冉 福，雷趙民，焦 婷，程 強，趙生國，高雪梅，李昌寧

（1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院 / 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室 / 中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；

2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學動物科學技術學院，甘肅 蘭州 730070；3. 甘肅省平?jīng)鍪徐`臺縣康莊牧業(yè)有限公司，甘肅 平?jīng)?744400）

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，畜產(chǎn)品產(chǎn)量的快速增長帶動中國飼料糧需求量不斷上升[1]，為解決人畜爭糧矛盾，提高飼料轉(zhuǎn)化率，節(jié)約成本，農(nóng)作物副產(chǎn)品—秸稈作為家畜飼料利用已經(jīng)成為當前研究熱點。我國擁有豐富的農(nóng)作物秸稈資源，秸稈綜合利用不僅可以減少傳統(tǒng)秸稈焚燒帶來的環(huán)境污染，而且有利于生態(tài)建設和保護，緩解資源緊張壓力。在畜牧業(yè)生產(chǎn)實踐中，未經(jīng)處理的農(nóng)作物秸稈適口性差、營養(yǎng)品質(zhì)低、消化利用率低[2]，資源浪費大。傳統(tǒng)秸稈資源的加工方法有物理法(粉碎、鍘短、浸泡等)、化學法(氨化、堿化等)和微生物法(青貯、微貯等)，氨化和堿化因其影響秸稈飼料適口性未被廣泛應用，而青貯則因其能較好地保存飼料原料的營養(yǎng)價值及低成本近幾年被廣泛推廣[3-5]。如二茬苜蓿(Medicago sativa)與玉米(Zea mays)秸稈混貯，不僅可以提高青貯保存性能，而且可以提高青貯品質(zhì)、顯著降低丁酸含量[6]。但對于農(nóng)作物副產(chǎn)品秸稈或秕殼，黃貯并不能很好地改善其營養(yǎng)品質(zhì)，在飼喂家畜后，會有大量的莖稈因牛羊的撿食挑食遺棄而被浪費。

汽爆(蒸汽爆破)工藝是一種物理化學結(jié)合的方法，是將作物秸稈等原料鍘碎后傳送至汽爆腔中，通入飽和水蒸汽加壓至一定壓力，保壓一定時間后瞬間釋放，秸稈纖維結(jié)構發(fā)生系列反應：類酸性水解及熱降解、類機械斷裂、氫鍵破壞和纖維結(jié)構重新排列；細胞壁內(nèi)的冷凝水迅速蒸發(fā)，對已軟化的木質(zhì)纖維施加橫向剪切力，纖維發(fā)生機械斷裂，原有纖維結(jié)構破壞，質(zhì)地疏松；部分半纖維素發(fā)生水解，部分降解產(chǎn)生的少量有機酸，細胞壁內(nèi)的部分纖維素也發(fā)生降解，從而實現(xiàn)高溫高壓高濕環(huán)境下秸稈資源的汽爆加工[3, 7-9]。以往關于秸稈汽爆的研究，大多集中于某單一的秸稈及僅從某一方面進行其品質(zhì)評定，如常規(guī)營養(yǎng)分析[10]、體外產(chǎn)氣[11]、纖維結(jié)構[12]等，沒有綜合養(yǎng)分、產(chǎn)氣量及纖維結(jié)構等全面系統(tǒng)的評價。

本研究以飼養(yǎng)實踐中廣泛存在的、營養(yǎng)品質(zhì)較差的以及生產(chǎn)中產(chǎn)生一定浪費的家畜采食挑揀后殘余的黃貯玉米莖稈為原料，并與小麥秸稈以7︰3比例混合，進行汽爆加工處理，基于常規(guī)養(yǎng)分分析和 CNCPS (The Cornell Net Carbohydrate and Protein System)組分評價，結(jié)合體外產(chǎn)氣量及掃描電鏡結(jié)果，全面分析汽爆加工對秸稈飼料的有效性影響，以期為秸稈資源的有效利用及汽爆技術的推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

