一种油菜秸秆黄贮饲料化方法
阅读说明：本技术 一种油菜秸秆黄贮饲料化方法 (Method for converting rape straw into yellow storage feed ) 是由 伍玉鹏 王砚 王亦闻 李欣欣 胡荣桂 石祖梁 于 2021-01-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种油菜秸秆黄贮饲料化方法,具体是好氧-厌氧分段式饲料化方法,针对油菜秸秆饲料化的限制因子,利用筛选的特异性秸秆腐解剂在好氧条件下打破油菜秸秆中木质素-纤维素-半纤维素复合体结构,随后再利用酶菌复合剂进行厌氧黄贮发酵。该方法通过预先释放主要贮藏在秸秆中心茎髓里的营养物质,显著改善了乳酸菌厌氧发酵产酸作用效果,缩短了油菜秸秆黄贮时间,提高了油菜秸秆黄贮质量。(The invention discloses a method for converting rape straw into yellow-stored feed, in particular to an aerobic-anaerobic sectional type feed conversion method, aiming at limiting factors of rape straw feed conversion, a screened specific straw decomposition agent is utilized to break a lignin-cellulose-hemicellulose complex structure in rape straw under an aerobic condition, and then an enzyme-bacterium complexing agent is utilized to perform anaerobic yellow-stored fermentation. The method has the advantages that by releasing the nutrient substances mainly stored in the central stem pith of the straws in advance, the acid production effect of the lactobacillus anaerobic fermentation is obviously improved, the yellow storage time of the rape straws is shortened, and the yellow storage quality of the rape straws is improved.)
技术领域
本发明涉及秸秆发酵处理技术领域，主要涉及一种好氧-厌氧分段式油菜秸秆黄贮饲料化的方法。
背景技术
饲料化是实现秸秆资源利用的重要方式之一，也是解决我国畜牧业粗饲料来源的主要途径。近年来，我国油菜种植面积逐年上升，2016年我国油菜种植面积已达710万hm2，油菜秸秆年产量达3780万t。油菜秸秆粗蛋白、粗脂肪含量比小麦、玉米和大豆等作物秸秆的含量都要高，是畜牧粗饲料的良好来源。
黄贮是在秸秆中添加适量水和生物菌剂，压实以后封装储存，利用微生物厌氧发酵产酸，软化秸秆，提高饲料营养价值的一种技术。乳酸菌是最主要的菌剂，在厌氧发酵环境中，乳酸菌大量繁殖从而将饲料中的淀粉和可溶性糖变成乳酸，降低pH，抑制有害细菌生长，提高发酵饲料质量。此外，酶制剂也常应用于黄贮，以促进植物细胞壁中木质纤维素的降解。
