基于棉稈的全混日糧制備工藝技術研究

吳德勝，劉廷發，譚榮英，李鵬(中國農業機械化科學研究院，北京 100083)

基于棉稈的全混日糧制備工藝技術研究

吳德勝，劉廷發，譚榮英，李鵬
(中國農業機械化科學研究院，北京 100083)

針對我國畜牧業發展迅速、飼料需求量日益增加、人畜爭糧局面不斷發展的現狀，研究以先進的微生物技術為基礎，利用破碎后的棉稈等粗飼料作為發酵主體，玉米粉等作為能量飼料，添加一定量的水和微生物菌劑，采用厭氧發酵技術制備反芻動物全混合日糧（TMR）的工藝方案。同時開發出一組用于棉稈資源飼料化利用的新設備、新技術，為解決我國養殖行業飼料來源過度依賴糧食，秸稈資源長期閑置、處理困難等問題提供了有效的解決辦法。

棉稈；全混日糧；工藝方案；設備

近年來，隨著我國畜牧業尤其是反芻動物養殖規?；难该桶l展，對于飼料的需求量逐年升高，由于目前飼料行業對于糧食的過度依賴，導致出現了人畜爭糧和飼料成本奇高的局面。因此，黨中央和國務院已把“利用農作物秸稈開發節糧型飼料發展畜牧生產”定為我國今后飼料和養殖業的發展方向。我國農作物秸稈資源非常豐富，每年農作物秸稈產量可達8億t以上[1]，然而，目前農作物秸稈中僅有不足10%用于飼料加工，其余的大部分秸稈被用作燒柴做飯，或在田間直接焚燒，不僅造成嚴重的資源浪費，而且污染環境。

我國是世界上最大的棉花生產國，具有豐富的棉花秸稈資源。棉稈作為農業副產品，是非常寶貴的生物資源，與其他農作物秸稈相比，棉稈含有較多的粗蛋白[2]，具有較高的飼用價值。然而，棉稈中同時含有較多的纖維素、木質素等，適口性較差，動物對其消化率率不高，而且棉稈中含有具有毒性的游離棉酚，極大地限制了其飼料化應用。實踐證明：通過科學的發酵工藝加工處理棉稈來制作飼料，可以使粗蛋白水平提高5%，纖維素降解6.8%，同時棉酚含量可降低到40mg/kg左右，降解率達到49%[3]，不僅降低了有毒物質對棉稈飼料化利用的限制，更提高了其本身的營養價值。加大棉稈的飼料化利用，既能充分利用現有豐富的秸稈資源，避免秸稈焚燒等對環境造成的污染，同時又節省飼料糧食，對于促進我國畜牧行業健康發展、緩解飼料過度用糧局面具有積極意義。

1 棉稈資源飼料化利用工藝方案

秸稈資源轉化為飼料的具體方法按照加工原理不同，可分為物理處理法、化學處理法和生物處理法[4]。其中生物處理法以其安全可靠、環保無污染、設備能耗較低等特點，成為目前秸稈飼料化利用的研究重點。

本工藝方案以先進的微生物技術為基礎，利用破碎后的棉稈等粗飼料作為發酵主體，膨脹玉米等作為能量飼料，添加一定量的水和微生物菌劑，采用厭氧發酵技術制備反芻動物全混日糧（TMR）。其工藝路線如圖1所示。

按照TMR營養要求，將破碎后的棉稈（長度＜5cm）、膨脹加工后的玉米、菌劑和水按照一定比例混合均勻后形成發酵物料，通過緩存輸送裝置輸送至壓捆打包設備中進行打包操作，物料經過打包密封后形成厭氧環境，在常溫條件下進行厭氧發酵。厭氧發酵過程主要包括：通過微生物的自身生長繁殖和代謝活動，將物料中所含有的不易被動物消化吸收的纖維素、半纖維素等物質有效降解為小分子糖類，如葡萄糖、果糖等；經過特殊的微生物轉化，合成多種氨基酸、菌體蛋白、脂肪酸及維生素等生理活性物質，產生醇、酸、酯等風味物質，改善秸稈的適口性和營養價值，滿足畜禽動物對能量和各種營養物質的需要；棉稈中含有的有害物質棉酚在微生物的作用下被降解脫毒，保證了飼養過程的安全。