采集甘肅靈臺康莊牧業(yè)有限公司養(yǎng)殖場肉牛采食挑撿后殘余的黃貯玉米莖稈(2017年10月收獲玉米籽實后采收的玉米秸稈制作的玉米黃貯)，與小麥秸稈以7︰3比例均勻混合作為汽爆原料。汽爆處理前混合樣含水量為 (56.28% ± 0.15%)。

1.1.1 汽爆設備組成及參數(shù)

汽爆裝置：汽爆腔容積為1.14 m3，裝草樣約130 kg，汽爆腔設計壓力為 2.0 MPa，為山東陸豐有限公司生產(chǎn)；使用蒸汽鍋爐發(fā)生器供應高壓蒸汽；額定工作壓力為1.6 MPa。

本研究在壓強為1.0 MPa、溫度180 ℃下維壓處理10 min后，迅速打開汽爆腔閥門，經(jīng)汽爆腔爆出物料，在傳輸帶作用下將物料運送至飼料堆積倉，冷卻后進行采樣，6次重復。

1.1.2 樣品的采集與處理

每次采用多點隨機取樣法采集汽爆前混合樣及汽爆后放置0、24及120 h的樣品，每次處理草樣6個重復，每個重復約1.5 kg，真空包裝后帶回實驗室預處理后待測。

1.2 汽爆前后養(yǎng)分測定

營養(yǎng)養(yǎng)分分析 取真空包裝樣品其中3個重復在 (65 ± 5) ℃ 烘箱中烘干 72 h 后，利用粉碎機粉碎樣品，過0.45 mm網(wǎng)篩用于分析測定各成分。干物質(zhì) (dry matte, DM)、 粗 蛋 白 質(zhì) (crude protein, CP)、粗脂肪 (crude fat, EE)、粗灰分 (ash)、淀粉的含量采用AOAC方法測定[13]；中性洗滌纖維(neutral detergent fiber, NDF)、 酸 性 洗 滌 纖 維 (acid detergent fiber, ADF)、 酸 性 洗 滌 木 質(zhì) 素 (acid detergent lignin,ADL)含量采用Van Soest等方法測定[14]；中性洗滌不 溶 蛋 白 (neutral detergent insoluble protein, NDIP)、酸 性 洗 滌 不 溶 蛋 白 (acid detergent insoluble protein,ADIP)、 可 溶 性 粗 蛋 白 (soluble protein, SP)含 量采用周榮等方法測定[15]；鈣(calcium, Ca)含量按照空氣－乙炔火焰原子吸收光譜法測定[16]；磷(phosphorus, P)含量按照釩鉬酸銨分光光度法測定[17]；揮發(fā)性脂肪酸 (volatile fatty acid, VFA)使用安捷倫(Agilent 1100)氣相色譜儀測定[18]。

CNCPS體系對營養(yǎng)組分的劃分及計算方法CNCPS經(jīng)過不斷改進和完善，能夠真實反映飼料中的碳水化合物和蛋白質(zhì)在瘤胃內(nèi)的降解率、消化率、外流數(shù)量以及能量、蛋白質(zhì)的吸收效率情況，并建立相應的數(shù)學模型，CNCPS能夠?qū)︼暳系奶妓衔?CHO)和蛋白質(zhì)營養(yǎng)價值進行更深層次的評定[14]。

在CNCPS 6.5中[19-21]，根據(jù)蛋白質(zhì)在瘤胃內(nèi)的降解及流通特性，CNCPS將碳水化合物進一步分為：CA1(乙酸、丙酸和丁酸等揮發(fā)性脂肪酸)、CA2(乳酸)、CA3(其他有機酸)、CA4(水溶性碳水化合物)、CB1(淀粉)、CB2(可溶性纖維)、CB3(可消化纖維)和CC(不可消化纖維)。將蛋白質(zhì)劃分為PA、PB和 PC(非降解蛋白質(zhì))，PA包括 PA1(氨)、PA2(可溶性真蛋白)，PB包括PB1(難溶性真蛋白)、PB2(纖維結(jié)合蛋白質(zhì))，計算公式參考李國彰[21]。