小麦、玉米和大豆等作物秸秆黄贮后均能获得较好质量的饲料，但油菜秸秆黄贮效果往往较差。这要归结于油菜秸秆自身的化学特性和物理特性。首先，油菜秸秆中的纤维素和木质素含量达53％和19％，远远高于其它秸秆。其次，油菜秸秆中的淀粉、可溶性糖等营养物质主要贮藏在由表皮、表层包裹的中心茎髓里，而表皮、表层中纤维素、半纤维素、木质素以多种化学键连接形成了稳定和复杂的结构，形成了酶解抗性屏障。这使得酶制剂面对油菜秸秆表皮力不从心，乳酸菌很难充分接触到淀粉并发挥作用，无法达到调制高质量发酵饲料的目的。因此，目前油菜秸秆很少用作黄贮饲料，这极大的限制了油菜秸秆的饲料化利用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种好氧-厌氧分段式油菜秸秆黄贮饲料化的方法。该方法在乳酸菌发挥作用前，在好氧条件下利用制备的秸秆腐解剂进行预处理，打破油菜秸秆黄贮中存在的限制因子，以提高油菜秸秆黄贮效率和发酵品质。
为实现上述目的，本发明使用了以下技术方案：
一种油菜秸秆黄贮饲料化方法，该方法包括以下步骤：
1)将油菜秸秆切碎至2-5cm，按照重量比添加0.1-1％尿素、0.05-0.5％腐解剂，0.1-1％红糖，调节含水率至60-70％，在45-55℃条件下好氧发酵6-8天，
所述腐解剂含有以下成分：枯草芽孢杆菌100-400亿cfu/g，黑曲霉0.1-0.4亿cfu/g，短小芽孢杆菌10-50亿cfu/g，酵母菌1-5亿cfu/g，地衣芽孢杆菌10-20亿cfu/g；
2)将好氧发酵后的油菜秸秆摊开降温并放氨，然后按照重量比添加0.5-3％酶菌复合剂，调节含水率至60-70％，压实密封进行厌氧发酵，维持33-36天后获得油菜秸秆黄贮饲料，
每克所述酶菌复合剂含有以下成分：植物乳杆菌10-20亿cfu/g，布氏乳杆菌5-10亿cfu/g，纤维素酶及β-葡聚糖酶共0.6-0.8g。
优选地，所述腐解剂的添加量为油菜秸秆重量的0.2％。
优选地，所述好氧发酵是在50℃条件下进行，发酵时间为7天。
优选地，所述酶菌复合剂的添加量为油菜秸秆重量的1％。
优选地，所述厌氧发酵的时间为33天。
本发明提供的方法具有以下显著优势：
(1)油菜秸秆高木质纤维素含量及油菜秸秆表皮、表层中纤维素、半纤维素、木质素形成的酶解抗性屏障是限制油菜秸秆黄贮利用的主要因子。本发明在常规黄贮前利用筛选的特异性好氧微生物打破这一屏障，释放油菜秸秆中心茎髓中的营养物质，极大的促进了后续厌氧黄贮效率和发酵品质。本发明提供的方法靶向作用于油菜秸秆饲用限制性因子，针对性极强。
(2)已有的研究表明，木质素最初的裂解需要分子氧的存在，因此没有经过处理的木质素不能在厌氧环境下被微生物降解。真菌、放线菌、细菌等微生物可以在好氧条件下降解木质素，传统黄贮利用这些微生物产生的胞外酶在厌氧条件下降解木质纤维素，但效果远不及微生物在好氧条件下的直接作用，尤其是面对油菜秸秆时更显得无能为力。本发明打破传统厌氧黄贮流程，在前端加入好氧处理环节，结合筛选的特异性微生物菌群，相比传统黄贮能够显著提高的木质纤维素降解效率。
(3)本发明利用微生物打破油菜秸秆黄贮中存在的限制因子，相比化学方法、物理方法，本发明具有环境友好、能耗低、成本低等优势。
(4)本发明通过严格控制好氧发酵阶段的温度、时间及各物质的添加比例，在达到破坏秸秆木质纤维素结构的前提下，最大化的减少N素损失，保留秸秆营养。
(5)本发明通过加入好氧预处理步骤促进后续的厌氧黄贮流程，相比传统黄贮，整体上缩短了油菜秸秆黄贮饲料化的时间，显著提高了油菜秸秆黄贮质量。
