冉 福，雷趙民，焦 婷，程 強，趙生國，高雪梅，李昌寧

（1. 甘肅農業(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. 甘肅農業(yè)大學動物科學技術學院，甘肅 蘭州 730070；3. 甘肅省平涼市靈臺縣康莊牧業(yè)有限公司，甘肅 平涼 744400）

隨著我國經濟快速發(fā)展，畜產品產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，提高飼料轉化率，節(jié)約成本，農作物副產品—秸稈作為家畜飼料利用已經成為當前研究熱點。我國擁有豐富的農作物秸稈資源，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)生產實踐中，未經處理的農作物秸稈適口性差、營養(yǎng)品質低、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、顯著降低丁酸含量[6]。但對于農作物副產品秸稈或秕殼，黃貯并不能很好地改善其營養(yǎng)品質，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、氫鍵破壞和纖維結構重新排列；細胞壁內的冷凝水迅速蒸發(fā)，對已軟化的木質纖維施加橫向剪切力，纖維發(fā)生機械斷裂，原有纖維結構破壞，質地疏松；部分半纖維素發(fā)生水解，部分降解產生的少量有機酸，細胞壁內的部分纖維素也發(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評定，如常規(guī)營養(yǎng)分析[10]、體外產氣[11]、纖維結構[12]等，沒有綜合養(yǎng)分、產氣量及纖維結構等全面系統(tǒng)的評價。

本研究以飼養(yǎng)實踐中廣泛存在的、營養(yǎng)品質較差的以及生產中產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，結合體外產氣量及掃描電鏡結果，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；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網篩用于分析測定各成分。干物質 (dry matte, DM)、 粗 蛋 白 質 (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 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在瘤胃內的降解率、消化率、外流數(shù)量以及能量、蛋白質的吸收效率情況，并建立相應的數(shù)學模型，CNCPS能夠對飼料的碳水化合物(CHO)和蛋白質營養(yǎng)價值進行更深層次的評定[14]。

在CNCPS 6.5中[19-21]，根據(jù)蛋白質在瘤胃內的降解及流通特性，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)。將蛋白質劃分為PA、PB和 PC(非降解蛋白質)，PA包括 PA1(氨)、PA2(可溶性真蛋白)，PB包括PB1(難溶性真蛋白)、PB2(纖維結合蛋白質)，計算公式參考李國彰[21]。

1.3 體外產氣

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容物取出，經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產氣瓶中，將產氣瓶放置在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混合液加入產氣瓶中，在蓋上感應模塊之前持續(xù)通入CO2約2 min，保證產氣瓶為厭氧環(huán)境，將各個產氣瓶放置于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檢測結果均為0(表2)。

2.3 汽爆前后黃貯玉米-小麥秸稈體外產氣量、消化率及相對飼喂價值變化

2.3.1 體外產氣量

從產氣速率來看，汽爆后0～24 h各組產氣速率均高于24～72 h，在汽爆36 h后，產氣曲線基本趨于平緩，產氣速率減緩(圖1)。整個發(fā)酵產氣過程中，未汽爆組產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汽爆后只剩絲狀葉脈或難破壁的絲狀木質素(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，從而改變其結構性質。秸稈中含有大量的木質纖維素，其核心構成組分是纖維素、半纖維素和木質素，木質素和半纖維素牢固連接并緊密包裹纖維素，木質纖維素很難自身發(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，打破木質纖維素形成的致密組織，使部分木質素、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)秸稈上的研究結果一致。DM含量減少，可能是由于半纖維素等分解產物在高溫下?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合[30]，導致PC量增加，秸稈其在反芻動物體內的利用降低[31]。

3.3 汽爆處理前后體外產氣量、消化率及相對飼喂價值

體外產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；但單一的產氣量并不能直接用于評價飼草的降解程度，應結合DMD等各項綜合指標來評價其營養(yǎng)價值[32]。產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)酵產物不足所致[33-34]。本研究中，從產氣曲線圖和DMD可明顯看出，汽爆后各組產氣量及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，使產氣量增加；汽爆處理可消除秸稈部分抗消化物質[19]，使木質纖維素解聚，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，加快秸稈發(fā)酵產氣，提高秸稈的消化率[35]。相對飼喂價值(RFV)是結合可消化干物質和干物質采食量綜合評價粗飼料品質優(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，與上述評價結果一致。

3.4 汽爆前后黃貯玉米秸稈纖維結構變化

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、木質素分離，纖維結構出現(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，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)經汽爆處理后原料養(yǎng)分、產氣量、DMD、RFV及纖維結構等方面都優(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在瘤胃內的降解率、消化率、外流數(shù)量以及能量、蛋白質的吸收效率均顯著提高，增加其在反芻動物瘤胃內降解吸收；3)汽爆增加和提高了黃貯玉米-小麥秸稈體外產氣速率和產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，纖維結構斷裂，纖維和纖維束卷曲折疊；且經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，農作物秸稈的汽爆處理在畜牧業(yè)生產實踐中具有廣闊的應用前景。