不同蒸汽爆破条件对玉米秸秆饲用价值的影响
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我国畜牧业发展历史悠久，具有得天独厚的自然资源。为加快地区畜牧业发展，解决饲草料供应短缺问题，应积极开展秸秆饲料化研究[1-2]。玉米(Zea mays)作为主要农作物之一，每年都有大量玉米秸秆产生。在大多数地区玉米秸秆的利用程度较低，部分秸秆长期堆放最终被废弃或被焚烧，这样不仅造成了资源浪费，而且污染了生态环境。将玉米秸秆简单处理后(如铡短)直接饲喂家畜，因适口性差、营养价值低等缺点，家畜不宜直接采食。粗饲料为瘤胃微生物提供可消化纤维，是维持正常瘤胃环境必不可少的饲料，由于粗饲料所含能量相对较低，且在瘤胃内占体积大，消化速度慢，因此也成为限制干物质采食量的主要因素。Kim等[3]认为，秸秆类饲料的细胞中98%的成分都能被消化，而未经任何加工处理的秸秆往往不能发挥出它的最大潜力[4]。因此，进行适当的预处理，打破木质纤维素的致密保护结构，释放出纤维素和半纤维素，有效去除木质素，可增强原料生物质的可持续利用。
蒸汽爆破作为一种绿色、零添加剂的秸秆加工工艺，其加工过程由汽相蒸煮和爆破两个阶段相辅相成；汽相蒸煮的条件决定着蒸汽爆破的目的性，蒸煮温度与时间具有交互作用[5-6]。根据Arrhenius定律，温度每升高10 ℃，化学反应速率加倍[5]。蒸汽爆破能够明显改变木质纤维素的有效性和敏感性。孙丹[7]用蒸汽爆破预处理芒麦后，酶解效率可增加1.30～5.97倍，纤维素含量相对增加，半纤维素和木质素含量降低。汽爆后材料纤维素的结晶度提高，聚合度降低，半纤维素及主要单糖的含量降低，且比率(即半纤维素分支度的倒数)相应提高，木质素单体含量有不同程度的降低[7]。汽爆麦草的研究表明，随着预处理条件的提高，汽爆原料的得率呈下降趋势，但纤维素和半纤维素组分的溶解程度提高，酶水解得率相应提高[8]。谢慧等[9]对蒸汽爆破、热喷放和碱堆沤3种方式处理的青贮秸秆进行分析，发现在蒸汽爆破处理后秸秆表面呈现出亲水特性，较其他两个处理条件更能改变秸秆的结构并且利于降解，这更加有利于秸秆资源饲用化的开发。因此，本研究在不同原料水分和汽爆腔压力两者交互作用下对玉米秸秆进行汽爆加工，从营养成分、体外产气和物态结构体系角度探讨不同蒸汽爆破条件下玉米秸秆的变化，筛选出最优蒸汽爆破组合条件，为农作物秸秆高效利用提供有效的技术支撑。
1. 材料与方法
1.1 试验材料
蒸汽爆破试验所用秸秆原料为2017年收获玉米籽实后的玉米秸秆，已堆放半年。收购于甘肃省平凉市灵台县康庄牧业有限公司周边农户。收购的秸秆铡成3～5 cm长度，作为汽爆试验原料。采用多点随机取样法采集汽爆前混合样及汽爆冷却后样品，每个处理草样6个重复，每个重复约1.5 kg，真空包装后带回实验室预处理后待测。
1.2 试验设计
本试验采用压力和水分两因子交互设计；汽爆腔压力设置3个水平：0.8、1.0和1.25 MPa；秸秆原料水分含量设3个水平：50%～60%、60%～70%和70%～80%进行汽爆处理。试验设计如表1所列。
表 1 试验设计Table 1. Test design原料水分
Material moisture汽爆腔压力 Steam explosion pressures 0.8 MPa (B1) 1.0 MPa (B2) 1.25 MPa (B3) 50%～60% (A1) A1B1 A1B2 A1B3 60%～70% (A2) A2B1 A2B2 A2B3 70%～80% (A3) A3B1 A3B2 A3B3 1.3 汽爆设备组成及参数
汽爆装置：由进料装置、汽爆腔、出料装置及蒸汽锅炉组成。进料装置采用传送带将物料送进汽爆腔，汽爆后由出料装置再经传送带输送至饲草堆积地。
汽爆腔容积为1.14 m3，装草样约130 kg，汽爆腔设计压力为2.0 MPa；使用蒸汽锅炉发生器供应高压蒸汽，额定工作压力为1.6 MPa。
1.4 测定指标与方法
1.4.1 汽爆饲草营养价值测定
取汽爆前后所采样品中的3个重复，置于(65 ± 5)℃的烘箱中烘干，并粉碎过0.45 mm筛。干物质(dry matter, DM)、粗灰分(crude ash, Ash)含量采用AOAC方法测定[10]；中性洗涤纤维(neutral detergent fiber, NDF)、酸性洗涤纤维(acid detergent fiber, ADF)、酸性洗涤木质素(acid detergent lignin, ADL)含量采用Van Soest方法测定[11]。
1.4.2 公式计算
