一種使用干黃玉米秸稈生產青貯飼料的方法
【專利摘要】本發明公開了一種使用干黃玉米秸稈生產青貯飼料的方法，該方法使用低強度汽爆預處理干黃玉米秸稈，捋玉米秸稈中的半纖維素部分降解為單糖和寡糖，同時捋木質素和半纖維素對纖維素的屏蔽作用部分去除。調節汽爆玉米秸稈的含水量后在厭氧條件下進行發酵貯藏。該方法使原先無法青貯，或者必須添加一定量的菌劑或酶制劑的干黃玉米秸稈可以厭氧發酵為高品質的青貯飼料。擴大了青貯飼料的原料來源，延長了青貯操作的加工窗口期，使商業化生產青貯飼料成為可能。
【專利說明】一種使用干黃玉米秸稈生產青貯飼料的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于農作物秸桿飼料加工【技術領域】，具體地說就是通過汽爆預處理使用干黃玉米秸桿生產青貯飼料的方法。
【背景技術】
[0002]青貯飼料是捋切碎的新鮮秸桿等植物原料，通過微生物厭氧發酵處理，在密閉無氧條件下制備的一種適口性好、消化率高和營養豐富的飼料。制作青貯飼料的主要目的是捋生長旺盛期或剛剛收獲子實體的青秸桿長期貯藏，以供牲畜在冬春季飼料短缺時的飼喂，是一種保證供應家畜青綠飼料的有效方法。根據植物生理學的變化規律，秸桿在收割后，呼吸作用加強，其中含有的易于消化的蛋白質、可溶性糖和維生素等營養成分逐漸下降，粗纖維素比例增加，剩余的組成結構復雜、堅韌，對后續的加工和利用造成困難。青貯使用的秸桿必須新鮮，含水率在60%?75%，含水率過低時不能作業，因此青貯必須在一定時期內進行，這就限制了可利用原料的采收范圍，難以實現大規模商業化的青貯。相對于青貯，黃貯對原料的要求較低。粉碎的干秸桿調節含水量到一定范圍，外加菌劑和酶制劑，在厭氧環境下，通過發酵捋原料中部分纖維素、半纖維素轉化為糖類。糖類經有機酸發酵轉化為乳酸、乙酸和丙酸，并抑制丁酸菌和霉菌等有害菌的繁殖，最后達到與青貯相似的貯存效果。雖然黃貯不受秸桿含水率限制，一年四季都可以做，但是黃貯對微生物菌劑有一定的要求，需要合適用量的菌劑、酶制劑，才能捋玉米秸桿中的纖維素和半纖維素降解，轉化為產酸菌的發酵底物。有些情況下，青貯過程中也會外加試劑以強化青貯效果。
[0003]捋秸桿等原料裝入反應器中，通入飽和蒸汽，反應一段時間后，快速打開閥門，使物料從反應器內噴到收集罐中的技術，稱為蒸汽爆破(汽爆或熱噴)。汽爆是一種使秸桿變為更有價值飼料的加工技術。物料在汽爆預處理過程中，木質素部分降解，纖維素分子結晶區得到破壞，半纖維素部分降解為寡糖和單糖。“爆”的過程使秸桿中細胞壁結構被撕裂，質地變得疏松。
[0004]中國目前專門種植的青貯玉米面積逐漸增加，2012年達到2.083X 106hm2，但是相對于全國總的玉米種植面積3.353X 107hm2，還只占相對較少的比例。根據中國農業年鑒上玉米產量以及玉米和秸桿的質量比(I:1.37)推算，中國秸桿2012年產量約2.6億t。雖然從理論上說，玉米秸桿可用于直燃發電、沼氣、纖維素乙醇等產品的原料，但是其加工成本過高，限制了其大規模應用。如果使用技術手段捋更多原先不可青貯或者成本過高的玉米秸桿轉化為具有相當營養價值的青貯飼料.可能帶來巨大的經濟和社會效益。
[0005]通過借鑒上述秸桿飼料加工技術各自的優勢，本研究中，使用汽爆技術預處理干黃秸桿，然后利用青貯原理，不添加菌劑和酶制劑，依靠自然條件對汽爆秸桿進行厭氧貯存發酵，最終實現干黃玉米秸桿的“青貯”。
【發明內容】
[0006]本發明所要解決的技術問題是提供一種使用干黃玉米秸桿生產青貯飼料的方法，其基本原理是利用汽爆預處理對半纖維素的降解具有顯著的作用，汽爆預處理還能降低纖維素的結晶度和聚合度，這實際上也使纖維素更容易受到發酵過程中微生物所產生的纖維素酶的降解。青貯成功的關鍵是原料中的糖含量足夠乳酸菌的生長，通過汽爆預處理，可以看到秸桿中可溶性糖的含量增加，這為青貯過程中乳酸菌的生長提供了良好的碳源。
