棉花秸秆饲料化的难点与处理方法

 

　　目前，我国新疆地区棉花收获后棉秆多直接粉碎还田，然而，由于新疆地区土壤干旱，直接还田的棉秆很难降解转化为土壤有机质。同时，因棉秆常携带枯黄萎病病原菌，直接还田易导致次年棉田病害加重。可见，棉花秸秆资源的高效利用已成为新疆棉田急需解决的技术难题。棉花秸秆营养丰富，具备制成反刍动物优质饲料的潜力;但棉秆的木质化程度相对较高，且存在对动物有毒害作用的游离棉酚，因而阻碍了其饲料化发展进程。归纳和分析了国内现有的膨化处理、氨化处理、硫酸亚铁处理和微贮处理等棉秆饲料化处理方法，并提出了组合处理技术思路。

　　棉花秸秆饲料化的难点与处理方法

　　◆ 棉秆饲料化的难点

　　棉花秸秆饲料化处理中的主要难点有2个：一是棉秆必须经软化处理后才能更好地被动物食用，这是因为棉秆比玉米、水稻等秸秆含有更多的木质素和纤维素，质地更硬、适口性差，会降低动物的采食量、采食效率和消化效率;二是须减少棉花秸秆中的游离棉酚(C30H30O8)———1种广泛分布于整个棉株色素腺体中的黄色有毒多酚物质的含量。游离棉酚在进入动物体内后能够与蛋白质和铁等物质结合，使生物体出现胃肠黏膜损伤、缺铁性贫血、血管壁通透性增高、氨基酸利用率降低等病症，导致生长迟缓、中毒甚至死亡，还会危害雄性动物的生殖系统，导致不育。为防止游离棉酚在动物体内长时间富集产生危害，一般要求反刍动物饲料中的游离棉酚含量不超过200 mg·kg-1。我国很早就开展了低酚棉的研究，并取得一定的研究成果，如中国农业科学院棉花研究所、河北省农林科学院等单位培育的低酚棉品种。但由于低酚棉品种缺乏棉酚，其抗病虫性明显减弱，因此其推广应用受到极大限制。因此，针对当前棉田生产的棉秆，须采取专门的游离棉酚处理技术，以达到饲喂要求。

　　◆ 棉秆饲料化处理方法

　　为了将棉花秸秆制作成优质饲料，需要对秸秆原料存在的问题进行针对性处理，以降低木质素、纤维素和游离棉酚的含量。目前，主要有物理、化学和生物3类处理方法。

　　物理处理是化学处理和生物处理的基础，常见的物理处理方法有粉碎、蒸煮、浸泡、辐射和膨化。化学处理可通过添加化学试剂来改变棉秆纤维中的各种组分含量，降低木质素、纤维素和棉酚含量，也可通过添加一些特定的营养物质来提升饲料的最终品质。常见的化学处理方法有酸处理、碱处理、氨化处理和硫酸亚铁处理等。生物处理是利用微生物的生命活动或微生物的代谢产物来处理秸秆，并根据不同的处理目的向秸秆原料中接种不同微生物菌株。与物理处理和化学处理相比，生物处理的反应周期更长、处理效果更好。一套成熟的棉秆饲料化工艺流程中生物处理一般作为核心步骤。常见的生物处理方法包括酶解、青贮和微贮等。

　　针对上述提及的棉秆饲料化中存在的2个难点，对目前应用较广、相对高效的几种处理方法进一步分析探讨。

　　(1)膨化处理。与其他几种物理方法相比，膨化处理能够更大限度地破坏秸秆中原有的纤维结构，使原本紧密排列的木质素和纤维素彼此分离，从而使膨化处理后的秸秆质地更加松软，木质化程度降低，体积与表面积明显增加，纤维束暴露，纤维结晶度降低。

　　膨化处理可以分为蒸汽爆破(简称为“汽爆”)和挤压膨化2种。汽爆的原理是将秸秆原料置于密闭的容器内，通过加热提升容器内的温度和压强，让植物纤维之间充满高压蒸汽，然后突然释放压力使秸秆内部的蒸汽发生爆炸效果，从而将原本紧实的木质素和纤维素撕裂膨化。挤压膨化的工作原理是通过电机和传动装置控制金属螺杆在挤压腔内对秸秆进行强烈的挤压摩擦和剪切作用，从而产生大量的热量使挤压腔内达到高温高压的状态;当秸秆被挤出喷嘴后，外部压力骤然下降，内部纤维间的高压空气体积快速膨胀从而使秸秆被膨化。

　　将膨化后的秸秆直接作为粗饲料使用时，动物的采食量和采食后的消化率明显提高，将其作为中间产物继续进行生物发酵，也能够提高发酵效率，缩短发酵周期。在压力2.5 MPa、温度220 ℃的条件下对棉花秸秆进行汽爆膨化，处理后的棉秆中木质素含量减少11.81%，纤维素减少9.34%，半纤维素减少16.76%，而粗蛋白含量增加9.38%;用少量膨化前后的秸秆分别掺进基础饲料对肉羊进行饲喂，肉羊瘤胃对膨化后棉秆的整体消化效率高于膨化前的棉秆。也有研究表明，膨化时的高温对棉秆中的游离棉酚有一定的脱毒作用，如在压力2.5 MPa、温度220 ℃的条件下汽爆后，棉秆中游离棉酚含量可降低33.7%。综上所述，汽爆膨化不仅可以降低棉秆中的木质素和纤维素含量，提高饲料的适口性，还能减少其中的游离棉酚含量。

