李彥軍 鄭 楠 王加啟 趙圣國

(中國農(nóng)業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所，動物營養(yǎng)學國家重點實驗室，北京 100193)

據(jù)統(tǒng)計，我國2018年秸稈產(chǎn)量約為8.86億t，其中玉米秸稈約為2.73億t，居世界第1位，利用途徑主要有肥料化、飼料化、能源化、原料化以及基料化，其中飼料化利用率只占綜合利用率的17.99%，大部分都被直接燃燒和當作肥料直接還田了，不僅造成了巨大的資源浪費，還引發(fā)了許多環(huán)境污染問題[1-2]。牛、羊等反芻動物的瘤胃是天然的纖維素和半纖維素降解反應器，其中定植著大量的微生物，可以通過降解和發(fā)酵秸稈等低質(zhì)、高纖維的粗飼料來產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸和微生物蛋白，從而為反芻動物提供能量[3]。雖然秸稈的飼料化利用不僅可以擴大飼料來源，解決我國因畜牧業(yè)的快速發(fā)展帶來的粗飼料短缺的問題，降低養(yǎng)殖成本，同時也可以減輕焚燒秸稈帶來的環(huán)境污染。但是，秸稈的主要成分是由纖維素、木質(zhì)素和半纖維組成的木質(zhì)纖維素，其特點是纖維含量高，營養(yǎng)價值低，其中纖維素被木質(zhì)素和半纖維素包裹在中間，阻礙了微生物的發(fā)酵，因此未經(jīng)處理的秸稈適口性差、消化率低，隨著存儲時間的延長，水溶性碳水化合物的含量顯著降低，粗蛋白質(zhì)的含量沒有顯著變化，但是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量顯著升高，反芻動物大量采食后可能會影響瘤胃微生物的穩(wěn)定性和功能，進而影響反芻動物的采食量和生產(chǎn)性能，這限制了秸稈在畜牧業(yè)生產(chǎn)中的應用[3]。對秸稈進行預處理能打破秸稈的細胞壁結(jié)構，提高秸稈的營養(yǎng)價值和消化率，改善適口性。目前秸稈的預處理方法有物理、化學、生物和聯(lián)合處理法等，其中蒸汽爆破能顯著增加纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解，提高秸稈的營養(yǎng)價值和消化率，而且具有處理時間短、效率高，對環(huán)境無污染等優(yōu)點。

1 蒸汽爆破的優(yōu)勢

目前常見的秸稈處理方法有物理、化學、生物以及聯(lián)合處理法。化學處理法包括酸處理、堿處理和氧化劑處理。其中，酸處理和堿處理能分別有效地降解半纖維素和木質(zhì)素，但是酸和堿的濃度過高會導致葡萄糖和木糖繼續(xù)降解生成糠醛和羥甲基糠醛等發(fā)酵抑制物；氧化劑處理也能有效地除去木質(zhì)素，而且聯(lián)合堿處理同時升高溫度可以加快木質(zhì)素的氧化溶解。但是化學處理法成本高，污染嚴重，對設備的腐蝕較大，會對動物產(chǎn)生不利影響，目前經(jīng)常用CaO、氨水、尿素、NaOH和Ca(OH)2等堿處理秸稈[4-7]。生物處理法主要有青貯、酶解和微生物固態(tài)發(fā)酵，生物處理法雖然不需要化學藥品，但是處理時間長，效率低，而且微生物會消耗纖維素、半纖維素或木質(zhì)素等，造成原料的損耗[8-9]。物理處理法包括切短、粉碎、揉絲、膨化和蒸汽爆破等，其中切短和粉碎雖然可以提高秸稈的適口性和采食量，但是對營養(yǎng)價值和消化率沒有影響。蒸汽爆破作為一種新的高效處理秸稈技術，能有效地破壞木質(zhì)纖維素的結(jié)構，將木質(zhì)素和半纖維素軟化降解為可溶性單糖和低聚果糖，增加纖維素酶和纖維素的可及度，使其更容易被反芻動物消化吸收，從而提高秸稈的營養(yǎng)價值、適口性以及消化率，而且該方法處理時間短、效率高、對環(huán)境無污染，因此蒸汽爆破產(chǎn)物更適合作為反芻動物飼料[8,10]。表1對幾種常見的秸稈預處理方法進行了比較。

