CN111903842B

CN111903842B - 一种沙棘枝干饲料的制备方法

Info

Publication number: CN111903842B
Application number: CN202010724848.4A
Authority: CN
Inventors: 和立文; 陈晓阳; 张庆; 周玮; 骈瑞琪
Original assignee: South China Agricultural University
Current assignee: South China Agricultural University
Priority date: 2020-07-24
Filing date: 2020-07-24
Publication date: 2023-01-13
Anticipated expiration: 2040-07-24
Also published as: CN111903842A

Abstract

本发明公开了一种沙棘枝干饲料的制备方法。本发明方法，包括以下步骤：a.粉碎沙棘枝干：晾干沙棘，剔除叶子后将沙棘枝干粉碎过筛，得粉碎的沙棘枝干；b.汽爆：将粉碎的沙棘枝干装填入汽爆装置中，汽爆处理，得汽爆沙棘枝干；c.氧化钙碱化：将汽爆沙棘枝干的含水量调至适宜，然后加入氧化钙并混合均匀，压实密封保存。该方法主要适用于沙棘枝干等纤维性原料的饲料化加工与贮存。采用本发明的方法加工处理的沙棘枝干饲料质地柔软，酶解消化率和糖化产率大幅度提高，同时也是一种呈弱碱性的高钙饲料，该方法实现了高木质纤维素原料饲料化利用加工与贮存一体化，绿色经济。

Description

一种沙棘枝干饲料的制备方法

技术领域

本发明属于饲料加工技术领域，具体涉及一种沙棘枝干饲料的制备方法。

背景技术

沙棘因抗逆性强、耐旱、耐盐碱等特点而被广泛用作生态修复和荒漠绿化树种。沙棘分布广泛，地上部分生物量大，定期平茬复壮产生的“废弃物”产量巨大，急需妥善处理；与此同时，饲草料资源短缺是制约现代畜牧业高效可持续发展的重要因素，若将沙棘枝干进行饲料化加工利用将是“变废为宝”的重要举措。

沙棘枝干木质化程度高，木质素含量超过20％，木质纤维素总量在85％左右，质地硬实，难以为动物采食利用。因此，破坏木质纤维素理化结构是沙棘枝干饲料化利用的首要问题。

粗饲料加工方法大致可分物理方法、化学方法和生物学方法。目前，单一的加工方法很难达到比较理想的处理效果，通常存在提升效果有限、环境污染风险大、经济可行性低等问题。因此，需要联合多种加工方法，合理配置加工工艺，探索经济可行、环境友好的粗饲料加工方案。

蒸汽***技术(汽爆)是一种绿色的生物质加工方法，通过高温高压蒸煮和瞬间喷爆作用可高效破坏木质纤维素的形态结构，使半纤维素大量降解，显著提高木质纤维素材料的利用率，在生物质能源、制浆工业、工业材料等领域得到充分证明及应用，但汽爆加工对木质素的结构和含量的影响十分有限。同时，碱化处理可以切断酯键、醚键、氢键，破坏木质素结构，使木质纤维素结构膨胀，降低原料抗性，提高木质纤维素材料的生物转化效率，是常用的木质素脱除方法。与氢氧化钠、氢氧化钾等碱试剂相比，氧化钙价格更便宜，使用更安全，氧化钙碱化技术在作物秸秆饲料化利用中早已得到应用和推广。但目前为止，联合汽爆加工和氧化钙碱化技术应用于饲料加工还未见报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中沙棘枝干饲料化利用中的上述问题，提供一种沙棘枝干饲料的制备方法，是一种可以高效破坏沙棘枝干理化结构并大幅度提高其饲料利用价值的汽爆和氧化钙碱化联合饲料化加工方法。该沙棘枝干饲料化汽爆和碱化联合加工方法是，用木材粉碎机将沙棘枝干进行初步切短粉碎，所得材料经汽爆加工处理后与一定量的氧化钙混合均匀，然后进行压实密封保存，使沙棘枝干的饲用价值得到大幅度提高并可以长期保存。

本发明的沙棘枝干饲料的制备方法，包括以下步骤：

a.粉碎沙棘枝干：晾干沙棘，剔除叶子后将沙棘枝干粉碎过筛，得粉碎的沙棘枝干；

b.汽爆：将粉碎的沙棘枝干装填入汽爆装置中，汽爆处理，得汽爆沙棘枝干；

c.氧化钙碱化：将汽爆沙棘枝干的含水量调至适宜，然后加入氧化钙并混合均匀，压实密封保存。

优选，所述的步骤a的过筛，是过2cm筛。

优选，所述的步骤a的粉碎，是利用T-420木材粉碎机粉碎。

优选，所述的粉碎的沙棘枝干的干物质含量为90.05％。

优选，所述的步骤b的汽爆装置，其容积5L，最大压强4.0MPa。

优选，所述的步骤b的汽爆处理，具体条件为：压强1.5MPa、保压时间20min。

优选，所述的步骤c，是加水使汽爆沙棘枝干的含水量达到饱和，然后按加水后的汽爆沙棘枝干总质量的2％加入氧化钙并混合均匀，压实密封保存至少90天。此步骤中，汽爆沙棘枝干的含水量尽可能最大但不能有自由水流出，使物料复水接近饱和状态，高水分有利于碱化。