　　(2)氨化处理。氨化处理是用一定浓度的尿素溶液或者氨水浸泡秸秆。与一些采用强酸强碱溶液处理的方法相比，氨化处理更加温和。此方法处理可调节秸秆的碳氮比，提升饲料中的蛋白质等营养物质的水平，提高动物的采食量和采食后的消化率;同时，尿素分解产生的氨在一定条件下还可以使棉秆中的游离棉酚变为结合棉酚而失去毒性，达到一定的脱毒效果。

　　王倩等用质量分数5%的尿素溶液处理粉碎后的棉粕，可使棉粕中的粗蛋白质含量增加约5%，游离棉酚脱毒率超过40%。张国琛等曾用螺杆挤压膨化机对尿素精料进行挤压膨化，然后将膨化前后的尿素分别掺进饲料里饲喂反刍动物(牛、羊等)，结果显示膨化组尿素精料的水解速率比未膨化组明显降低，水解过程也更加均匀，膨化后的尿素在饲喂安全性和利用率上都有显著提升。据此认为，棉秆氨化处理后再进行膨化或氨化与膨化同时进行，处理后的棉秆饲喂效果应该更好。

　　(3)硫酸亚铁处理。如前所述，游离棉酚能够与生物体中的铁结合;因此，可以用硫酸亚铁溶液来处理粉碎后的棉花秸秆，让其中的游离棉酚提前与溶液中的亚铁离子结合，达到脱毒的目的。游离棉酚和亚铁离子的结合在理论上应是等物质的量，但实际操作中受限于棉秆的粉碎程度等，亚铁离子的添加量一般要高于棉酚含量才能取得较好的脱毒效果。

　　将500 g棉粕样品浸泡于硫酸亚铁溶液中，3 h后捞出沥干，放置于40 ℃烘箱烘干4 h后测定发现，当硫酸亚铁剂量分别为游离棉酚质量浓度的3倍和5倍时，棉粕中的游离棉酚脱毒率分别为82.13%和83.12%，表明硫酸亚铁溶液能够有效降低试样的游离棉酚含量，起到脱毒作用。

　　游离棉酚与二价铁离子的结合过程属于放热反应。冉函等的研究表明，用硫酸亚铁去除游离棉酚时，需要2 h的反应时间才能生成稳定的棉酚-铁离子复合物，高酸性环境会抑制游离棉酚与铁离子的结合反应，甚至可能导致部分结合棉酚重新分解转化为游离棉酚从而使毒性增强。因此，硫酸亚铁法更适合与氨化处理或碱处理配合使用，以确保处理后的棉秆饲料能够具有适宜的酸碱度。

　　(4)微贮处理。微贮是目前普遍应用的1种秸秆处理方法。前文提到的玉米秸秆黄贮适用于枯黄的秸秆原料，同样适用于棉花秸秆的微贮处理。由于棉花秸秆的木质化程度更高，通常要采用更加复杂的物理或化学方法进行预处理，之后再添加一定的微生物菌种和营养物质进行微贮发酵。影响微贮发酵效果的因素很多，包括温度、湿度、密封条件、微生物种类、营养物质、原料碳氮比等。微贮发酵后的棉秆质地柔软、酸醇，适口性明显提高。

　　在棉秆微贮饲料化研究中，常用的菌种有L(+)型乳酸菌、枯草芽孢杆菌、酵母菌等。乳酸菌能够降低棉秆中的纤维素和半纤维素含量，将可溶性糖类物质转化为更容易被消化吸收的有机酸，提高饲料的营养价值和适口性，增强动物的肠胃免疫力;芽孢杆菌可产生纤维素酶和葡萄糖酶，促进大分子糖类物质的分解，还能通过产生细菌素来抑制一些有害霉菌的滋生，维持发酵过程的稳定;酵母菌能够分泌纤维素酶、蛋白酶等多种胞外酶，提高动物对饲料的消化效率。研究发现，特定的芽孢杆菌和酵母菌还可以大幅度降低棉秆中游离棉酚的含量。所以，在具体的棉秆微贮实践中，应该根据原料组分的不同选择合适的微生物菌株。

　　◆棉秆饲料化技术研发思路

　　综上所述，棉秆饲料化技术已有较多研究，并取得了一定的进展;但大多是采用单一的技术和处理方式，无法将棉秆制成理想的优质饲料，因而对于棉秆饲料化的复合或组合技术的研究值得开展。如果能建立一套完整的棉秆饲料化技术体系，利用多种技术复合或组合处理，比如将汽爆、氨化、硫酸亚铁等处理技术进行组合，即在汽爆前将破碎的棉秆与尿素、硫酸亚铁充分混合，通过汽爆作用实现木质素与纤维素分离、纤维束解束、尿素与棉秆组织成分深度融合、尿素和二价铁离子与棉酚充分接触和反应等多重目的，之后将经上述处理的棉秆微贮，就可以提高棉秆饲料化的效率，使棉秆饲料化的价值进一步提高。