相对饲喂价值RFV (relative feed value, %)[12]：
RFV = DMI × DDM/1.29。
式中：DMI (dry matter intake)为饲料干物质的自由采食量占体重(body weight, BW)的百分比；DDM (digestible dry matter)为饲料可消化干物质百分比；1.29为标准校正系数。DMI (%, BW)与DDM (%, DM)的预测模型[12]公式如下：
DMI = 120/NDF；
DDM = 88.9 − 0.779 × ADF。
总可消化养分TDN (total digestible nutrient)[13]：
TDN = − 1.291 × ADF + 101.35。
泌乳净能NEL (lactation net energy)[12]：
NEL = (1.044 − 0.011 9 × ADF) × 2.205。
1.4.3 产气量测定
瘤胃液供体：以3只装有永久瘤胃瘘管的1.5周岁小尾寒羊为试验瘤胃液供体动物，平均体重约60 kg。由专人看管，自由饮水。根据NRC 1.5周岁绵羊标准进行饲喂。
在晨饲前采集瘤胃液。将取自3只瘘管羊的瘤胃液等量混合均匀，迅速经4层纱布过滤到39 ℃恒温厌氧条件下并与人工瘤胃培养液[14]以2∶1均匀混合，持续通入CO2以保持厌氧环境，用于体外产气发酵。
准确称取发酵底物1 g于F57纤维滤袋中，用FS-300封口机封口，放入250 mL产气瓶中，将产气瓶放置在39 ℃下预热30 min，准确量取150 mL混合液加入产气瓶中，盖上感应模块之前持续通入CO2 约2 min，保证产气瓶为厌氧环境，将各产气瓶放置于39 ℃的SPH-110X24型恒温振荡水浴培养摇床中培养48 h。每个样品3次重复，同时做空白试验。
采用ANKOM RFS体外产气系统(ANKOM, America)进行体外产气发酵试验。气压产生增加可以被转换成气体的物质的量，用“理想气体方程”在标准状况“S.T.P”下可以转换成mL。
$ V_{x} = V_{j}\times P_{psi} \times 0.068\;004\;084{\text{。}} $
式中：Vx 为39 ℃产气体积(mL)；Vj为产气瓶顶部空间体积(mL)；Ppsi为气体测量系统自动记录的压力(kPa)。
1.4.4 体外干物质消失率
发酵48 h后迅速将所有发酵瓶置于冷水终止发酵，取出发酵瓶中的纤维滤袋，将其用蒸馏水冲洗干净后，放置于105 ℃烘箱中烘干至恒重，计算体外干物质消失率(in vitro dry matter digestibility, IVDMD)。
1.4.5 扫描电镜观察
样品处理：挑选汽爆处理后具有代表性的样品，剪成约1 cm长度用于观察其纤维结构的变化。样品预处理后[15]，用导电胶固定在样品托上，在电流为15 mA离子喷金仪下，喷金200 s，喷金后的样品在扫描电子显微镜下观察。
试验仪器：试验所用仪器主要为冷冻干燥仪(VFD-21S)、离子喷金仪(MSP-1S)、扫描电镜(S-3400 N)。
1.5 统计分析
所有数据用Excel 2013进行预处理后，采用SPSS 19.0软件进行一般线性模型多变量分析，差异显著时，采用Duncan法进行多重比较，显著水平为0.05。
2. 结果与分析
2.1 蒸汽爆破处理对基础养分及纤维类成分含量的影响
不同汽爆参数条件下汽爆处理后的玉米秸秆DM、NDF、ADF、ADL和Ash相对含量均较汽爆前原料显著降低(P < 0.05) (图1)。其中DM相对含量在相同压力条件下随着原料水分增大下降程度越明显；NDF相对含量在汽爆腔压力为1.25 MPa、原料水分50%～60%时最低，即压力越大降解效果越明显；ADF和ADL在汽爆腔压力为1.0 MPa、原料水分含量为70%～80%下降低程度最为显著(P < 0.05)。
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图 1 不同汽爆处理下秸秆营养物质含量的变化DM：干物质；NDF：中性洗涤纤维；ADF：酸性洗涤纤维；ADL木质素；Ash：灰分；处理代码对应的处理条件如表1所列；CK：未处理秸秆原样；不同小写字母表示同一指标不同处理间差异显著(P < 0.05)；下同。