[0007]為解決上述技術問題，本發明是按如下方式實現的:本發明所述一種使用干黃玉米秸桿生產青貯飼料的方法，首先捋干黃玉米秸桿切碎到3-5cm，然后使用自來水調節其含水量至30%-60% (w/w) 0大量關于秸桿汽爆的文獻已經對于含水量對于汽爆效果的影響進行了研究和分析，秸桿中適量的水分有助于預處理過程中熱量的傳遞，同時秸桿中的水分在汽爆結束時的泄壓過程中會快速氣化膨脹，捋秸桿細胞壁撕裂從而強化預處理的效果。調節含水量后進行低強度的汽爆預處理，在這里所謂的低強度是指相對于其他用途的汽爆預處理強度而言，具體是指采用0.6-1.4MPa的蒸汽壓,處理O-1Omin (這里的Omin指反應器內的蒸汽壓達到設定值后馬上進行汽爆)。使用低強度汽爆既可以達到水解半纖維素，增加秸桿含糖量的目的，而同時確保不產生過量的有害降解物，如糠醛，甲酸，乙酰丙酸等。汽爆預處理結束后再次使用自來水調節其含水量使汽爆玉米秸桿的含水量在65% -75% (w/w)，這個含水量范圍是固態發酵的最適含水量范圍，有助于微生物在秸桿中的生長。汽爆預處理具有滅菌的作用，后期調節水含量和向青貯設施中裝料的過程中會自然接種微生物，用于青貯過程中的厭氧發酵。調節水分后的汽爆玉米秸桿裝入青貯設施中進行厭氧發酵，青貯設施可采用廣泛使用的青貯塔、青貯壕、青貯窖、青貯袋、青貯堆等，和普通的青貯操作并無區別。發酵到一定時間后，一般是I個月左右，玉米秸桿中的PH值，微生物菌群穩定后，即可開封用于家畜飼喂，未開封的飼料可保持6個月以上。
[0008]本發明的積極效果:本發明所述一種使用干黃玉米秸桿生產青貯飼料的方法其相對于其他方法的創造性和新穎性在于:
[0009]1.捋干黃秸桿用于青貯，而無需添加額外的菌劑和酶制劑；
[0010]2.擴大了青貯操作的原料范圍，增加了青貯操作的窗口期；
[0011]3.該技術可大批量進行商業化操作，適用于廣泛推廣。
【具體實施方式】
[0012]下面通過實施例對本發明做進一步說明。
[0013]品種為鄭單2016自然風干后的玉米秸桿粉碎到3?5cm的長度，捋切碎的玉米秸桿加水，調節其質量含水率到50%，然后稱取Ikg加入到汽爆反應器中進行預處理。預處理壓力為0.6、0.8、1.0、1.2和1.4MPa，處理時間均為5min，處理完成后，快速打開反應器底部的球閥捋其中的物料爆出，冷卻后測定含水率，以及其中的組分和降解物含量。
[0014]捋未汽爆預處理的樣品調節其質量含水率為70%，汽爆后的玉米秸桿根據測得的含水率加入不同的水分捋其含水率也調節為70%。樣品各自裝入塑料袋中，每袋約5kg。塑料袋抽真空密封，每種樣品制作20份。所有青貯樣品均在15?25°C下避光保存。在第5、
15、30和60d打開塑料袋(每次4份)，測定青貯過程中的參數變化。
[0015]玉米秸桿的組分測定方法:樣品在60°C下干燥至恒質量，粉碎到粒徑2mm以下，用20倍(v/m) >60°C的去離子水抽濾洗去樣品中的可溶性成分。洗滌液定容后用0.22 μ m膜過濾后用高效液相測定其中的可溶性單糖含量。IOmL洗滌液加入等體積的質量分數為8%的硫酸，在121°C下水解lh，使用Ba(OH)2中和后使用HPLC測定其中可溶性單糖的含量。酸解后所測定的單糖包括原有的單糖和寡糖水解產生的單糖，反映預處理后樣品中總糖的多少。洗滌后的固體殘渣，使用美國可再生能源實驗室推薦的兩步水解法測定其中結構性成分(纖維素、半纖維素和Klason木質素)的含量。
[0016]青貯飼料pH值和有機酸含量測定方法:取青貯樣品IOg于250mL的三角瓶中加入40mL的去離子水搖床150r/min振蕩IOmin后，捋樣品置于50mL離心管中5000r/min離心IOmin,上清液用于pH值和有機酸的測定。
[0017]單糖、有機酸和糠醛的含量采用HPLC測定:安捷倫1260液相色譜儀，采用Rl示差檢測器和DAD檢測器，色譜柱采用BioRad Aminex HPX-87H(300X7.8mm)，柱溫65°C，流動相為 0.005M 的 H2S04，流速為 0.6mL/min。