1.3 體外產(chǎn)氣

1.3.1 瘤胃液供體

瘤胃液取自甘肅蘭州小西湖屠宰場屠宰的羊只，為5只1周歲、平均體重約為60 kg小尾寒羊，在屠宰后迅速將瘤胃液內(nèi)容物取出，經(jīng)4層紗布過濾到39 ℃恒溫厭氧的保溫瓶中(持續(xù)通入CO2)。

1.3.2 人工瘤胃培養(yǎng)液

微量元素溶液 (A 液)[18]：稱取 CaCl2·2H2O 13.2 g，MnCl2·4H2O 10.0 g，CoCl2·6H2O 1.0 g， FeCl3·6H2O 8.0 g，蒸餾水溶解定容至 100 mL。

緩沖溶液 (B 液)[18]：NH4HCO34.0 g，NaHCO335.0 g，蒸餾水溶解定容至 1 000 mL。

常 量 元 素 溶 液 (C 液 )[18]： Na2HPO45.7 g，KH2PO46.2 g，MgSO4·7H2O 0.6 g，蒸餾水溶解定容至 1 000 mL。

刃天青溶液[18]：0.1%。

還原劑溶液[18]：1 mol·L-1NaOH 4.0 mL，Na2S·9H2O 0.625 g，蒸餾水 95 mL。

緩沖液制備[18]：蒸餾水 400 mL + A 液 0.1 mL +B 液 200 mL + C 液 200 mL + 刃天青溶液 1 mL + 還原劑溶液40 mL。按上述比例依次向玻璃瓶中加入蒸餾水、A液、B液、C液和刃天青溶液。加入刃

天青溶液后混合液變?yōu)樗{色，通入CO2并預熱至39 ℃后約30 min，混合液色變淡或無色。在與過濾瘤胃液混合之前加入還原劑并通CO2氣體至溶液完全褪色。

1.3.3 體外產(chǎn)氣裝置

準確稱取發(fā)酵底物1 g于F57纖維濾袋中，用FS-300封口機封口，放入250 mL產(chǎn)氣瓶中，將產(chǎn)氣瓶放置在39 ℃下預熱30 min，然后再將采集的羊瘤胃液與人工培養(yǎng)液以體積比1︰2混合均勻，準確量取150 mL混合液加入產(chǎn)氣瓶中，在蓋上感應模塊之前持續(xù)通入CO2約2 min，保證產(chǎn)氣瓶為厭氧環(huán)境，將各個產(chǎn)氣瓶放置于39 ℃的SPH-110X24型恒溫振蕩水浴培養(yǎng)搖床中培養(yǎng)72 h。每個樣品3次重復，同時做空白試驗。

1.3.4 干物質(zhì)消失率 (DMD)和相對飼喂價值 (RFV)

發(fā)酵72 h后，迅速將所有發(fā)酵瓶置于冷水終止發(fā)酵，取出發(fā)酵瓶中的纖維濾袋，將其用蒸餾水沖洗干凈后，放置于105 ℃烘箱中，烘干48 h至恒重。

式中：m0指放入發(fā)酵瓶前纖維袋重，m為發(fā)酵前樣重，m1為發(fā)酵后樣重，m2指終止發(fā)酵瓶后纖維袋重；DMI (dry matter intake, %)為飼料干物質(zhì)的隨意采食量占體重 BW (body weight, BW)的百分比；DDM (digestible dry matter, %)為飼料可消化干物質(zhì)百分比；1.29為標準校正系數(shù)。DMI與DDM的預測模型公式[11]分別為：

1.4 體視與掃描電鏡觀察

在其余3個重復樣品中，挑出具有代表性的莖稈、玉米穗皮及其組織，將其剪成 1 cm × 1 cm 的樣塊，經(jīng)過預處理后用掃描電鏡(S-3400N)觀察[22]汽爆處理前后組織纖維降解情況。

1.5 統(tǒng)計分析

所有數(shù)據(jù)用Excel 2013進行預處理后，采用SPSS 19.0軟件進行單因子方差分析，差異顯著時，采用Duncan法進行多重比較；顯著水平為P＜0.05。采用 Excel 2013 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 汽爆前后殘留黃貯玉米-小麥秸營養(yǎng)成分含量變化

