棉花秸秆饲料化前景与技术分析
时间：2023-03-01 11:40:08 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
王方正，师勇强，王文魁，马小艳，，张杰，郭志刚，宋日雨，李迅，董栋，王岩*，马雄风，*
（1. 棉花生物学国家重点实验室郑州大学基地/ 郑州大学生态与环境学院，郑州 450000；
2. 中国农业科学院棉花研究所/ 棉花生物学国家重点实验室/ 棉花生物育种及产业技术国家工程研究中心，河南 安阳 455000；
3. 融通农业发展（麦盖提）有限责任公司，新疆 喀什 844000）
2021 年，新疆棉花总产为512.9 万t，占全国总产量的89.5%，与此同时产生了大量的棉籽、棉粕和棉秆等副产品。根据左旭等[1]的计算模型，将棉秆与棉纤维的草谷比设为5.0， 则新疆地区每年的棉花秸秆产量约为2 500 万t。
因此，基于棉秆资源化利用现状和主要技术难点，分析棉秆饲料化利用的潜力和处理方法， 提出棉秆饲料化处理的合理建议，为棉秆的资源化和产业化利用，进一步促进新疆地区农业经济增长提供支持。
目前，对于棉花秸秆的处理和利用方式大致可以归为还田肥料化和离田再加工2 大类[2-3]。
1.1 棉秆还田肥料化
棉花秸秆的还田肥料化利用方式主要有直接粉碎还田和堆沤发酵还田2 种。直接粉碎还田就是在完成棉花采摘后，使用大型农用机械将生长在棉田里的秸秆收割并粉碎，同时利用机械进行翻耕或旋耕将粉碎后的棉秆作为肥料直接埋入农田[4]。
直接粉碎还田存在机械化程度高、速度快、成本低等优点；
然而，由于新疆地区干旱少雨，土壤含水量低，直接粉碎还田的棉秆埋入土壤后长期无法得到降解，不仅不能有效地转化为土壤有机质，还会因其带有枯萎病、黄萎病等的病原菌而加重棉田病害。
堆沤发酵还田则是把采摘后残留的棉秆收集起来， 通过好氧堆肥发酵将棉秆转化为有机肥后再还田使用。
此方法可以利用发酵过程中产生的高温杀死病原菌，并有效将棉秆转化为有机肥，但存在收集成本、 运输成本和发酵生产成本高的缺点。
因此，棉秆堆沤发酵还田无法在新疆规模化推广应用。
1.2 棉秆离田再加工
棉秆离田再加工利用的方式较多，主要包括饲料化处理、燃料化处理、原料化处理和基质化处理等[5]。棉秆的饲料化处理是通过各种物理、化学和生物处理方式将棉花秸秆制成反刍动物饲料；
燃料化处理是将棉花秸秆看作1 种生物质能源，直接燃烧供热发电，也可以进一步经高温热解气化处理或者加工制作优质固体燃料；
原料化处理是指对棉秆的枝、茎、叶、根乃至分离得到的棉秆芯和棉秆皮，根据其理化特性差异，使之成为纺织、造纸、造板等不同使用场景中的原料；
基质化处理是把粉碎后的棉花秸秆与化肥等其他物质按一定的配比混合，制作成为食用菌培养基或植物栽培基质。
一般来说，棉秆离田再加工的利用效率与经济效益比直接粉碎还田处理高，但也需要一定的技术与投资。相比而言，燃料化处理对棉秆的需求量大、处理效率高；
但收集和运输成本较高，因此，对于新疆等不缺乏燃煤资源的地区，棉秆燃料化处理并不是最佳选择。原料化处理的收集、运输成本也较高，同时存在产品外运的成本压力。基质化处理利用方式可以就地加工、生产和使用，但相关研究起步较晚，处理规模较小，无法大规模地利用棉秆资源。新疆地区畜牧业尤其是牛羊养殖业较为发达，但是缺乏量大和供应稳定的饲草资源。在新疆地区将棉秆制成牛、羊等反刍动物的饲料，可以就地收集加工、利用，具有运输成本低、处理规模大和经济效益高等优点；
因此，棉秆饲料化利用在新疆地区具有良好的应用前景。
2.1 农作物秸秆饲料化研究现状
我国一直都有利用农作物秸秆饲养家畜的习惯，但农作物秸秆中含有大量的木质素、纤维素等高分子物质，即便是牛、羊等反刍动物直接食用未经处理的秸秆后消化吸收率也不高[6]。