利用本工藝方案在厭氧條件下制備的反芻動物全價飼料營養均衡，改善了動物采食的適口性，能夠促進動物對飼料的消化吸收，有利于提高反芻動物的肉奶產量。生產過程綠色無污染，有效提高了棉桿的利用價值，拓寬了反芻動物粗飼料來源，節省了養殖飼料成本。

圖1 棉稈飼料化工藝流程圖

2 設備選型與工藝設計

2.1 收割粉碎系統

棉花秸稈是一種木質化程度較高、韌皮纖維豐富的硬秸稈，在進行飼料化利用之前，需要先經過揉搓粉碎，使秸稈長度≤5cm，才能進行進一步的加工處理。人工收獲棉花秸稈因勞動強度大、效率低，目前已逐漸被機械化收獲所取代。棉花秸稈機械收獲模式主要有兩種，一種為先使用棉稈拔取鋪條機將棉花秸稈連根拔出、順序鋪放后，再采用棉稈撿拾收獲機進行撿拾、打捆、裝運等后續操作的兩段式收獲法，另一種為使用棉稈聯合收割機進行低茬收割、強制輸送、揉搓切碎、自動卸料等全部收獲工作的一段式收獲法；一段式收獲方法因其工序簡單、操作簡便，收獲不受季節限制等優點受到越來越多用戶的認可。國內新疆中收農牧機械公司研制的9LRZ2.7自走式青黃貯秸稈收獲機[5]（圖2所示），可用于收獲麥秸、豆秸、棉稈、葵花稈、玉米秸稈和人工草場飼草等，該機型采用的新型揉切粉碎方式，與傳統的鍘切方式相比降低了動力消耗，解決了作物秸稈揉搓效果差的問題，提高了秸稈破節率，保證了標準草長率等主要參數[6]，其秸稈揉搓切碎功能能夠滿足棉稈資源飼料化利用對棉稈物理特性的要求。

圖2 9LRZ-2.7自走式青黃貯秸稈收獲機

2.2 精料膨脹加工系統

TMR中的精飼料主要以谷物和添加劑為主。我國精飼料多以玉米為主，其中含70%～75%的淀粉，是全混日糧中能量的主要來源，而玉米的淀粉分子聚集成致密的淀粉粒結構，含有抗酸、抗酶的晶體結構，不易于被消化酶消化，影響了動物的吸收利用，進而增加養殖成本。通過加熱（60～80℃）可以使玉米中的淀粉粒膨脹爆裂，變成一種塑性的熔融物質,在水中溶脹，形成均勻的糊狀溶液，稱為淀粉的變性或糊化。淀粉經過糊化后，便能夠被酶充分水解，進而被動物消化吸收[7]。目前，常用的玉米淀粉糊化方法包括蒸汽壓片法和膨脹加工法等。

蒸汽壓片法是指先將谷物經過蒸汽調質，使其膨脹、軟化，并調整含水率后，通過一對反向旋轉壓輥，碾壓成特定密度的谷物片的加工方法，雖然蒸汽壓片可以增加淀粉的糊化度，使玉米淀粉的消化率提高，但是使用蒸汽壓片法加工玉米的最適壓片密度較小，反芻動物食用后易引起瘤胃臌氣和酸中毒，同時蒸汽壓片法需要進行后續烘干，能耗較大，經濟性較低；膨脹加工法是指先利用調質器將粉碎后的玉米等進行調質處理，再使用膨脹器對調制后的原料進行膨脹加工，最后經過冷卻制成膨脹飼料的加工方法，其主要工作原理是通過對谷物施以高溫高壓然后減壓，利用物料本身的膨脹特性和其內部水分的瞬時蒸發（閃蒸），引起物料的組織結構和理化性能發生改變，使物料膨脹。精飼料經過膨脹加工后淀粉糊化度可提高至60%以上，玉米淀粉的消化率能夠提高10%～20%，并能顯著增加過瘤胃蛋白含量，而且膨脹產品密度比較適中，顆粒結構松散，比表面積大，增加了動物腸道消化酶或微生物作用的機會，同時幾乎不影響中性洗滌纖維的消化率。原料經過高溫高壓膨脹后，能有效滅菌去毒，擴展了原料資源。與蒸汽壓片加工工藝相比，膨脹加工的淀粉糊化度更高，更適于加工玉米、高粱等飼用谷物；其產品流動性好、密度高，適于工廠化生產；膨脹加工后含水率較低，無需干燥，能耗更低。目前膨脹加工法已廣泛被歐美（特別是歐洲）飼料廠用于加工反芻動物飼料[8]。