未汽爆組和汽爆后不同放置時間段(以下分別簡稱為 0 h 組、24 h 組和 120 h 組)營養(yǎng)成分存在差異；與未汽爆組相比，汽爆各組CP、EE、ADIP、NDIP、ESC 和 SP 含量都顯著上升 (P＜0.05)，且均在放置24 h時達到最大；而汽爆后不同放置時間段秸稈NDF、ADF和ADL均顯著低于未汽爆組(P＜0.05)，最大分別降低 25.5%、29.3% 和 29.7%，24 h 組木質(zhì)素含量卻高于 0 h 組和 120 h 組 (P＞0.05)；汽爆處理后DM、淀粉和P含量顯著低于未汽爆組 (P＜0.05)，而單糖含量則顯著增加 (P＜0.05)；Ash隨著發(fā)酵時間增加先增加后顯著減少(P＜0.05)；VFA和 Ca在汽爆處理后也顯著增加 (P＜0.05)(表 1)。

2.2 汽爆前后黃貯玉米-小麥秸稈 CNCPS 成分含量變化

汽爆后不同放置時間秸稈CHO、CB1、CB3、CC、PB1和 PB2含量均顯著低于未汽爆組 (P＜0.05)，其中CB1和汽爆后含量幾乎為0，PB1汽爆后含量為0，PB2在汽爆后120 h組較未汽爆組降低52%；汽爆后秸稈中 NFC、CA1、CA2、CA4、PA1、PA2和 PC較未汽爆組均顯著升高 (P＜0.05)，其中NFC在120 h組含量最高，為28.08%，CA1和CA2在汽爆后0 h組含量最高，分別為8.43%和8.33%，CA4含量在汽爆后120 h組達到最大，較未汽爆組增加了105%，PA1、PA2和PC在汽爆后24 h組含量最高，分別為1.31%、3.65%和2.45%；而CA3和CB2檢測結(jié)果均為0(表2)。

2.3 汽爆前后黃貯玉米-小麥秸稈體外產(chǎn)氣量、消化率及相對飼喂價值變化

2.3.1 體外產(chǎn)氣量

從產(chǎn)氣速率來看，汽爆后0～24 h各組產(chǎn)氣速率均高于24～72 h，在汽爆36 h后，產(chǎn)氣曲線基本趨于平緩，產(chǎn)氣速率減緩(圖1)。整個發(fā)酵產(chǎn)氣過程中，未汽爆組產(chǎn)氣量始終低于汽爆各組。

2.3.2 體外消化率及相對飼喂價值

與未汽爆組相比，汽爆后黃貯玉米-小麥秸稈

表 1 汽爆前后秸稈營養(yǎng)成分Table 1 Nutritional components of straw before and after steam explosion

表 2 汽爆前后秸稈 CNCPS 成分Table 2 CNCPS composition of straw before and after steam explosion

DMD和RFV均顯著提高(P＜0.05)，最大分別約提高了39%和30%；汽爆后不同放置時間DMD差異不顯著 (P＞0.05)，而 RFV 在 汽爆后放置 24 h 和120 h組較0 h組稍有降低，但都顯著高于未汽爆組 (P＜0.05)(表 3)。

表 3 汽爆前后消化率及相對飼喂價值Table 3 Digestibility and relative feeding value before and after steam explosion

圖 1 汽爆前后秸稈體外發(fā)酵產(chǎn)氣曲線Figure 1 Gas production curve of in vitro fermentation of straw before and after steam explosion

2.4 汽爆前后黃貯玉米秸稈纖維結(jié)構變化

在100倍掃描電鏡下，玉米莖稈及玉米穗皮均由整塊的片狀經(jīng)汽爆后只剩絲狀葉脈或難破壁的絲狀木質(zhì)素(圖2)，玉米稈、葉片纖維之間明顯松開，纖維和纖維束明顯卷曲折疊，變得蓬松柔軟，纖維結(jié)構被破壞，消化率提高。

圖 2 玉米莖稈和穗皮汽爆前后纖維結(jié)構變化Figure 2 Comparison of fiber structure of corn stem and panicle skin before and after steam explosion