为了提高农作物秸秆的饲用效率， 使之更加便于储存运输，促进农业与畜牧业经济的更好发展，秸秆的饲料化技术研究一直受到关注。
在将秸秆制作成为饲料的过程中， 可以使用一些技术手段针对性地调整饲料中的各种营养成分含量，例如：减少难以消化的木质素和木质纤维素含量，以提升秸秆饲料的消化效率；
增加粗蛋白质的含量，以提升动物的生长发育速率等。
近年来，国内的秸秆饲料化技术研究已取得明显进展。
以玉米秸秆为例，目前常见的玉米秸秆饲料化技术有青贮与黄贮2 种方式。玉米秸秆青贮就是把青绿色的玉米秸秆切碎压实后填入发酵间，在密封的条件下进行厌氧发酵。玉米秸秆青贮对于秸秆原料的要求较高，最好在玉米乳熟末期整株不超过2 片叶枯黄时完成收割，收割后要及时把秸秆切碎至长度3 cm 左右，装填进发酵间内反复压实，最终隔绝空气密封发酵[7]。一般情况下，密封后的玉米秸秆只需1 个月就能发酵成为粗饲料。
研究表明，青贮后的玉米秸秆与自然干燥的玉米秸秆相比，粗纤维含量降低13.3%， 粗蛋白质含量提高30.4%，无氮浸出物含量提高71.2%[8]。整体来看，青贮发酵可明显提升玉米秸秆的饲用效率。
玉米秸秆的黄贮与青贮原理基本相同，二者的区别在于黄贮处理是以完全成熟收获后的枯黄秸秆为原料，在密封发酵之前需要向切碎的秸秆中添加适量的营养物质、水和生物菌剂[9]。
由于原料中组分含量的差异，一般黄贮饲料比青贮饲料中的粗纤维含量稍高，粗蛋白质含量和整体营养水平稍低。
2.2 棉花秸秆的主要营养成分
棉花秸秆中根、茎、叶等不同部位的主要成分含量存在明显差异（表1），而且种植地区、品种、种植和收割时间、种植期间管理方式（氮肥使用量）、棉秆收割后储存方式、储存时间等因素都会影响棉秆中各种组分的含量。
许国英等[10]早在1998 年就对新疆地区棉秆的营养成分进行了测定，提出了将棉花秸秆制成动物饲料的可能性。
表1 棉秆不同部位的主要成分含量[11]%
与小麦秸秆、水稻秸秆和玉米秸秆相比，棉花秸秆中的钙、磷、粗蛋白质和木质素的含量更高[12]（表2）。
张国庆等[13]用棉花秸秆和玉米秸秆分别混合相同质量的精制饲料饲喂绵羊，结果显示，用棉花秸秆饲喂的绵羊体内氮、钙、磷的沉积量和沉积率均高于玉米秸秆组，2 组绵羊的活体质量、 胴体质量、屠宰率、胴体瘦肉质量无显著差异，但棉秆组绵羊的肥肉质量明显比玉米秸秆组更低，胴体骨质量明显更高。
由此可见，棉花秸秆和其他几种农作物秸秆的营养成分相似，具备制作反刍动物优质饲料的潜力。
表2 常见农作物秸秆的主要成分含量[12]%
3.1 棉秆饲料化的难点
棉花秸秆饲料化处理中的主要难点有2 个：一是棉秆必须经软化处理后才能更好地被动物食用，这是因为棉秆比玉米、水稻等秸秆含有更多的木质素和纤维素，质地更硬、适口性差，会降低动物的采食量、采食效率和消化效率；
二是须减少棉花秸秆中的游离棉酚（C30H30O8）——1 种广泛分布于整个棉株色素腺体中的黄色有毒多酚物质的含量。游离棉酚在进入动物体内后能够与蛋白质和铁等物质结合，使生物体出现胃肠黏膜损伤、缺铁性贫血、血管壁通透性增高、氨基酸利用率降低等病症，导致生长迟缓、中毒甚至死亡，还会危害雄性动物的生殖系统，导致不育[14-15]。为防止游离棉酚在动物体内长时间富集产生危害，一般要求反刍动物饲料中的游离棉酚含量不超过200 mg·kg－1。
我国很早就开展了低酚棉的研究，并取得一定的研究成果，如中国农业科学院棉花研究所、河北省农林科学院等单位培育的低酚棉品种。
但由于低酚棉品种缺乏棉酚，其抗病虫性明显减弱，因此其推广应用受到极大限制。因此，针对当前棉田生产的棉秆，须采取专门的游离棉酚处理技术，以达到饲喂要求。