优选，所述的步骤c，加水使汽爆沙棘枝干的含水量调至65％。

本发明的方法适用于沙棘枝干饲料化加工贮存，同时也适用于其他木质纤维素原料的饲料化加工利用。

本发明的有益效果：本发明方法通过汽爆加工和氧化钙碱化联合技术得到的沙棘枝干饲料质地柔软，将近80％半纤维素发生降解，酶解糖化产率大幅度提高(水溶性碳水化合物WSC产量：未处理的为66.01mg/g DM，处理后的333.50mg/g DM)，饲用价值显著改善。用该方法可以将林业副产物变废为宝，将饲料加工与贮存一体化，绿色环保，经济可行，可生产一种弱碱性的高钙粗饲料。

附图说明

图1是沙棘枝干汽爆加工前后的扫描电镜图(3000×)，在压强1.5MPa和保压时间20min条件下处理的汽爆沙棘枝干相对于未经处理的沙棘枝干原料，该汽爆方法可以明显改变沙棘枝干的物理结构，光滑硬实的表面变得蓬松碎屑化，增大物料表面积。

图2是沙棘枝干汽爆加工和氧化钙碱化联合处理前后的木质纤维素组分含量，其中Control是沙棘枝干原料，Treatment是在压强1.5MPa和保压时间20min条件下处理的汽爆沙棘枝干并添加2％氧化钙；该处理方法可以大幅度降低沙棘枝干的中性洗涤纤维(NDF)含量，将近80％半纤维素(HC)发生降解。

图3是沙棘枝干汽爆加工和氧化钙碱化联合处理前后的纤维素酶解动态曲线，其中Control是沙棘枝干原料，Treatment是在压强1.5MPa和保压时间20min条件下处理的汽爆沙棘枝干并添加2％氧化钙；该处理方法可以明显提高沙棘枝干的酶解速率和糖化产率(水溶性碳水化合物WSC产量：66.01vs 333.50mg/g DM)。

图4是不同汽爆加工参数对沙棘枝干表面结构的影响(SEM 3000×)，图中标注的名称和序号与表2中的名称和序号对应。

图5是汽爆加工和不同含量氧化钙碱化对沙棘枝干体外酶解糖化WSC累积产量的影响；RM：沙棘枝干原料，SE：汽爆沙棘枝干，WSC：水溶性碳水化合物。

具体实施方式

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

实施例1：不同加工参数组合对汽爆沙棘枝干理化特性的影响

(1)粉碎的沙棘枝干的制备：

将平茬的全株沙棘自然晾晒风干(干物质含量90％左右)，枝叶分离剔除叶子，然后利用T-420木材粉碎机(广州民丰农业机械有限公司)将沙棘枝干粉碎过2cm筛，得到粉碎的沙棘枝干(干物质含量90.05％)。

(2)沙棘枝干汽爆加工：

利用特制的汽爆装置(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室自主设计的BL-08型实验室移动式***器，并列两罐，每个容积5L，最大压强4.0MPa)对步骤(1)获得的粉碎的沙棘枝干原料进行加工，主要考虑压强、保压时间、原料含水量等因素的影响，具体汽爆加工参数组合如表1，每个加工组合进行三次重复(一个重复每次加工处理1000g原料)加工试验并分别取样分析。对未经任何汽爆加工处理的粉碎沙棘枝干原料、参照表1中对应序号的汽爆加工参数组合处理粉碎沙棘枝干原料后的产物进行木质纤维素组分含量测定，对应的结果如表2所示。

加工效果分析：试验结果表明，在各个汽爆参数组合条件下获得的汽爆沙棘枝干的形态结构(图4)和木质纤维素组分(表2)有很大的差别。在相同压强条件下，保压时间越长则沙棘枝干的表面结构受破坏程度越大，半纤维素(HC)降解量和水溶性碳水化合物(WSC)产量越大，汽爆料的pH值越低；在相同保压时间条件下，汽爆压强越大则沙棘枝干的表面结构受破坏程度越大，半纤维素降解量和水溶性碳水化合物产量越大，汽爆料的pH值越低。由图4可以看出，在压强1.5MPa和保压时间20min及原料干物质含量90.05％和不添加氧化钙浸渍条件下(对应于表1、表2、图4中序号5，图1对应为细节高清图)加工所得汽爆沙棘枝干的表面结构受破坏最明显，同时由表2可以看出，该处理条件下所得汽爆沙棘枝干饲料的中性洗涤纤维(NDF)和半纤维素(降解率接近80％)含量最低(图2)，水溶性碳水化合物(WSC)含量最高，达3.70％(表2、图3)。此外，原料高含水量和氧化钙浸渍对汽爆加工效果均无积极影响。综合比较不同加工参数加工后沙棘枝干理化结构特性，最终选择压强1.5MPa和保压时间20min为最佳汽爆加工参数组合且原料不进行复水处理和添加氧化钙。

