(qiáng)酸強(qiáng)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(diào)節(jié)秸稈的碳氮比，提升飼料中的蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)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(chǎn)生的氨在一定條件下還可以使棉稈中的游離棉酚變?yōu)榻Y(jié)合棉酚而失去毒性，達(dá)到一定的脫毒效果。

　　王倩等用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的尿素溶液處理粉碎后的棉粕，可使棉粕中的粗蛋白質(zhì)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(jī)對尿素精料進(jìn)行擠壓膨化，然后將膨化前后的尿素分別摻進(jìn)飼料里飼喂反芻動物(牛、羊等)，結(jié)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(jù)此認(rèn)為，棉稈氨化處理后再進(jìn)行膨化或氨化與膨化同時進(jìn)行，處理后的棉稈飼喂效果應(yīng)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(jié)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(jié)合，達(dá)到脫毒的目的。游離棉酚和亞鐵離子的結(jié)合在理論上應(yīng)是等物質(zhì)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(fā)現(xiàn)，當(dāng)硫酸亞鐵劑量分別為游離棉酚質(zhì)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(jié)合過程屬于放熱反應(yīng)。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(yīng)時間才能生成穩(wěn)定的棉酚-鐵離子復(fù)合物，高酸性環(huán)境會抑制游離棉酚與鐵離子的結(jié)合反應(yīng)，甚至可能導(dǎo)致部分結(jié)合棉酚重新分解轉(zhuǎn)化為游離棉酚從而使毒性增強(qiáng)。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(yīng)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(zhì)化程度更高，通常要采用更加復(fù)雜的物理或化學(xué)方法進(jìn)行預(yù)處理，之后再添加一定的微生物菌種和營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行微貯發(fā)酵。影響微貯發(fā)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(yǎng)物質(zhì)、原料碳氮比等。微貯發(fā)酵后的棉稈質(zhì)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(zhì)轉(zhuǎn)化為更容易被消化吸收的有機(jī)酸，提高飼料的營養(yǎng)價值和適口性，增強(qiáng)動物的腸胃免疫力;芽孢桿菌可產(chǎn)生纖維素酶和葡萄糖酶，促進(jìn)大分子糖類物質(zhì)的分解，還能通過產(chǎn)生細(xì)菌素來抑制一些有害霉菌的滋生，維持發(fā)酵過程的穩(wěn)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(fā)現(xiàn)，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(yīng)該根據(jù)原料組分的不同選擇合適的微生物菌株。

　　◆棉稈飼料化技術(shù)研發(fā)思路

　　綜上所述，棉稈飼料化技術(shù)已有較多研究，并取得了一定的進(jìn)展;但大多是采用單一的技術(shù)和處理方式，無法將棉稈制成理想的優(yōu)質(zhì)飼料，因而對于棉稈飼料化的復(fù)合或組合技術(shù)的研究值得開展。如果能建立一套完整的棉稈飼料化技術(shù)體系，利用多種技術(shù)復(fù)合或組合處理，比如將汽爆、氨化、硫酸亞鐵等處理技術(shù)進(jìn)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(xiàn)木質(zhì)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(yīng)等多重目的，之后將經(jīng)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(jìn)一步提高。