3.2 棉秆饲料化处理方法
为了将棉花秸秆制作成优质饲料，需要对秸秆原料存在的问题进行针对性处理， 以降低木质素、纤维素和游离棉酚的含量。目前，主要有物理、化学和生物3 类处理方法[16-17]。
物理处理是化学处理和生物处理的基础，常见的物理处理方法有粉碎、蒸煮、浸泡、辐射和膨化。化学处理可通过添加化学试剂来改变棉秆纤维中的各种组分含量，降低木质素、纤维素和棉酚含量，也可通过添加一些特定的营养物质来提升饲料的最终品质。常见的化学处理方法有酸处理、碱处理、氨化处理和硫酸亚铁处理等。生物处理是利用微生物的生命活动或微生物的代谢产物来处理秸秆，并根据不同的处理目的向秸秆原料中接种不同微生物菌株。
与物理处理和化学处理相比，生物处理的反应周期更长、处理效果更好。
一套成熟的棉秆饲料化工艺流程中生物处理一般作为核心步骤。
常见的生物处理方法包括酶解、青贮和微贮等。
针对上述提及的棉秆饲料化中存在的2 个难点，对目前应用较广、相对高效的几种处理方法进一步分析探讨。
（1）膨化处理。与其他几种物理方法相比，膨化处理能够更大限度地破坏秸秆中原有的纤维结构，使原本紧密排列的木质素和纤维素彼此分离，从而使膨化处理后的秸秆质地更加松软，木质化程度降低，体积与表面积明显增加，纤维束暴露，纤维结晶度降低。
膨化处理可以分为蒸汽爆破（简称为“汽爆”）和挤压膨化2 种。汽爆的原理是将秸秆原料置于密闭的容器内， 通过加热提升容器内的温度和压强，让植物纤维之间充满高压蒸汽，然后突然释放压力使秸秆内部的蒸汽发生爆炸效果，从而将原本紧实的木质素和纤维素撕裂膨化。挤压膨化的工作原理是通过电机和传动装置控制金属螺杆在挤压腔内对秸秆进行强烈的挤压摩擦和剪切作用，从而产生大量的热量使挤压腔内达到高温高压的状态；
当秸秆被挤出喷嘴后，外部压力骤然下降，内部纤维间的高压空气体积快速膨胀从而使秸秆被膨化。
将膨化后的秸秆直接作为粗饲料使用时，动物的采食量和采食后的消化率明显提高，将其作为中间产物继续进行生物发酵， 也能够提高发酵效率，缩短发酵周期[18]。在压力2.5 MPa、温度220 ℃的条件下对棉花秸秆进行汽爆膨化，处理后的棉秆中木质素含量减少11.81%，纤维素减少9.34%，半纤维素减少16.76%，而粗蛋白含量增加9.38%；
用少量膨化前后的秸秆分别掺进基础饲料对肉羊进行饲喂，肉羊瘤胃对膨化后棉秆的整体消化效率高于膨化前的棉秆[19]。
也有研究表明，膨化时的高温对棉秆中的游离棉酚有一定的脱毒作用， 如在压力2.5 MPa、温度220 ℃的条件下汽爆后，棉秆中游离棉酚含量可降低33.7%[20]。
综上所述，汽爆膨化不仅可以降低棉秆中的木质素和纤维素含量，提高饲料的适口性，还能减少其中的游离棉酚含量。
（2）氨化处理。
氨化处理是用一定浓度的尿素溶液或者氨水浸泡秸秆。与一些采用强酸强碱溶液处理的方法相比，氨化处理更加温和。
此方法处理可调节秸秆的碳氮比，提升饲料中的蛋白质等营养物质的水平， 提高动物的采食量和采食后的消化率；
同时，尿素分解产生的氨在一定条件下还可以使棉秆中的游离棉酚变为结合棉酚而失去毒性，达到一定的脱毒效果。
王倩等[21]用质量分数5%的尿素溶液处理粉碎后的棉粕，可使棉粕中的粗蛋白质含量增加约5%，游离棉酚脱毒率超过40%。张国琛等[22]曾用螺杆挤压膨化机对尿素精料进行挤压膨化，然后将膨化前后的尿素分别掺进饲料里饲喂反刍动物（牛、羊等）， 结果显示膨化组尿素精料的水解速率比未膨化组明显降低，水解过程也更加均匀，膨化后的尿素在饲喂安全性和利用率上都有显著提升。据此认为，棉秆氨化处理后再进行膨化或氨化与膨化同时进行，处理后的棉秆饲喂效果应该更好。
（3）硫酸亚铁处理。如前所述，游离棉酚能够与生物体中的铁结合；
