一种反刍动物及可消化纤维素动物饲草饲料的生产方法

技术领域

本发明涉及一种反刍动物及可消化纤维素动物饲草饲料的生产方法，属于秸秆、草木等含植物纤维的农林废弃生物质作为反刍动物以及猪、兔等动物饲料的应用领域。

背景技术

粮食、食品安全问题始终是人类生存发展最基础的问题。解决之道，不外乎研发高产动植物新品种、以及增产增收，扩大耕地面积、养殖面积。但土地上产量最高，也最接近食物成分之一的是植物中的纤维素、半纤维素，将其水解后即可得到葡萄糖等单糖。如果有一种方法廉价地将纤维素水解转化为包括葡萄糖在内的各种糖类，那么粮食问题应该不再是一个大的问题，因为地球上植物中的纤维素、半纤维素不仅数量巨大，而且可再生，不会有资源枯竭的问题。

为有效地水解纤维素，目前的技术有利用纤维素酶促进水解的，有稀酸高温水解的，有浓酸低温水解的技术方法。但所有这些现有的技术方法都存在一个规模化经济效益低下的问题，因而不具有经济可行性，更不可能通过这些技术方案利用纤维素来解决粮食问题。现有的技术不能解决我们面临的两大重要问题，即生物质可广泛利用的问题，及借助生物质解决粮食食品营养的问题，说明本领域现有技术方案需要有一个根本性创新突破。

目前，直接利用生物质/植物中的纤维素作为反刍动物饲草饲料的主要方法有机械破碎、压块、堆积发酵、氨化处理。这些方法一般只能改进适口性而不能从根本上改变植物体内纤维素、半纤维素(植物纤维)被木质素、角质等包裹覆盖的状态，以及单根纤维素被纤维束所束缚的状态。正是由于纤维素仍然被木质素等包裹束缚，而木质素、角质是动物利用各种养分的主要限制因子，限制了植物纤维可广泛作为反刍动物饲草饲料的可能。

由于粗纤维是植物细胞壁的主要组成成分，包括纤维素、半纤维素、木质素及角质等成分，受制于木质素和角质的包裹覆盖，纤维素与消化液直接接触的可能性低，使得大部分的植物秸秆、草木树枝、农林废弃物无法成为有效价的反刍动物饲草饲料，只有特定的一些秸秆可以才可以作为反刍动物有效价的饲料，比如木质素含量低或木质化程度低同时糖分、营养价值较高的玉米秸秆、薯类秸秆、稻草等才可以有限量地作为反刍动物，也包括可以部分可以利用纤维素的猪的饲料。

食物到达瘤胃后，大量微生物随即紧贴食物表面，同时分泌纤维素酶、半纤维素酶以及beta-糖苷酶等消化酶，分解食物中的纤维素、半纤维素和果胶等多糖类物质，为反刍动物提供60-70％的能量来源。除了反刍动物，猪和兔类似反刍动物也可以借助纤维素酶消化分解纤维素作为自身的部分营养。食物在瘤胃内经微生物充分消化后，约50％的粗纤维可在瘤胃内被消化。在瓣胃内，食物中20％的纤维素可被消化。前提条件是酶可以直接接触到纤维素表面，为了裸露出纤维素，反刍动物需要借助长时间的咀嚼动作以破碎解离纤维素等，不仅消耗了可以用于生长的能量，也耽误了来自于纤维素、半纤维素的营养物质的生产和吸收，降低了饲料的效价，即饲草单位重量单位时间为动物可提供的净能量。