表1汽爆加工参数组合

备注：R₀＝t*exp((T-100)/14.75)

表2不同汽爆加工参数对沙棘枝干木质纤维素组分含量的影响

备注：NDF：中性洗涤纤维；ADF：酸性洗涤纤维；ADL：酸性洗涤木质素；WSC：水溶性碳水化合物。

实施例2：不同氧化钙添加水平对汽爆沙棘枝干贮存特性的影响

(1)沙棘枝干汽爆加工：

将按照实施例1步骤(1)中制备的粉碎的沙棘枝干(干物质含量90.05％)投放到汽爆装置中，以最适汽爆加工参数(压强1.5MPa，保压时间20min，无预浸无添加剂)进行汽爆加工，获得汽爆沙棘枝干。

(2)汽爆沙棘枝干碱化：

添加水调节汽爆沙棘枝干水分含量至65％(接近饱和)，然后按湿料总质量的不同质量比例(0、2％、4％)添加氧化钙，搅拌均匀，最后袋装压实密封，室温存放3个月(对应为表3、表4中的汽爆料)。作为对比，以按照实施例1步骤(1)中制备的粉碎的沙棘枝干(干物质含量90.05％)原料添加水调节水分含量至65％，然后按不同质量比例(0、2％、4％)添加氧化钙，搅拌均匀，最后袋装压实密封，室温存放3个月(对应为表3、表4中的原料)。对上述处理后的沙棘枝干厌氧贮存特性相关指标进行测定，结果如表3所示；对上述处理后的沙棘枝干的木质纤维素组分进行测定，结果如表4所示(表3、表4中，P值<0.05表示有显著差异，P值<0.01表示有极显著差异)。对上述处理后的沙棘枝干利用纤维素水解复合酶液SAE0020(Sigma，酶活性为120FPU/mL)和β-葡萄糖苷酶(苦杏仁来源，酶活性为30CBU/mg)进行体外酶解糖化动态分析：固液比5％，缓冲液为柠檬酸-柠檬酸钠溶液(pH 4.8)，酶浓度为20FPU/g和15CBU/g底物，摇床设定转速180r/min和温度50℃，定期采样测定不同时间点(0、12、24、36、48、60、72h)的累积水溶性碳水化合物产量并绘制酶解糖化曲线，结果如图5所示。

加工效果分析：试验结果表明，氧化钙碱化提高了沙棘枝干pH值(表3)，降低氨态氮含量，但没有抑制有机酸的生成，没有出现霉变现象，氧化钙厌氧碱化可以长期保存；经过汽爆加工和氧化钙碱化后，沙棘枝干的纤维素和半纤维素含量(表4)显著减少，将近80％半纤维发生降解。由图5可知，无论与原料相比还是与单一处理(汽爆或氧化钙碱化)相比，沙棘枝干经过汽爆加工和氧化钙碱化处理后的酶解糖化速率和产量都有显著的提高，其中氧化钙2％添加量与4％添加量的效果几乎相当，因此认为氧化钙的适宜添加量为2％。

综上所述，沙棘枝干经过汽爆加工和氧化钙碱化处理后，木质纤维素的物理结构和组分含量发生明显变化，呈棕褐色细丝状，半纤维含量减少近80％，体外酶解糖化72h水溶性碳水化合物产量增加了近4倍(图3，沙棘枝干原料为66.01mg/g DM，汽爆沙棘枝干并添加2％氧化钙处理的为333.50mg/g DM)，大幅度提高沙棘枝干的饲用价值。

表3汽爆加工和氧化钙碱化对沙棘枝干厌氧贮存特性的影响

表4汽爆加工和氧化钙碱化对沙棘枝干木质纤维素组分的影响

Claims

1.一种沙棘枝干饲料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

b.汽爆：将粉碎的沙棘枝干装填入汽爆装置中，汽爆处理，得汽爆沙棘枝干；所述的汽爆装置，其容积5L，最大压强4.0Mpa；所述的汽爆处理条件为：压强1.5MPa、保压时间20min；

c.氧化钙碱化：加水使汽爆沙棘枝干的含水量调至65％，然后按加水后的汽爆沙棘枝干总质量的2％加入氧化钙并混合均匀，压实密封保存至少90天。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤a的过筛是过2cm筛。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤a的粉碎是利用T-420木材粉碎机粉碎。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的粉碎的沙棘枝干的干物质含量为90.05％。