因此，可以用硫酸亚铁溶液来处理粉碎后的棉花秸秆，让其中的游离棉酚提前与溶液中的亚铁离子结合，达到脱毒的目的。
游离棉酚和亚铁离子的结合在理论上应是等物质的量，但实际操作中受限于棉秆的粉碎程度等，亚铁离子的添加量一般要高于棉酚含量才能取得较好的脱毒效果。
王倩等[21]将500 g 棉粕样品浸泡于硫酸亚铁溶液中，3 h 后捞出沥干， 放置于40 ℃烘箱烘干4 h后测定发现，当硫酸亚铁剂量分别为游离棉酚质量浓度的3 倍和5 倍时，棉粕中的游离棉酚脱毒率分别为82.13%和83.12%，表明硫酸亚铁溶液能够有效降低试样的游离棉酚含量，起到脱毒作用。
游离棉酚与二价铁离子的结合过程属于放热反应。
冉函等[23]的研究表明，用硫酸亚铁去除游离棉酚时，需要2 h 的反应时间才能生成稳定的棉酚-铁离子复合物，高酸性环境会抑制游离棉酚与铁离子的结合反应，甚至可能导致部分结合棉酚重新分解转化为游离棉酚从而使毒性增强。
因此，硫酸亚铁法更适合与氨化处理或碱处理配合使用，以确保处理后的棉秆饲料能够具有适宜的酸碱度。
（4）微贮处理。
微贮是目前普遍应用的1 种秸秆处理方法。前文提到的玉米秸秆黄贮适用于枯黄的秸秆原料，同样适用于棉花秸秆的微贮处理。
由于棉花秸秆的木质化程度更高，通常要采用更加复杂的物理或化学方法进行预处理，之后再添加一定的微生物菌种和营养物质进行微贮发酵。影响微贮发酵效果的因素很多，包括温度、湿度、密封条件、微生物种类、营养物质、原料碳氮比等[24]。
微贮发酵后的棉秆质地柔软、酸醇，适口性明显提高。
在棉秆微贮饲料化研究中，常用的菌种有L（＋）型乳酸菌、枯草芽孢杆菌、酵母菌等[16]。
乳酸菌能够降低棉秆中的纤维素和半纤维素含量，将可溶性糖类物质转化为更容易被消化吸收的有机酸，提高饲料的营养价值和适口性， 增强动物的肠胃免疫力；
芽孢杆菌可产生纤维素酶和葡萄糖酶，促进大分子糖类物质的分解，还能通过产生细菌素来抑制一些有害霉菌的滋生，维持发酵过程的稳定；
酵母菌能够分泌纤维素酶、蛋白酶等多种胞外酶，提高动物对饲料的消化效率。
研究发现，特定的芽孢杆菌和酵母菌还可以大幅度降低棉秆中游离棉酚的含量[25]。所以，在具体的棉秆微贮实践中，应该根据原料组分的不同选择合适的微生物菌株。
3.3 棉秆饲料化技术研发思路
综上所述， 棉秆饲料化技术已有较多研究，并取得了一定的进展；
但大多是采用单一的技术和处理方式，无法将棉秆制成理想的优质饲料，因而对于棉秆饲料化的复合或组合技术的研究值得开展。如果能建立一套完整的棉秆饲料化技术体系，利用多种技术复合或组合处理，比如将汽爆、氨化、硫酸亚铁等处理技术进行组合，即在汽爆前将破碎的棉秆与尿素、硫酸亚铁充分混合，通过汽爆作用实现木质素与纤维素分离、纤维束解束、尿素与棉秆组织成分深度融合、尿素和二价铁离子与棉酚充分接触和反应等多重目的，之后将经上述处理的棉秆微贮，就可以提高棉秆饲料化的效率，使棉秆饲料化的价值进一步提高。
我国的棉花秸秆资源丰富， 分布相对集中，棉秆饲料化的前景广阔。目前已有的棉秆饲料化处理技术因成本较高、技术单一而无法实现优质饲料化的目的，国内还没有成熟的、可以大规模推广的棉秆饲料化生产工艺。
因此，笔者团队在分析目前常用技术优缺点的基础上，针对棉秆饲料化中存在的2 个主要难点（木质素与游离棉酚含量过高）提出了复合或组合技术（膨化处理与氨化处理、硫酸亚铁处理和微贮处理相结合）的思路，以期实现木质素与纤维素分离、纤维束解束、尿素与棉秆组织成分深度融合、 尿素和铁离子与棉酚充分接触和反应、微生物发酵等多重目的，从而在不大幅增加成本的同时提高棉秆的饲料化价值。
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