3 討論

3.1 汽爆前后黃貯玉米-小麥秸稈常規(guī)營養(yǎng)成分含量變化

汽爆作為一種新型秸稈加工技術，主要通過蒸煮和爆破使其發(fā)生系列物理化學反應，從而改變其結(jié)構性質(zhì)。秸稈中含有大量的木質(zhì)纖維素，其核心構成組分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，木質(zhì)素和半纖維素牢固連接并緊密包裹纖維素，木質(zhì)纖維素很難自身發(fā)生水解反應，這也就降低了秸稈飼用價值[3]。汽爆能夠破壞秸稈細胞壁，打破木質(zhì)纖維素形成的致密組織，使部分木質(zhì)素、半纖維素和纖維素裸露出來并發(fā)生系列反應，進而被成功利用。本研究發(fā)現(xiàn)，汽爆處理后秸稈原料的 NDF、ADF 和 ADL 均顯著下降 (P＜0.05)，這與和立文等[11]、陳尚钘等[23]在玉米和小麥(Triticum aestivum)秸稈上的研究結(jié)果一致。DM含量減少，可能是由于半纖維素等分解產(chǎn)物在高溫下?lián)]發(fā)造成[24]；同時，汽爆后秸稈的單糖、EE、CP、ADIP、NDIP、SP和VFA等營養(yǎng)成分含量也顯著升高，可能是因為在高溫高濕汽爆環(huán)境下發(fā)生系列反應，促使秸稈組分比例發(fā)生變化，部分營養(yǎng)成分含量升高并產(chǎn)生多種脂肪酸[10, 23-24]；盧艷[25]研究發(fā)現(xiàn)，汽爆處理后，玉米秸稈的水溶性糖含量約增加12倍，其中葡萄糖和木糖的含量最高，約為40.17%和34.12%。朱均均等[10]研究也表明，玉米秸稈在汽爆預處理后，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素發(fā)生不同程度降解，損失率分別為9.6%、47.98%和17.55%；碳水化合物分解為甲酸、乙酸、乙酰丙酸、羥甲基糠醛和糠醛，本研究與上述研究結(jié)果相似。

3.2 汽爆處理前后 CNCPS 各營養(yǎng)成分特點

CNCPS是當前飼草評價應用中已較為普遍的一種方式[26-27]，CNCPS體系能夠全面、系統(tǒng)地反映飼料在瘤胃內(nèi)的利用情況，對飼料價值評定更加精準。本研究發(fā)現(xiàn)，汽爆處理前后CNCPS各組分含量差異較大。碳水化合物組分中，CA1、CA2、CA4的含量顯著增加，它們均為反芻動物的主要能量來源[28]，為瘤胃微生物的繁殖和其功能發(fā)揮提供良好環(huán)境，促進瘤胃微生物生長，加快瘤胃發(fā)酵速率。CB1主要為淀粉，在汽爆過程中幾乎完全被分解掉；CB3為植物可利用細胞壁，汽爆處理后各時間組含量減少，在瘤胃內(nèi)緩慢降解[29]。CC為瘤胃不可消化纖維，汽爆處理后都顯著降低，增加秸稈營養(yǎng)價值。CA3和CB2在本研究的樣品中未檢測到。

蛋白質(zhì)成分中，PA1、PA2含量顯著增加，PB1和PB2顯著降低，表明汽爆處理可以增加秸稈原料蛋白在瘤胃里的快速降解部分，減少其在后消化道吸收的中慢速蛋白部分，提高秸稈飼料的消化吸收率，這也可能會提前或縮短秸稈在家畜體內(nèi)的整個消化吸收期。因為秸稈樣品和汽爆程度等因素，使部分蛋白成分與不可利用的纖維部分結(jié)合[30]，導致PC量增加，秸稈其在反芻動物體內(nèi)的利用降低[31]。