附图说明
图1是不同处理方法制备的油菜秸秆黄贮饲料的结构表征图，图中，A：SEM图；B：红外光谱图；C：XRD图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述，以便本领域技术人员更好地理解本发明。
实施例1
1000kg油菜秸秆切碎至2-5cm，按照重量比添加0.5％尿素、0.2％腐解剂，0.5％红糖，调节含水率至65％，进行好氧发酵处理。其中的腐解剂含有以下成分：枯草芽孢杆菌200亿cfu/g，黑曲霉0.1亿cfu/g，短小芽孢杆菌20亿cfu/g，酵母菌2亿cfu/g，地衣芽孢杆菌10亿cfu/g(其余为少量载体)。需在油菜秸秆堆体外部设置保温措施，在油菜秸秆堆体底部设置十字交叉型通气沟。对油菜秸秆堆体进行温度监测，好氧发酵开始2-3天堆体即升温至50℃以上，若油菜堆体温度高于55℃，通过翻堆降温。
秸秆堆体在50℃维持7天后将油菜秸秆摊开降温并放氨，随后按照重量比添加1％酶菌复合剂。每克酶菌复合剂含有：植物乳杆菌13亿cfu/g，布氏乳杆菌5亿cfu/g，纤维素酶0.3g，β-葡聚糖酶0.4g(其余为少量载体)。调节含水率至65％，压实密封进入厌氧发酵阶段，维持33天后获得油菜秸秆黄贮饲料。
实施例2
1000kg油菜秸秆切碎至2-5cm，按照重量比添加0.2％尿素、0.5％腐解剂，0.1％红糖，调节含水率至60％，进行好氧发酵处理。其中的腐解剂含有以下成分：枯草芽孢杆菌100亿cfu/g，黑曲霉0.4亿cfu/g，短小芽孢杆菌50亿cfu/g，酵母菌5亿cfu/g，地衣芽孢杆菌10亿cfu/g。
秸秆堆体在50℃维持7天后将油菜秸秆摊开降温并放氨，随后按照重量比添加2％酶菌复合剂。每克酶菌复合剂含有：植物乳杆菌20亿cfu/g，布氏乳杆菌5亿cfu/g，纤维素酶0.5g，β-葡聚糖酶0.2g。调节含水率至60％，压实密封进入厌氧发酵阶段，维持33天后获得油菜秸秆黄贮饲料。
实施例3
1000kg油菜秸秆切碎至2-5cm，按照重量比添加0.8％尿素、0.1％腐解剂，1％红糖，调节含水率至70％，进行好氧发酵处理。其中的腐解剂含有以下成分：枯草芽孢杆菌400亿cfu/g，黑曲霉0.2亿cfu/g，短小芽孢杆菌10亿cfu/g，酵母菌1亿cfu/g，地衣芽孢杆菌20亿cfu/g。
秸秆堆体在50℃维持7天后将油菜秸秆摊开降温并放氨，随后按照重量比添加0.5％酶菌复合剂。每克酶菌复合剂含有：植物乳杆菌10亿cfu/g，布氏乳杆菌10亿cfu/g，纤维素酶0.2g，β-葡聚糖酶0.6g。调节含水率至70％，压实密封进入厌氧发酵阶段，维持33天后获得油菜秸秆黄贮饲料。
与此同时利用市售黄贮饲料发酵菌种开展油菜秸秆传统黄贮发酵。按照市售黄贮饲料发酵菌种说明书，1000kg油菜秸秆切碎至2-5cm，按照重量比添加1％市售黄贮饲料发酵菌种，调节含水率约65％，压实密封维持40天后获得油菜秸秆黄贮饲料。
分别对油菜秸秆原料(原样)、经过7天好氧发酵处理的油菜秸秆(T7d)及经过好氧-厌氧分段式发酵处理后的油菜秸秆(T40d)、利用传统黄贮技术处理后的油菜秸秆(CK40d)进行取样。用超高分辨率场发射扫描电子显微镜进行电镜扫描(SEM)，用FTIR光谱仪进行红外光谱(IR)分析，用X射线衍射仪进行X-射线衍射(XRD)，分析各样品结构表征。