Figure 1. Changes in nutrient content of straw under different steam explosion treatmentsDM: dry matter; NDF: neutral detergent fiber; ADF: acid detergent fiber; ADL: acid detergent lignin; Ash: crude ash. CK: raw material; The treatment codes are same as those in Table 1; Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments for the same parameter at the 0.05 level; this is applicable for the following figures and tables as well.2.2 不同汽爆处理对玉米秸秆营养价值的影响
不同汽爆处理下玉米秸秆各营养评价参数明显改善(表2)。汽爆处理后DMI与原样差异显著(P < 0.05)，随着汽爆腔压力的增加，汽爆玉米秸秆的DMI相应升高，且在汽爆腔压力1.25 MPa、原料水分50%～60%条件下最高，较未处理样升高70.64%。DDM、TDN和NEL在汽爆腔压力1.0 MPa、原料水分70%～80%条件下均显著高于其他处理及原样(P < 0.05)，分别较未处理样升高25.41%、60.18%和44.57%。不同处理下玉米秸秆RFV随着压力增大逐渐升高，在汽爆腔压力1.25 MPa、原料水分50%～60%汽爆条件下最高，较未处理原样升高95.65%。未处理原样DMI、DDM、RFV、TDN和NEL相对值均为最低，且与不同汽爆处理间差异显著(P < 0.05)。
表 2 相对饲喂价值及能值评定(以干物质为基础)Table 2. Relative feeding value and energy value assessment (dry matter)指标
Index处理 Treatment 标准
误SEP A1B1 A2B1 A3B1 A1B2 A2B2 A3B2 A1B3 A2B3 A3B3 CK Pr W Pr × W DMI/(g·kg−1) 18.62d 18.96d 19.22d 20.21d 20.03d 22.13c 26.33a 23.84b 23.30bc 15.43e 0.52 < 0.001 0.204 0.001 DDM/(g·kg−1) 556.20b 562.67b 566.27b 552.17b 560.40b 601.83a 549.77b 563.33b 570.53b 479.90c 7.58 0.200 0.001 0.073 RFV 80.19b 82.86b 84.27b 86.45b 86.88b 103.09a 112.09a 103.93a 103.04a 57.29c 3.12 < 0.001 0.100 0.006 TDN/(g·kg−1) 461.98b 472.72b 478.61b 455.33b 468.94b 537.58a 451.27b 473.78b 485.78b 335.60c 12.56 0.200 0.001 0.074 NEL/(Mcal·kg−1) 1.18b 1.21b 1.22b 1.17b 1.23b 1.33a 1.16b 1.20b 1.23b 0.92c 0.02 0.195 0.001 0.088 DMI：干物质自由采食量；DDM：可消化干物质；RFV: 相对饲用价值；TDN：总消化养分；NEL：泌乳净能；Pr：压力；W：水分。
DMI: dry matter intake; DDM: digestible dry matter; RFV: relative feeding value; TDN: total digestible nutrient; NEL: lactation net energy; Pr: pressure; W: water content.2.3 不同汽爆处理对产气量的影响
不同汽爆处理玉米秸秆产气量均有所上升 (图2)。当汽爆腔压力1.0 MPa时，发酵底物的产气量较高且集中；当汽爆腔压力0.8 MPa时产气量比较分散，但随着原料水分含量的增高产气量增加；而当汽爆腔压力1.25 MPa时，体外产气量随原料水分的增加则呈大幅度下降趋势。发酵前12 h，未经汽爆处理的玉米秸秆产气量高于汽爆处理秸秆；发酵至12 h后，随着时间的增加，未经汽爆处理的玉米秸秆原料累积产气量基本趋于平稳，不再增加，而不同汽爆参数下汽爆处理的秸秆产气量继续上升，直到48 h时趋于平缓，且在汽爆腔压力1.0 MPa、原料水分70%～80%汽爆条件下产气值最大，较未处理原样产气量约增加1倍。在48 h时不同处理的累积产气量大小顺序为1.0 MPa、70%～80% > 1.0 MPa、60%～70% > 1.25 MPa、50%～60% > 1.0 MPa、50%～60% > 0.8 MPa、70%～80% > 1.25 MPa、60%～70% > 0.8 MPa、60%～70% > 1.25 MPa、70%～80% > 0.8 MPa、50%～60% > 未经处理秸秆原样。