表1 秸稈常見預處理方法比較Table 1 Comparison of common pretreatment methods of stover

2 蒸汽爆破的原理

蒸汽爆破技術最早始于1925年，由Mason發(fā)明并用于生產(chǎn)人造纖維板，當時為間歇法生產(chǎn)[15]，1978年，加拿大的Iotech公司首次將該技術應用于生產(chǎn)反芻動物飼料[16]，隨著應用領域的不斷擴大，該技術被不斷改進和完善。蒸汽爆破的主要原理是：物料在高溫高壓條件下進行蒸煮時水蒸氣擴散進入組織間隙，導致物料軟化，部分木質(zhì)素和半纖維素溶化降解為可溶性糖和低聚果糖，木質(zhì)素和半纖維素之間的酯鍵斷裂，木質(zhì)纖維素結(jié)構松散，同時物料中的水蒸氣在泄壓的瞬間急劇膨脹，產(chǎn)生“爆炸”效果，從而將木質(zhì)纖維素致密的結(jié)晶結(jié)構破碎，物料的細胞壁結(jié)構被打開，組織撕裂為束狀纖維素，實現(xiàn)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的分離。

Yu等[17]基于瞬時彈射原理和原有的蒸汽爆破原理提出了瞬時彈射蒸汽爆破技術，并基于該技術設計了瞬時彈射蒸汽爆破設備，爆破時間僅為0.078 s，相比傳統(tǒng)的蒸汽熱噴放，爆破時間縮短了123倍，秸稈化學成分更容易降解，細胞壁破碎和聚合度下降程度更大，比表面積提高了57.4%，結(jié)晶度下降了29.4%，噴出的物料溫度在55～60 ℃，實現(xiàn)了功熱轉(zhuǎn)化，顯著降低了能耗和成本。

3 蒸汽爆破處理秸稈效果的影響因素

3.1 蒸汽壓強和溫度

秸稈的蒸汽爆破效果主要受溫度和蒸汽壓強的影響，并且兩者呈正相關關系。研究表明，在一定范圍內(nèi)保壓時間固定不變時，隨著溫度和蒸汽壓強的升高，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解率升高，纖維素和可溶性糖的相對含量也相應升高，但是過高會導致纖維素和可溶性糖的過度降解，提高甲酸、乙酸和糠醛等副產(chǎn)物的含量[18-20]。這是由于高溫高壓條件下產(chǎn)生的有機酸促使半纖維素和木質(zhì)素降解，比表面積增加，進入秸稈內(nèi)部的水蒸氣削弱了分子間的黏結(jié)，同時在泄壓的瞬間熱能轉(zhuǎn)化為機械能，秸稈在機械剪切力的作用下被瞬間撕裂，纖維素結(jié)晶度降低，內(nèi)部共價鍵被充分暴露，但是，隨著爆破強度的增加木質(zhì)素又會形成更難降解的縮合亞結(jié)構，戊糖和己糖也進一步降解為甲酸、乙酸和糠醛以及羥甲基糠醛等發(fā)酵抑制物[13,20-21]。

3.2 保壓時間

保壓時間對秸稈的爆破效果僅次于溫度和蒸汽壓強。水蒸氣隨著保壓時間的適當延長大量進入秸稈內(nèi)部，改變秸稈的化學結(jié)構，木糖濃度隨著保壓時間的延長逐漸降低，葡萄糖和糠醛的濃度則逐漸升高，羥甲基糠醛的濃度則是先升高后降低，低溫低壓時較長的保壓時間爆破效果越好，高溫高壓條件下保壓時間不宜太長[22-23]。而超過適宜范圍就會造成纖維素和可溶性糖的大量損失，糠醛等發(fā)酵抑制物的濃度顯著增加，已發(fā)表文獻中的保壓時間從30 s[21]到30 min[24]不等。

3.3 預浸處理

秸稈經(jīng)過水[24]、稀酸(乙酸[7]和稀H2SO4[24])、稀堿[NaOH[24]、Ca(OH)2[5]和KOH[6]]、氧化劑[11]或鹽溶液[NaCl[25]和(NH4)2SO4[26]]等預浸之后蒸汽爆破效果都顯著升高。稀酸預浸后乙酰鍵斷裂、半纖維素溶解和底物孔隙率擴大，當H2SO4濃度為2%時半纖維素幾乎完全被去除，但是部分纖維素也被降解[24,27]。水是通過減小粒徑，破壞半纖維素和木質(zhì)素之間的某些化學鍵增強蒸汽爆破效果。酸堿預浸處理易引發(fā)環(huán)境污染問題，僅進行水預浸也是合適的方法之一。