电镜扫描图(图1A)显示，自然风干后的油菜秸秆细胞壁结构清晰，结构紧密有序，几乎没有孔洞的存在。传统黄贮技术处理后的油菜秸秆(CK40d)虽然内部结构变得疏松，但仍可清晰观察到油菜秸秆细胞壁紧密的结构。在好氧-厌氧分段式发酵处理流程中，经过7天好氧发酵处理的油菜秸秆(T7d)可以很明显观察到油菜秸秆表面出现塌陷，并且细胞壁有褶皱和破损，出现孔洞，比表面积增加；经过好氧-厌氧分段式发酵处理后的油菜秸秆(T40d)结构变得十分松散，表层被层层剥离，蜡质层下的表皮结构也已经被暴露出来。
红外光谱图(图1B)显示。经过7天好氧发酵处理的油菜秸秆(T7d)相比秸秆原样明显降低了3400cm-1羟基峰强度，经过好氧-厌氧分段式发酵处理后的油菜秸秆(T40d)饲料羟基峰强度进一步降低。而传统黄贮技术处理后的油菜秸秆(CK40d)与秸秆原样相比羟基峰强度则没有明显变化。这说明秸秆腐熟剂下的好氧预处理能有效打破纤维素和半纤维素中的氢键，使其结构破坏，增加纤维素酶的可及度，促进纤维素和半纤维素的降解。2915cm-1和2853cm-1处的峰属于木质素中饱和脂肪族-CH2-基团中的C-H反对称伸缩振动，主要来自于油菜秸秆蜡质层中的脂肪族化合物。相比传统黄贮技术处理后的油菜秸秆(CK40d)，经过7天好氧发酵处理的油菜秸秆(T7d)在2915cm-1和2853cm-1处的峰强度明显降低，表明好氧预处理黄贮能有效去除油菜秸秆表面的亲脂性物质。1200cm-1～1000cm-1之间为半纤维素的典型信号峰，1600cm-1、1511cm-1、1462cm-1处是木质素的特征吸收峰。经过好氧-厌氧分段式发酵处理后的油菜秸秆(T40d)饲料在此处的峰值明显降低，说明好氧预处理促进了后续厌氧处理过程中纤维素和木质素的降解。
XRD图谱(图1C)显示，油菜秸秆经过不同处理后，其X射线衍射峰位基本没有发生改变，但是峰强却有变化。在15°-20°和22.5°处均有纤维素的结晶衍射峰，但经过7天好氧发酵处理的油菜秸秆(T7d)及经过好氧-厌氧分段式发酵处理后的油菜秸秆(T40d)在此处的结晶衍射峰强度明显低于秸秆原样和利用传统黄贮技术处理后的油菜秸秆(CK40d)。这意味着纤维中的无定形区及结晶区表面经处理后结构被破坏，说明好氧预处理对纤维素的结晶程度破坏程度最大，物质结构变化最为明显。
整体来看，图1说明本发明中好氧处理虽然未直接降解木质纤维素，但改变了油菜秸秆纤维的内部结构，使纤维之间的氢键结合变弱，同时也打断了木质素与纤维素和半纤维素之间的酯键，破坏木质化纤维的镶嵌结构，有利于淀粉等营养物质的释放，这为后续的厌氧黄贮提供了有利的条件。
对采用本发明方法制备的油菜秸秆饲料(T40d)和传统黄贮技术制备的油菜秸秆饲料(CK40d)进行取样，测定其感官品质和发酵品质。结果如表1和表2所示。
表1不同方法制备的油菜秸秆黄贮饲料感官品质指标
从表1中的结果可以看出，两种发酵技术制备的油菜秸秆黄贮饲料总体感官品质差异不大，但好氧-厌氧分段式发酵制备的饲料颜色更深，口感更酸，质地更软，因此适口性更好。
表2不同方法制备的油菜秸秆黄贮饲料发酵品质指标
注：T40d-1、T40d-2、T40d-3分别代表实施例1、2、3。
从表2中的结果可以看出，采用分段式发酵制备的黄贮饲料DM(饲料干物质量)、NDF(饲料中性纤维素含量)、ADF(饲料酸性纤维素含量)均比传统黄贮方法(CK40d)制备的饲料更低，尤其是ADF最低可达53.4％，与传统方法相比差异显著，说明本发明方法有效降解了油菜秸秆中的粗纤维。同时，采用分段式发酵制备的黄贮饲料WSC(饲料可溶性碳水化合物含量)显著高于传统黄贮方法制备的饲料，CP(饲料粗蛋白含量)也略高于传统黄贮方法制备的饲料，说明本发明方法提高了油菜秸秆黄贮饲料中的营养物质含量。其中，实施例1的综合效果要优于其它两个实施例。