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图 2 不同汽爆处理前后秸秆体外发酵产气曲线Figure 2. Gas production curve of straw in vitro fermentation before and after different steam explosion treatments2.4 不同汽爆处理对干物质消失率的影响
汽爆处理能显著提高玉米秸秆IVDMD (P < 0.05)；不同汽爆条件处理间差异不显著(P > 0.05)，但在汽爆腔压力1.0 MPa、原料水分70%～80%条件下IVDMD达到最大；在汽爆腔压力1.25 MPa下，IVDMD随着原料水分含量升高呈下降趋势(图3)。
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图 3 不同汽爆处理前后秸秆体外干物质消化率曲线Figure 3. Straw in vitro dry matter digestibility curve before and after different steam explosion treatments2.5 蒸汽爆破对玉米秸秆物态结构的影响
扫描电镜结果表明，未经汽爆处理的玉米秸秆表面平整、光滑、有规则，无明显破损(图4)。在汽爆腔压力0.8 MPa下，不同水分处理的秸秆物理形态发生些微变化，表面出现裂纹，但整体纤维结构均变化不明显；当汽爆腔压力1.0 MPa时，不同水分处理下玉米秸秆纤维结构发生了明显变化，纤维出现不同程度的疏松、柔软，秸秆表面被破坏，纤维素大量暴露，出现明显裂片，并具一定的芳香气味；而当汽爆腔压力为1.25 MPa、原料水分为50%～60%及60%～70%时，秸秆纤维被爆成柔软的细丝状，叶片、玉米穗皮及茎秆均被破坏，汽爆饲草柔软，但出现一定的焦糊味。
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图 4 不同汽爆处理下秸秆营养物质含量物态结构的变化Figure 4. Changes of fiber structure of straw under different steam explosion treatments3. 讨论
3.1 蒸汽爆破处理对玉米秸秆营养成分及产气量的影响
蒸汽爆破作为一种新型、绿色无添加的饲草加工工艺，玉米秸秆中部分成分在蒸汽爆破过程中被降解转化，可能伴随着挥发物质产生，DM相对含量在汽爆处理后均出现了不同程度的损失，且随着汽爆腔压力与原料水分含量的增加，损失比率加大，使秸秆组分比例发生变化[16]，这与Liu等[17]研究结果相同。本研究中，不同汽爆条件下NDF和ADF相对含量均出现下降，这与和立文等[18]研究一致。反刍动物特殊强大的瘤胃系统，使得瘤胃微生物能够充分利用纤维从而为反刍动物提供能量源，NDF和ADF均与动物采食量密切相关，RFV是一种用于预测牧草采食量和能量值的指标，由DDM和DMI推导而来，NDF与DMI含量呈负相关关系[19]。本研究中，汽爆处理后秸秆DDM和DMI含量均增高，改善了玉米秸秆的营养品质和饲喂价值，且随着汽爆腔压力增大，其能量和相对饲喂价值在测定值中表现越好。TDN是指家畜可利用的营养物质，与饲料的ADF含量呈负相关关系。ADF相对含量的减少，表明饲料中动物无法利用的营养物质减少。TDN和NEL有类似的趋势，均在汽爆腔1.0 MPa、原料水分70%～80%条件下含量最高。本研究中，以上指标的直接关联营养成分为NDF和ADF，蒸汽爆破处理显著降低了NDF和ADF含量，使玉米秸秆的DMI、DDM、RFV、TDN和NEL值均有所增加，并且在不同条件处理下提高程度存在明显差异。与未经处理秸秆相比，蒸汽爆破处理导致玉米秸秆饲喂价值和能量均显著升高。综合评价指数作为预测因子，是基于前人的预测模型所得，可能会受其他条件影响，如饲草的适口性和在瘤胃中的真实消化情况[20-21]。