國內外許多飼料設備制造廠商均推出了精料膨脹加工設備，這其中具有代表性的有奧地利的ANDRITZ公司、德國的KAHL公司以及國內的中國農業機械化科學研究院中機華豐（北京）科技有限公司。國內中機華豐公司研發的EPS系列膨脹器和配套逆流冷卻系統對精飼料進行膨脹加工，能夠實現精飼料快速熟化、冷卻，系統整體結構緊湊，占地面積小。圖3所示為該公司研發生產的EPS系列膨脹器。

圖3 中機華豐（北京）科技有限公司生產的EPS系列膨脹器

2.3 配料計量混合設備的選擇

棉稈經收獲設備收獲后（收獲時粉碎過程已完成），或經人工收獲并經過揉搓切割后，與膨脹玉米、水和菌液等按一定比例計量并混合均勻，計量的準確性以及混合的均勻度對于后續厭氧發酵過程能否正常進行有很大的影響，因此必須選擇適合的配料計量混合設備，以保證棉稈資源飼料化利用的順利進行。

TMR攪拌設備能夠將精飼料、干草、青貯料等不同形狀、比重、重量的飼料按比例計量并均勻混合，其具有如下特點：對日糧各組分進行精確計量、混合、剪切和揉搓，改善了飼料的適口性；降低了工人的勞動強度，提高了勞動生產率；低質飼料可以被消化吸收，提高飼料利用率；使日糧營養均衡，提高肉奶產量。

使用TMR攪拌設備對棉稈、玉米等進行計量混合后能夠完全滿足后續厭氧發酵對物料組成成分比例和均勻性的要求。同時TMR攪拌設備還可以用于養殖場對日糧各組成成分進行攪拌、切割、混合和飼喂等操作，避免因棉花秸稈收獲的季節性而帶來的設備閑置問題。國內外具有代表性的TMR攪拌設備生產廠家有意大利的STORTI公司、法國的KUHN公司以及國內的華德牧草機械有限責任公司和中機華豐（北京）科技有限公司。圖4所示為中機華豐公司以及KUHN公司研發的TMR攪拌喂料車。

圖4 兩款TMR攪拌喂料車

TMR攪拌設備的配置可參考如下：

方案：按照每天生產80t發酵飼料計算，一般TMR攪拌設備批量工作混合周期節拍為上料:混合:卸料=10min:10min:10min，每0.5h可生產一批，以每天生產10h計，發酵飼料容重約為0.35t/m3，則需要配置容積為18m3的TMR攪拌設備1臺。

2.4 粗精飼料上料系統工藝設計

根據一般TMR攪拌設備批量工作混合周期節拍計算，上料階段10min內需將15m3的棉桿和精飼料依次輸送到TMR攪拌設備內，如果要采用刮板或皮帶等輸送設備，小時產量要在90m3以上，設備投資太大，同時仍然要配人工投料，無法降低勞動強度；因此，可以選用裝載機上料，靈活、方便快捷，勞動強度低。

2.5 菌液添加系統工藝設計

棉稈厭氧發酵制備反芻動物全混日糧，含水率應控制在60%左右。棉稈在不同階段收獲的含水率變化較大，針對新疆地區，南疆和北疆又有所不同；南疆一般人工收獲，從秋天12月份開始到3月份結束，秋天的含水率一般在23%～24%，1、2、3月份的含水率一般在18%；北疆一般采用機收，大多在12月份開始40d內完成，棉稈的含水率一般在38%。因此，在加工制備反芻動物全混日糧過程中要根據情況加水調節物料濕度。