[0018]氨態氮(volatilebasic nitrogen,VBN)和總氮(total nitrogen,TN)的含量測定:氨態氮的含量測定參考葉麗娟等的方法；總氮測定采用凱氏定氮法。
[0019]青貯飼料的感官指標、各有機酸組成和氨態氮與總氮質量此的評定:農業部頒布的青貯飼料質量評定標準。
[0020]汽爆前后玉米秸桿的化學組分變化見表I。從表I中可以看出，汽爆預處理對于半纖維素的降解具有顯著的作用。在本試驗條件下，汽爆后固形物中半纖維素的含量從
16.23%降低到了 7.82%，半纖維素的降解率超過了 50%。纖維素和木質素在此條件下降解從含量上看并不太明顯，但是文獻報道，汽爆預處理會降低纖維素的結晶度和聚合度，這實際上也使纖維素更容易受到發酵過程中微生物所產生的纖維素酶的降解。青貯成功的關鍵是原料中的糖含量足夠乳酸菌的生長，通過汽爆預處理，可以看到秸桿中可溶性糖的含量從17.51%增加到了 25.77% (1.4MPa，5min)，增幅達47%，這為青貯過程中乳酸菌的生長提供了良好的碳源。隨著汽爆強度的增加，秸桿中的乙酸含量逐漸增加，乙酸主要來源于半纖維素中乙酰基的降解。乙酸的產生是汽爆秸桿pH值降低的主要原因。當汽爆條件為1.4MPa，5min時，乙酸的產量為2.12g/100g玉米秸桿。這約相當于玉米秸桿中乙酰基總量的37%。但是，也需要注意，隨著汽爆強度的增加，玉米秸桿的顏色逐漸加深，氣味也從玉米特有的香味，變的有點兒嗆鼻。這應該是汽爆過程中降解的木糖又進一步降解為糠醛等產品，這會影響家畜對于飼料的采食。從表I可以看出，糠醛的產量在處理壓力超過1.2MPa后迅速增加。根據文獻報道，糠醛來源于戊糖的脫水反應。而這個過程在PH值降低，溫度升高后更容易進行。表I中還總結了汽爆預處理條件對玉米秸桿組分變化影響的差異顯著性分析結果。除了預處理壓力在0.6MPa下，玉米秸桿中的纖維素和半纖維素含量變化沒有顯著性差異外(P > 0.05)，其他預處理條件均對組分產生顯著性影響(P < 0.05)，當預處理壓力在1.0MPa以上時，影響極其顯著(P < 0.01)。
[0021]表I玉米秸桿汽爆前后組成變化(以干基計算)
[0022]
【權利要求】
1.一種使用干黃玉米秸桿生產青貯飼料的方法，其特征在于: a)捋干黃玉米秸桿調節含水量后進行低強度汽爆預處理；b)捋汽爆玉米秸桿調節含水量，自然接種微生物后進行密閉厭氧發酵；c)玉米秸桿中的pH值，微生物菌群穩定后即可開封用于家畜飼喂。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于:所述的干黃玉米秸桿調節含水量是指用自來水捋切至3_5cm的玉米稻桿含水率調節至30% -60% (w/w)。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于:所述的低強度汽爆預處理是指采用0.6-1.4MPa的蒸汽壓，處理O-lOmin，這里的Omin指反應器內的蒸汽壓達到設定值后馬上進行汽爆。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于:所述的汽爆秸桿調節含水量是指捋汽爆秸桿的含水率用自來水調節到65% -75% (w/w)。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于:所述的密閉厭氧發酵指捋原料裝入青貯設施中，如青貯塔、青貯壕、青貯窖、青貯袋、青貯堆等，進行厭氧發酵。
【文檔編號】A23K1/14GK103461669SQ201310465102
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年10月9日 優先權日:2013年10月9日
【發明者】賈晶霞, 李建東, 高波, 李雷霞, 趙永亮, 赫志飛, 楊薇 申請人:中機美諾科技股份有限公司