体外产气法作为一种快速、简便的饲料评价方法，已成为当前较为重要的饲料评价方式之一[22]。瘤胃微生物在厌氧人工缓冲液与瘤胃液混合液中产生CO2、甲烷等气体，并与体内测定值相接近[23]。产气量高低与瘤胃微生物对饲料利用降解程度一致。本研究中，从48 h产气曲线来看，汽爆处理后玉米秸秆产气量均明显高于未经处理秸秆，可能是玉米秸秆经过高温高压蒸汽爆破处理后，打破细胞壁结构，降低纤维结晶度，消除了瘤胃微生物与细胞直接接触的屏障，有利于发酵物质的增多，并且增大其接触表面积，促进瘤胃微生物更好的附着，更充分地发生反应[19]。产气量在汽爆腔压力1.0 MPa、原料水分70%～80%下达到最高，这说明瘤胃微生物在此条件下发酵效果最好，利用率最大。体外产气量与NDF和ADF之间有很大的相关性，在一定范围内，随着NDF和ADF含量的下降，产气量增加，这与王芳等[24]研究一致，这可能是由于高含量NDF和ADF不利于瘤胃微生物发酵。本研究中，蒸汽爆破对秸秆结构造成破坏，提高了瘤胃微生物粘附效率，增强了秸秆瘤胃降解率和发酵能力，汽爆后饲草中的快速降解物质迅速转化被微生物利用，从而为瘤胃微生物提供能量，增加产气量[21]。随着压力增大，累积产气量不仅没有上升，反而下降，可能是某些物质发生交联反应，不利于瘤胃微生物发酵产气。随着压力增大，秸秆会有明显的焦糊味产生[25]。
体外产气量与干物质消化率有高度的正相关关系[26]，产气量能较好地反映干物质降解率。本研究中，产气量与IVDMD基本有相同趋势，汽爆处理后IVDMD均显著高于未经处理秸秆原样，在汽爆腔压力1.0 MPa、原料水分70%～80%条件下产气量最高，干物质降解率最大，饲草营养价值较高。不同汽爆处理之间IVDMD虽与产气量有相同升高或下降的趋势，但差异不显著，这可能与原料收割后的放置时间有关。蒸汽爆破对秸秆具有轻微熟化作用，熟化有利于瘤胃微生物分解，增加产气量[27]。
本研究中可能因为在汽爆腔压力1.25 MPa下，压力偏大，熟化过度，产生焦糊味，并且随着水分含量增多，其味道愈浓，显著影响其家畜适口性，与其营养成分之间有一定的差异，降低饲喂价值。
3.2 蒸汽爆破对玉米秸秆纤维结构的影响
未经处理的玉米秸秆原样表面基本光滑，表面结构致密，蒸汽爆破处理能够破坏细胞层次结构，并且降低半纤维素、纤维素和木质素之间的结晶聚合度[28]。孙丹[7]发现汽爆能够增加其原料的孔隙度，并且与酶解效率正相关。根据扫描电镜结果，不同汽爆处理条件下玉米秸秆表面出现不同程度的破损，随着汽爆腔压力的增大和原料水分含量的增加，甚至爆破成松散的丝状和条状，玉米茎秆纤维的有序结构被打乱，孔隙度增大，被牛羊采食后与瘤胃微生物接触的表面积增加，微生物对其降解作用加强，玉米秸秆消化率和降解率提高。在汽爆腔压力1.25 MPa、原料水分50%～60%汽爆条件下玉米秸秆纤维结构松散，可看出明显的细丝状，汽爆效果最好，这也与Zhang等[29]对红麻(Hibiscus cannabinus)进行蒸汽爆破后红麻表面结构的变化一致。
汽爆过程中，随着压力增大，汽爆腔内部温度相对升高，汽爆饲草颜色由黄到焦糖色逐渐加深。水分含量升高后，汽爆饲草会凝结成团。蒸汽爆破能够改变玉米秸秆原料的天然结构，整块外形结构经汽爆处理为条状和丝状，表明蒸汽爆破预处理对秸秆结构的改变、纤维素酶的渗透和扩散、酶解反应性能的提高都是有效的。
4. 结论
根据玉米秸秆未经汽爆处理及不同汽爆条件处理下的营养物质、体外发酵和物态结构等方面的变化可得出汽爆处理能够显著增加秸秆的营养相对含量及饲用价值。此外，汽爆腔压力1.0 MPa、原料水分70%～80%是进行玉米秸秆蒸汽爆破的最佳条件。
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图 1 不同汽爆处理下秸秆营养物质含量的变化
DM：干物质；NDF：中性洗涤纤维；ADF：酸性洗涤纤维；ADL木质素；Ash：灰分；处理代码对应的处理条件如表1所列；CK：未处理秸秆原样；不同小写字母表示同一指标不同处理间差异显著(P < 0.05)；下同。
Figure 1. Changes in nutrient content of straw under different steam explosion treatments
DM: dry matter; NDF: neutral detergent fiber; ADF: acid detergent fiber; ADL: acid detergent lignin; Ash: crude ash. CK: raw material; The treatment codes are same as those in Table 1; Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments for the same parameter at the 0.05 level; this is applicable for the following figures and tables as well.