3.4 物料種類

Chen等[28]研究得出5種秸稈(小麥、水稻、玉米、油菜、棉花秸稈)在相同爆破條件下處理后玉米秸稈中的半纖維素含量下降幅度最大，棉花秸稈最??；但纖維素含量的下降幅度卻是棉花秸稈最大，小麥秸稈最?。挥衩捉斩捴心举|(zhì)素含量減少，小麥秸稈和水稻秸稈有所增加，而油菜秸稈和棉花秸稈則變化不大。這與Viola等[29]得出的結(jié)果相似，說明相同爆破條件下蒸汽爆破效果因物料種類不同而存在較大差異，而且相同秸稈的不同部位處理效果也不同[30]。

4 蒸汽爆破條件的優(yōu)化

蒸汽爆破技術自1925年問世以來，隨著科技的進步和研究人員的探索，蒸汽爆破條件被不斷地優(yōu)化，但是不同研究人員之間得到的最優(yōu)條件由于研究目的和原料不同而有所差別。表2列舉了部分優(yōu)化的蒸汽爆破條件。

表2 優(yōu)化的蒸汽爆破條件Table 2 Optimum conditions of steam explosion

續(xù)表2原料Materials最佳條件Optimum conditions效果Effects參考文獻References玉米秸稈Corn stover1.0% Ca(OH)2浸泡后1.5 MPa保壓10 min秸稈的表面碎片化,大部分纖維脫落,CH4累積產(chǎn)率最高(275.58 mL/gvs),比未處理的秸稈高61.54%;生物降解率提高了26.49%[5]玉米秸稈Corn stover用2% H2SO4浸泡秸稈,200 ℃保壓10 min提高了半纖維素的增溶效果,降低了預處理溫度和保壓時間,半纖維素幾乎被完全去除,木質(zhì)素含量顯著升高,纖維素含量有所降低[27]玉米秸稈Corn stover10% (NH4)2CO3浸泡秸稈,設備固體負載量為400 mL/150 g,200 ℃保壓10 min秸稈水解液還原糖濃度(24.72 g/L)顯著高于單獨蒸汽爆破(11.44%),木質(zhì)素的去除率最大(47.26%),提高了纖維素的相對含量[26]玉米秸稈Corn stover第1階段:165 ℃、0.7 MPa保壓8 min;第2階段:188 ℃、1.2 MPa保壓2 min半纖維素顯著下降,從34.7%降至6.7%,木質(zhì)素由1.4%升至5.8%,而纖維素的含量變化不顯著[32]玉米秸稈Corn stover先利用機械梳理分餾設備分成維管組織和薄壁組織,然后1.5 MPa、185～190 ℃保壓2 min(髓)/5 min(葉)/7 min(皮)/8 min(整株)維管組織和薄壁組織中的纖維素、半纖維素以及酸不溶木質(zhì)素的含量都顯著高于整株玉米[12]

從表2可以看出，通常高強度的蒸汽爆破條件會增強半纖維素的去除，提高秸稈的消化率，但同時也促進了可溶性糖和纖維素的降解，并生成發(fā)酵抑制物。相比之下，溫和的蒸汽爆破條件降低了能耗和可溶性糖的降解，但同時也降低了爆破效果。蒸汽爆破前通過稀酸、堿和鹽等預浸處理均能顯著增強秸稈的蒸汽爆破效果。蒸汽爆破結(jié)合微生物發(fā)酵雖然會造成纖維素的損失，但是秸稈的消化率顯著升高。降低溫度和蒸汽壓強、縮短保壓時間以及聯(lián)合化學或生物法共同處理已經(jīng)成為研究人員專注的方向，并提出了新的方法來克服傳統(tǒng)方法中溫度和蒸汽壓強的局限性，減少化學試劑的使用。