按棉稈發酵制備羊TMR計算：一般頭只日均采食飼料2kg，其中精飼料0.4kg，粗飼料1.6kg（棉稈70%、青貯20%、苜蓿10%）；精飼料含水率12%，青貯含水率65%，機收棉稈含水38%，苜蓿干草含水量14%。厭氧發酵控制含水率在60%，按上述配方計算需要加水1.23kg。

本方案設計批次產量4t、每小時加工兩批，含水率60%，按上述配方物料與添加水的重量比為2:1.23，則水添加量要達到40%，即批次水的添加量為1.6t，添加時間按4min計算，進水流量應在25m3/h以上；普通自來水一般按水流速度1.5m/s（壓力2kg）計算，通徑DN25（1”管）水管的供水流量為7～8m3/h，直聯到TMR攪拌機不能滿足供水要求；因此應設計流量25m3/h以上的供水系統，配套容量為3m3的水箱及水泵，通過稱重及控制系統完成批次配方加水量，滿足生產實際工藝要求。

本工藝所采用的發酵菌劑為水溶性液體，可將菌劑根據批量配方添加量一次添加到水箱里，通過加水系統一起將菌劑添加到混合系統里，實現菌劑的添加。

2.6 緩存輸料工藝設計與設備選型

圖 5 有機質緩沖喂料機

壓捆打包系統工作時，需要連續穩定地喂料，由于TMR攪拌設備的工作特點，物料每隔半小時卸料一次，無法滿足壓捆打包系統對于物料連續性的工作要求，需要選用相應的緩存輸料設備進行來料暫存、穩定輸料的操作。因國內目前尚無相應的設備可供選擇，中機華豐（北京）科技有限公司根據工藝要求設計制造了有機質緩沖喂料機（如圖5所示）。該設備最高可容納9m3的物料，同時能夠不間斷地向外輸送物料，既能在較短時間內接收上游設備傳來的大量物料，又能向下游設備持續穩定地輸出物料，將上下游設備不同的生產節拍有機地連接起來，確保了生產過程的持續性和整體性。

2.7 壓捆打包系統工藝設計

根據厭氧發酵條件要求，以及物料自身的特點，配料混合后的成品含水率約為60%，密度0.35t/m3，且含有大量長纖維，整體較為蓬松，流動性差，采用傳統的糧食包裝常規自動打包難以實現正常生產，故采用全混日糧專用壓捆打包系統，可有效解決因物料特性決定的打包難的問題，自動化程度高，勞動強度低。

圖6 全混日糧專用壓捆打包系統

該系統儲料輸送機接收緩存來料的同時將物料由中間輸送機均勻喂入到液壓壓捆機，在微電腦的控制下實現每捆50kg的壓捆工序，在壓捆機的卸料口人工套袋，料捆被推送到塑料包裝袋內后，人工扎包；為避免長途運輸時塑料袋破碎，在塑料袋外套1編織袋，編織袋采用人工縫包機封包。圖6為選用的全混日糧專用壓捆打包系統以及打包完成后的成品。

3 經濟性分析

目前，棉稈資源作為飼料利用較為普遍的工藝路線為棉花秸稈經由田間切割打捆后，運輸回養殖場或飼料加工廠，通過切割、粉碎、浸泡，并與其他種類的飼料混合后飼養動物或對外銷售。其中，棉稈的收割、撿拾、打捆和方捆裝車分別由人工或機械完成，人工操作勞動強度大、成本高，不適合大規模棉稈收獲作業。而使用機械作業則需分別購置相應的收割、撿拾、打捆和裝車設備，投資成本較高，而且，在撿拾打捆以及裝車過程中，棉稈植株上營養價值較高的棉桃殼、細枝莖和棉葉等部分容易脫落，造成了不必要的資源浪費和營養損失。同時，由于棉稈中的粗纖維和木質素含量較高，適口性較差，在喂養之前，需要粉碎至直徑1cm以下，對粉碎及篩分設備的性能要求較高，切割粉碎后還需要經過長時間的浸泡，使秸稈軟化，才能進行飼喂，浸泡方法處理棉花秸稈不僅耗時較長，且需要大量水資源，不適合規?；B殖場和飼料加工廠的大量生產需求。