发明内容

本发明的反刍动物及可消化纤维素动物饲草饲料的生产方法，相当于为反刍动物添加了一个有效的前置反刍动作，为反刍动作提供了帮助，使植物纤维预先即被充分解离碎断，增加了纤维素的表面积，解决了消化酶不容易接触到植物纤维内的纤维素的问题，由此减轻了反刍负担，减少了反刍时间，减少反刍时的能量消耗，有助于反刍动物的营养吸收，提高中、粗纤维饲料的转化率，解决了中、粗纤维消化率低的问题，提高了饲草的效价，从而使原本因为效价低或负效价的生物质转化成为实际有有效效价的饲料。除了适口性影响动物的采食意愿，饲草的反刍时间是饲草是否可以作为有净营养价值饲草的重要指标，即饲草饲料单位时间所能提供给动物的能量必须大于采食消化过程所消耗的能量。本发明通过和利用动物体外的水和/或碱的化学能、机械能预先分解破碎生物质中的纤维素，节约了动物采食消化过程所需要的时间和能耗，使能量平衡有利于动物的生长发育，也即增加了含中、粗纤维素生物质作为有效价饲草饲料的可行性，解决了粗纤维含量高的秸秆类、林木树枝、野草作为饲草饲料效价低的问题。

本发明的反刍动物及可消化纤维素动物饲草饲料的生产方法，将干法机械破碎后的秸秆、野草、树木枝干等农林废弃生物质，进一步的在水中进行破碎，或直接在水中进行破碎，使干法机械破碎后或生物质中主要以纤维束形式存在的植物纤维，在水的水解化学效应的参与和促进下，使植物纤维更容易的进一步解离，克服了干法破碎时，由于纤维束内分子之间的内在结合力，而不能有效解离成为单根或细小纤维的问题，也克服了即使不惜代价高能耗地干法破碎生物质，却会产生大量粉尘状、粉末化生物质，动物无法直接食用的问题；水中破碎时，不仅解决了干法破碎无法使纤维纤细化的问题，也使破碎后各种大小尺寸的混合物易于一并成型，方便动物的采食。

纤维素是葡萄糖分子之间脱水而形成的长链结构，长链之间再以氢键方式结合。当水分子饱和纤维素时，纤维素中脱水后的葡萄糖有逆反应的驱动力存在，在机械力或酶的进一步促进下，增大了插入氢离子和氢氧根离子水解的可能性，并导致单根纤维的断裂，或者纤维素长链之间的氢键解离失效并发生溶解反应，促进纤维束/中纤维素之间的解离和分离。因此，水的水解“脱水后的葡萄糖”的化学力的应用，增加了机械分裂分散、破碎生物质纤维束的效率和效果。

还进一步地，在水中加入碱性物质后进行破碎操作，使水的pH值大于7，不仅可以使包裹和粘接纤维素的木质素、角质部分溶解，还可以借助于碱的作用，进一步地协同机械力促进植物纤维的断裂以及纤维束的解离。此两者均可增加纤维束、纤维素可裸露的表面积，但与造纸获得长纤维的目的不同，水中破碎以及加入碱性物质的目的是尽可能使生物质破碎和纤维缩短。

显然的，在水中破碎前先经干法破碎的好处是可以达到初步破碎，并清除灰尘等垃圾的效果，但干法破碎过度，则会形成大量生物质的粉尘。

本发明的反刍动物及可消化纤维素动物饲草饲料的生产方法，将饲草饲料的成型通过将生物质先经水中破碎，分离脱水后再成型。成型方法和过程可以参照纸张成型的方法，如通过网箱脱水，再挤压脱水，形成片状的成品。由于生物质是在水中破碎形成均匀的混合物，没有粉尘问题，因此方便了诱食剂和/或营养补充剂的均匀加入，或加入少量淀粉类粘接剂、其它可食性粘接剂方便破碎后混合物的成型。

本发明的水中破碎饲草饲料的另外的功能和优点是可以清除、分解毒素，如霉变物质，树木、野草、秸秆等自身生长带有的有毒有害物质，因为是水相破碎，形成的含水混合物也方便营养补充剂、诱食剂的加入，方便对混合物进行发酵处理，增加混合物的营养价值。破碎后分离出的垃圾富含矿物质和有机质，可以作为有效的有机肥料或化学原料。

本发明的反刍动物及可消化纤维素动物饲草饲料的生产方法，解决了虽然秸秆、草木、农林废弃物资源丰富，几乎是人类的无限资源，但由于缺乏适用技术，无法产生经济效益，反而成为环境负担的问题，通过为反刍动物以及兔、猪提供替代饲料，为人类解决食品问题，也是粮食问题。基于纤维素资源相对于人类的需求而言几乎是无限的资源，因此理论上，可以无限的提供肉类，从而间接地解决了人类的营养源问题、粮食问题。