5 蒸汽爆破處理對秸稈理化結(jié)構的影響

蒸汽爆破處理后秸稈的干物質(zhì)含量顯著降低，這是由于采用直接蒸汽噴射達到設備所需的溫度和壓強引起的，而且保壓時間越長，干物質(zhì)含量越低[33]。蒸煮溫度達到150 ℃后秸稈中半纖維素開始被降解為木糖和葡萄糖等可溶性單糖或低聚果糖，達到160 ℃時木質(zhì)素也開始降解，降解產(chǎn)物主要為發(fā)酵抑制物，如糠醛和羥甲基糠醛等酚類化合物、弱酸和呋喃衍生物，爆破條件劇烈時酸不溶性木質(zhì)素的含量升高，而且酸不溶性木質(zhì)素和半纖維素含量之間呈強負相關，有報道稱這是半纖維素和木質(zhì)素之間的酯鍵斷裂，部分降解產(chǎn)物發(fā)生縮合和再聚合反應，生成酸不溶性木質(zhì)素所致，但是，200 ℃以下時酸不溶性木質(zhì)素的含量變化不明顯[3,32-33]。在不同的蒸汽爆破條件下半纖維素的降解都是最嚴重的，而纖維素含量則相對穩(wěn)定，而且更容易受到纖維素酶的攻擊[4]。蒸汽爆破條件溫和時蛋白質(zhì)含量變化不明顯，但是，在劇烈的條件下蛋白質(zhì)的含量顯著增加，這是因為部分蛋白質(zhì)的降解也導致非蛋白氮、快速降解蛋白質(zhì)和中度降解蛋白質(zhì)等不可降解蛋白質(zhì)的含量增加[3,33]。掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy，SEM)結(jié)果顯示未經(jīng)處理的秸稈結(jié)構致密，表面光滑平整，而蒸汽爆破后由于半纖維素的去除和纖維素的斷裂，秸稈表面變得極為破碎，組織結(jié)構被徹底改變，導致細胞壁整體結(jié)構被破壞，木質(zhì)纖維素的孔隙率和比表面積增加，這有利于纖維素酶的降解以及瘤胃微生物的附著和定殖，提高秸稈纖維素的降解率[34]。傅立葉變換紅外(Fourier transform infrared，F(xiàn)TIR)光譜結(jié)果顯示纖維素和半纖維素中羥基(-OH)的拉伸振動峰值強度降低，半纖維素中羰基(-C=O)在1 734 cm-1的特征峰值明顯降低(圖1)，這進一步證實了蒸汽爆破處理導致大量半纖維素降解，木質(zhì)素的相對含量也因假酸性木質(zhì)素的形成而有所升高，但纖維的含量變化不大[26,28]。X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)分析表明，蒸汽爆破后半纖維素和木質(zhì)素之間的酯鍵斷裂，木質(zhì)素的聚合度降低，纖維素從結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉墙Y(jié)晶態(tài)(圖2)，這表明木質(zhì)纖維素完整的結(jié)晶結(jié)構被改變，結(jié)晶度降低，但是秸稈的結(jié)晶度指數(shù)增加，這可能是由于半纖維素和木質(zhì)素等非結(jié)晶態(tài)成分被除去，導致晶態(tài)纖維素暴露于纖維素酶造成的[6,18]。

(a)：未處理；(b)：蒸汽爆破；(c)：熱KOH；(d)：熱KOH-蒸汽爆破。(a)： untreated; (b)： steam explosion; (c): thermal KOH; (d): thermal KOH and steam explosion.圖1 不同處理后玉米秸稈的FTIR圖Fig.1 FTIR spectrogram of corn stover after different treatments[6]

(a)：未處理；(b)：蒸汽爆破；(c)：熱KOH；(d)：熱KOH-蒸汽爆破。(a)： untreated; (b)： steam explosion; (c): thermal KOH; (d): thermal KOH and steam explosion.圖2 不同處理后玉米秸稈的XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of corn stover after different treatments[6]

6 蒸汽爆破秸稈對反芻動物生產(chǎn)性能的影響

燕麥和小麥秸稈經(jīng)蒸汽爆破處理后能顯著提高泌乳母羊的產(chǎn)奶量和乳蛋白、乳脂肪以及乳糖含量，大麥秸稈則與之相反[35]，而公羊?qū)ι鲜?種秸稈的消化率都顯著升高，而且當飼料中蒸汽爆破秸稈含量為1/4時消化率與紫花苜蓿商品飼料相當[29]。Naeem[36]也得到了相似的結(jié)果，稻草秸稈經(jīng)過15.5 kf/cm2蒸汽處理120 s后可以顯著提高肉羊的采食量、粗蛋白質(zhì)等部分營養(yǎng)物質(zhì)消化率和日增重以及飼料轉(zhuǎn)化率，同時還能顯著提高血清抗氧化力及其揮發(fā)性脂肪酸的含量，有利于瘤胃和后胃的形態(tài)發(fā)育，可以提高肉羊屠宰率，但是對肉品質(zhì)沒有顯著影響，因此在肉羊飼喂過程中蒸汽爆破稻草秸稈可代替部分苜蓿和燕麥等優(yōu)質(zhì)粗飼料。蒸汽爆破玉米秸稈在一定程度上也能夠提高羊的免疫力、抗氧化能力和胃腸道健康，但是整個試驗期內(nèi)對羊的生產(chǎn)性能沒有顯著影響[37]。另外，蒸汽爆破處理還能加快瘤胃微生物對玉米秸稈的黏附和生物被膜的形成，提高秸稈纖維素的瘤胃降解率[34]。