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图 2 不同汽爆处理前后秸秆体外发酵产气曲线
Figure 2. Gas production curve of straw in vitro fermentation before and after different steam explosion treatments
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图 3 不同汽爆处理前后秸秆体外干物质消化率曲线
Figure 3. Straw in vitro dry matter digestibility curve before and after different steam explosion treatments
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图 4 不同汽爆处理下秸秆营养物质含量物态结构的变化
Figure 4. Changes of fiber structure of straw under different steam explosion treatments
表 1 试验设计
Table 1 Test design
原料水分
Material moisture汽爆腔压力 Steam explosion pressures 0.8 MPa (B1) 1.0 MPa (B2) 1.25 MPa (B3) 50%～60% (A1) A1B1 A1B2 A1B3 60%～70% (A2) A2B1 A2B2 A2B3 70%～80% (A3) A3B1 A3B2 A3B3 
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表 2 相对饲喂价值及能值评定(以干物质为基础)
Table 2 Relative feeding value and energy value assessment (dry matter)
指标
Index处理 Treatment 标准
误SEP A1B1 A2B1 A3B1 A1B2 A2B2 A3B2 A1B3 A2B3 A3B3 CK Pr W Pr × W DMI/(g·kg−1) 18.62d 18.96d 19.22d 20.21d 20.03d 22.13c 26.33a 23.84b 23.30bc 15.43e 0.52 < 0.001 0.204 0.001 DDM/(g·kg−1) 556.20b 562.67b 566.27b 552.17b 560.40b 601.83a 549.77b 563.33b 570.53b 479.90c 7.58 0.200 0.001 0.073 RFV 80.19b 82.86b 84.27b 86.45b 86.88b 103.09a 112.09a 103.93a 103.04a 57.29c 3.12 < 0.001 0.100 0.006 TDN/(g·kg−1) 461.98b 472.72b 478.61b 455.33b 468.94b 537.58a 451.27b 473.78b 485.78b 335.60c 12.56 0.200 0.001 0.074 NEL/(Mcal·kg−1) 1.18b 1.21b 1.22b 1.17b 1.23b 1.33a 1.16b 1.20b 1.23b 0.92c 0.02 0.195 0.001 0.088 DMI：干物质自由采食量；DDM：可消化干物质；RFV: 相对饲用价值；TDN：总消化养分；NEL：泌乳净能；Pr：压力；W：水分。
DMI: dry matter intake; DDM: digestible dry matter; RFV: relative feeding value; TDN: total digestible nutrient; NEL: lactation net energy; Pr: pressure; W: water content.
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