3.3 汽爆處理前后體外產(chǎn)氣量、消化率及相對飼喂價值

體外產(chǎn)氣法是飼草或飼料間組合在人工瘤胃液下模擬瘤胃發(fā)酵、消化，依靠其產(chǎn)生氣體的量及速率來評價、預測飼草或飼料間組合效應的一種快速方法；但單一的產(chǎn)氣量并不能直接用于評價飼草的降解程度，應結(jié)合DMD等各項綜合指標來評價其營養(yǎng)價值[32]。產(chǎn)氣量大說明瘤胃微生物活性高，與底物發(fā)酵更加充分，相反，則可能是底物可供微生物發(fā)酵產(chǎn)物不足所致[33-34]。本研究中，從產(chǎn)氣曲線圖和DMD可明顯看出，汽爆后各組產(chǎn)氣量及DMD明顯高于未汽爆組；可能在汽爆處理后易于發(fā)酵的底物增多，其中氨含量相對升高，為瘤胃微生物發(fā)酵提供足夠氮源，使產(chǎn)氣量增加；汽爆處理可消除秸稈部分抗消化物質(zhì)[19]，使木質(zhì)纖維素解聚，增大、促進微生物附著面積和酶解作用，同時纖維素和半纖維素大量降解成小分子物質(zhì)，加快秸稈發(fā)酵產(chǎn)氣，提高秸稈的消化率[35]。相對飼喂價值(RFV)是結(jié)合可消化干物質(zhì)和干物質(zhì)采食量綜合評價粗飼料品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標。本研究中，汽爆處理組顯著提高了秸稈相對飼喂價值，主要是因為汽爆降低了NDF含量，提高了模型干物質(zhì)采食量[19]。也進一步說明汽爆處理后的秸稈營養(yǎng)價值更高，與上述評價結(jié)果一致。

3.4 汽爆前后黃貯玉米秸稈纖維結(jié)構變化

王玉等[12]研究發(fā)現(xiàn)，汽爆處理中類機械斷

裂、熱降解及氫鍵破壞作用，使秸稈中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素分離，纖維結(jié)構出現(xiàn)明顯變化。秸稈受到物理化學雙重分解，除發(fā)生上述化學變化之外，秸稈原料形態(tài)也受到不同程度的破壞[23-24]。本研究發(fā)現(xiàn)，與未汽爆組相比，汽爆后原本片狀或稈狀的殘留秸梗變成柔軟的細絲狀，纖維結(jié)構斷裂，纖維和纖維束卷曲折疊；纖維鍵松開，部分纖維斷裂，細胞被破壞。被爆破的程度原料葉、穗皮大于莖稈。且原料是在高溫、高壓的爆破腔里經(jīng)瞬間釋放壓力后而成絲的，因此，此過程不但有助于充分清洗秸稈表面雜質(zhì)，也因熟化而使秸稈氣味芳香，大大改善秸稈適口性，從而提高家畜采食量。

綜上所述，利用各種不同的評定方法對汽爆處理前后玉米-小麥秸稈營養(yǎng)價值進行全面、系統(tǒng)評價，發(fā)現(xiàn)經(jīng)汽爆處理后原料養(yǎng)分、產(chǎn)氣量、DMD、RFV及纖維結(jié)構等方面都優(yōu)于汽爆處理前秸稈，說明汽爆在秸稈預處理中是完全可行的，可為秸稈飼料的進一步開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

1)汽爆處理顯著降低了黃貯玉米與小麥混合秸稈纖維(NDF、ADF、ADL)含量，提高了可消化碳水化合物(單糖等)含量，從而提高秸稈原料的營養(yǎng)價值；2)CNCPS體系評價中，黃貯玉米-小麥秸稈中的碳水化合物和蛋白質(zhì)在瘤胃內(nèi)的降解率、消化率、外流數(shù)量以及能量、蛋白質(zhì)的吸收效率均顯著提高，增加其在反芻動物瘤胃內(nèi)降解吸收；3)汽爆增加和提高了黃貯玉米-小麥秸稈體外產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣量及相對飼喂價值；4)汽爆處理后，原本片狀或稈狀的殘留秸梗變成柔軟的細絲狀，纖維結(jié)構斷裂，纖維和纖維束卷曲折疊；且經(jīng)高溫高壓蒸汽爆破熟化處理，秸稈原料氣味芳香，改善了飼料適口性，家畜采食量增加，減少了飼料浪費。綜上，農(nóng)作物秸稈的汽爆處理在畜牧業(yè)生產(chǎn)實踐中具有廣闊的應用前景。