表1 基于棉稈的全混日糧制備成本分析

與傳統的工藝方案相比，本工藝方案所采用的收割粉碎方法只需一臺設備即可，勞動強度低、生產率高，適合大規模種植的棉花秸稈收獲；經過壓縮打包后降低了體積，利于儲運；混合精飼料和其他微量元素，包含動物日常所需的全部營養；加入的菌劑在厭氧環境下能夠降低棉稈中含有的有害物質棉酚，并能使秸稈纖維軟化，提高了消化率。使用該工藝技術制備全混日糧，按照目前常規市場行情，針對生產運營過程進行的成本分析如表1所示。

經計算，使用棉稈制備全混合日糧每噸料成本為568.18元，屬于市場可接受范圍。在當前粗飼料短缺的大背景下，完全可針對棉桿采取厭氧制備全混日糧工藝技術進行大面積推廣應用。

4 結語

我國含有豐富的棉花秸稈資源，通過微生物分解技術將其轉化為價格低廉且營養豐富的飼料，不僅對節糧型畜牧業發展、拓寬養殖飼料來源具有積極的促進作用，同時減輕了因棉稈大量堆積、焚燒等對環境造成的負面影響，對保護和改善生態環境、實現農業及畜牧業健康、穩定、可持續發展都有非常重要的意義。然而，我國現有的秸稈飼料化生物處理技術與國外相比尚有一定的差距，今后要加強高效生物發酵菌的培育與篩選，加強對秸稈處理專用設備和技術的研究與開發等工作，盡快提高我國的農作物秸稈開發利用水平。

[1] 畢于運, 王亞靜, 高春雨. 中國主要秸稈資源數量及其區域分布[J]. 農機化研究, 2010, 32(3):1-7.

[2] 張永建, 郝雷雷, 丁健,等. 新疆棉稈發酵飼料加工利用[J]. 農業工程, 2014, 4(6):44-46.

[3] 許宗運, 張銳, 張玲,等. 棉稈不同微貯方法效果研究[J]. 中國草食動物, 1999,4:22-24..

[4] 單洪濤, 吳躍明, 劉建新. 秸稈飼料化技術的研究進展[J]. 中國飼料, 2007,4:34-36.

[5] 米合熱古麗·艾買提, 吐爾遜·烏斯曼, 庫爾班·阿納也提,等.9LRZ-2.7型自走式青黃貯秸稈收獲機的研制[J]. 新疆農機化, 2013,2:9-10.

[6] 張武軍, 孫延智, 杜小榮,等. 9LRZ-2.7自走式青黃貯秸稈收獲機揉切粉碎裝置的研究設計[J]. 新疆農機化, 2015,1:10-10.

[7] 李麗, 孫杰, 李軍國,等. 膨化加工對玉米糊化及抗營養因子消除的影響[J]. 飼料工業, 2013,7:20-23.

[8] 李忠平. 膨脹加工對飼料營養成分的影響[J]. 飼料工業, 2001, 22(4):7-9.

Research on Preparation Process Technology of TMR (Total Mixed Rations) Based on Cotton Straw

WU De-sheng, LIU Ting-fa, TAN Rong-ying, LI Peng
(Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 100083)

Research on preparation process technology of TMR(Total Mixed Rations) based on advanced microbiological technology, crushed cotton stalks and other roughage as the main fermentation material, expanded corn flour as the energy feed and adding water and microorganism in order to carry out anaerobic fermentation. At the same time, developed a set of new equipment, new technology for cotton stalk feed resources utilization, provides an effective solution to the problem of sources of feed ingredients excessively dependent on grain, straw resources idle for a long time and difficult to deal with.

Cotton straw; TMR; Process scheme; Equipment

S816.34

A

1004-4264（2017）02-0050-05

10.19305/j.cnki.11-3009/s.2017.02.013

2016-07-27

現代節能高效設施園藝裝備研制與產業化示范（2014BAD08B00）。

吳德勝(1963-)，男，研究員。