虽然技术简单，但大道至简，本发明能够解决两大重要的社会问题，包括秸秆无法有效利用成为环境负担的问题，人类营养(食品)有效供给的问题。本发明解决了本领域技术人员的思想障碍，资源化利用的技术障碍，技术上，间接地利用了纤维素酶技术，通过反刍动物体内的纤维素酶，将自然界广泛存在但无法有效利用的纤维素进行了有效利用，其产品则是具有经济价值的反刍动物本身，突破了酶技术处理纤维素实现资源化利用方式，解决了动物体外利用纤维素酶没有经济效益的问题。

本发明的反刍动物及可消化纤维素动物饲草饲料的生产方法，是利用水或碱的化学力，在水中将生物质进行高速破碎或锤击/冲击破碎，通过化学力与机械力的结合，有利于低成本、低能耗地得到细小纤维或含细小纤维的混合物，使粗纤维转化为中、细纤维。在秸秆或草木纤维素为主要成分的饲料(饲草)领域，习惯性的都是干法破碎，这与反刍动物食用干草的习性相符，这一习惯和习性约束了本领域技术人员的技术思路，成为人们的思想框框，也成为本领域技术人员难以突破的思想障碍，尤其是，水法破碎增加了干燥这一表面上看似多余和不必要的步骤，客观上增加了成本，成为一个客观的障碍，因此不会轻易地想到和关注在水中破碎植物纤维饲草饲料的生产方法以及该方法的显著的优点，这也是为什么长时间的一直以来，秸秆类生物质一直没有作为饲草原料最广泛地应用于反刍动物的饲喂中，从而，面对两个重大问题始终束手无策，即生物质低成本高效率的资源化利用问题，以解决秸秆对环境造成的问题；以及动物饲料短缺的问题，以解决人类营养和粮食供给的重大问题。

具体实施方式

实施例1

一年生榆树枝，最粗处约8毫米，含细枝条和绿叶，纤维尺寸按多数的长纤维中最长、最粗测算评估，经50秒干法剪切破碎后的含颗粒、细小纤维的混合物中纤维束最长的约15毫米，最粗约2毫米，干法破碎机为手提式粉碎机，25000转/分钟。将此干法破碎后含纤维束的混合物，再于水中高速破碎50秒，其中水量不少于完全浸没混合物，高速破碎机为德瑞仕破壁料理机，48000转/分钟。破碎后的溶液颜色酱色，可见其中纤维束最长约3毫米，最粗约0.5毫米，溶液pH～5。继续水中破碎50秒，可见纤维继续变短，最长约2.5毫米，最大粗度约0.2毫米。经两次水中破碎后，在溶液中加入烧碱，使水的pH值达8，一部分再经30秒高速破碎，此时溶液颜色加深，可见的植物纤维主要变得更细并出现疏松的分散开后形成的分叉，纤维束最长约2毫米，粗度约0.2毫米，可能纤维束含更多的分叉，纱网上沥水自然风干后的混合物结块，比没有加入烧碱破碎后的混合物结块疏松柔软，结块的颜色也变深，显示木质素溶解析出。另一部分则在pH约7.5的碱性溶液中浸泡10小时，可见纤维束有溶胀现象，又经水相中10秒破碎，自然沥水干燥后，可见纤维束继续缩短，结块更加柔软。

作为对比，将干法破碎后的混合物先在水中浸泡10小时后，分别经水中高速破碎100秒，再加30秒的水中高速破碎，分别观察破碎后的产物。与上述直接累计两次破碎100秒(50秒+50秒)相比，纤维束明显变短变细。与上述累计130秒(50秒+50秒+30秒)的破碎相比，纤维束长短粗细类似，沥水风干后的混合物较硬。