Ebrahimi等[38]研究顯示蒸汽爆破甘蔗渣代替全混合日糧中的麩皮和大麥對母羊的平均日增重和乳成分以及血液中葡萄糖和尿素氮含量等血液指標均沒有顯著影響。郭同軍等[39]在研究蒸汽爆破棉稈對綿羊的飼喂效果時發(fā)現(xiàn)棉稈經(jīng)過蒸汽爆破發(fā)酵處理后綿羊的干物質(zhì)采食量顯著降低，這與Naeem[36]得到的結(jié)果相反，這可能是由于基礎飼糧中粗飼料的品質(zhì)不同所導致的，而綿羊的日增重顯著升高，血液中谷丙轉(zhuǎn)氨酶的活性顯著降低，料重比和血液中總蛋白、低密度脂蛋白和高密度脂蛋白的含量以及谷草轉(zhuǎn)氨酶的活性則是低于棉稈組而高于青貯玉米組，但是差異并不顯著，造成這個現(xiàn)象的原因可能是棉稈組的采食量和棉酚含量顯著高于蒸汽爆破發(fā)酵棉稈組和青貯玉米組，這表明棉稈經(jīng)蒸汽爆破處理后飼喂品質(zhì)顯著提高，綿羊采食后能提高生長性能和機體免疫功能。

但是從整體來看，在反芻動物生產(chǎn)過程中大部分蒸汽爆破秸稈代替飼糧中的部分優(yōu)質(zhì)粗飼料，不僅不會對動物的生產(chǎn)性能和健康造成不利影響，而且某些秸稈經(jīng)過蒸汽爆破處理后還會提高動物的生產(chǎn)性能和機體免疫力，這表明在不影響動物生產(chǎn)性能的情況下蒸汽爆破秸稈能夠代替飼糧中的部分優(yōu)質(zhì)粗飼料。

7 小結(jié)與展望

蒸汽爆破是一種高效處理秸稈的方法，目前已經(jīng)在生物能壓源、造紙用紙漿制備、無害化處理等領域應用，但在飼料領域受技術能力、生產(chǎn)成本等因素影響應用剛剛起步，據(jù)調(diào)研，河南啟寶等企業(yè)已開展了蒸汽爆破秸稈飼料化生產(chǎn)。為了加快蒸汽爆破技術的轉(zhuǎn)化，未來應重點研究、制訂蒸汽爆破秸稈飼料生產(chǎn)的技術參數(shù)行業(yè)標準，實現(xiàn)生產(chǎn)標準化，引導行業(yè)規(guī)范健康發(fā)展；研究蒸汽爆破秸稈的飼糧配制模式，構建蒸汽爆破秸稈營養(yǎng)成分數(shù)據(jù)庫，與中國飼料數(shù)據(jù)庫、飼料配方系統(tǒng)軟件和Web連接在一起，根據(jù)當?shù)氐膶嶋H情況和飼養(yǎng)資源因地制宜，同時結(jié)合營養(yǎng)管理技術，優(yōu)化飼養(yǎng)模式；研究精、粗飼料之間的組合效應機制，優(yōu)化飼糧的精粗比，科學搭配蒸汽爆破秸稈飼料，調(diào)控和平衡飼糧的營養(yǎng)水平，同時利用營養(yǎng)檢測技術進行全面深入的檢控和評估，充分發(fā)揮秸稈的木質(zhì)纖維素營養(yǎng)作用；研究以蒸汽爆破秸稈為底物進行微生物發(fā)酵，生產(chǎn)菌酶維一體化飼料，提高秸稈經(jīng)濟附加值和動物生產(chǎn)性能。