作为对比，将干法破碎后的混合物直接于水中破碎130秒，所得混合物中纤维束比上述经100秒+30秒两次破碎后中的纤维束较粗。

结论是，水中破碎比干法破碎有效，水中浸泡有利于植物中纤维束的破碎和解离；碱性溶液有利于纤维束的解离和破碎。

实施例2

一年生野生细毛竹，最粗杆径～8毫米，干法机械破碎后，混合物中的纤维素最长部分约1厘米，粗约1毫米，其中一部分水中浸泡1小时后于水溶液中高速破碎30秒，混合物中较长纤维束长约6毫米，粗度约0.5毫米，另一部分在pH～7.5水溶液中浸泡1小时后于该水溶液中高速破碎30秒，混合物中较长纤维束长度约3毫米，粗约0.5毫米。

实施例3

当年生稻草，一部分经干法破碎30秒，另外一部分经水中破碎30秒，两相比较，水中破碎后的混合物相对比较纤细和柔软。经干法破碎30秒后的一部分在水中浸泡1小时后，再于水中高速破碎30秒；另外一部分则在加入烧碱，调整水的pH值达8后，高速破碎30秒，两相比较，未加入烧碱后破碎的混合物纤维束粗糙，最长约5毫米，而加入烧碱后破碎的混合物，相对纤细，最长纤维束约3毫米。结论是，水中破碎溶液得到纤细短小纤维束，碱性溶液中更容易破碎得到细小纤维束。

考虑到随着纤维束的断裂缩短，在高速旋转的破碎机内，纤维束受到破碎机刀片的有效剪切力的机会减少，破碎效率降低，为了进一步地分裂细化纤维束，将前述破碎后的稻草沥水后，或将稻草加湿后，在潮湿状态下，用捶打方式直接锤击稻草纤维，使纤维束直接受到冲击力/压力并在水分子水解效应的协助下，进一步有效地断裂和分裂分散。试验时，将潮湿的稻草约100g(含水)放在铁坐上，用铁锤持续捶打半小时后，将稻草“泥”稀释于水中观察，可见胶状物质外，大部分的纤维束长度约1毫米，粗度小于头发丝的粗度。说明冲击捶打粗纤维束可以有效地分散破碎纤维束。实际生产时，可以利用震动机械对潮湿的稻草进行锤击破碎。根据同理性，其它生物质的粗纤维同样可以经类似的冲击捶打而细化。显然的，在碱性条件下，锤击破碎粗纤维的效率更高。碱性可以通过加入烧碱，纯碱或氨水而实现。

将上述破碎后的毛竹和稻草混合物按体积比1∶3进行混合，或将稻草与毛竹同时进行破碎得到混合物，以改善口感和复合营养成分。

实施例4

当年生玉米秸秆，先经干法破碎20秒，可见粉末样产物，大部分的纤维束较粗约0.5毫米，长度约5毫米。干法破碎后的混合物一部分水中浸泡1小时后，再于水中高速破碎20秒，混合物中长纤维束约5毫米，粗约0.2毫米，自然干燥后混合物颜色泛白；另外一部分则在加入烧碱或纯碱，调整水的pH值达8后，高速破碎20秒，混合物中长纤维束约3毫米长，粗度约0.2毫米，混合物中颗粒或绒样成分明显增多，干燥后的混合物颜色泛黄，溶液颜色由淡黄变为黄褐色，均说明有木质素溶出。

实施例5

当年生豆秸，先经干法破碎30秒，可见粉末样产物，大部分的纤维束较粗约2.5毫米，长度约8毫米。干法破碎后的混合物一部分水中浸泡1小时后，再于水中高速破碎30秒，混合物中长纤维束约5毫米，粗约2毫米；另外一部分则在加入烧碱，调整水的pH值达8后，高速破碎30秒，混合物中长纤维束约3毫米长，粗度约1毫米，混合物中颗粒或绒样成分明显增多，溶液颜色由淡黄变为深黄褐色，说明有木质素溶出。

将上述破碎后的毛竹、稻草和豆秸混合物按体积比1∶1∶1进行混合，以改善口感和复合营养成分。

实施例6

将上述实施例1-5水中破碎后的混合物，过滤水分后挤压成型为厚度约2毫米的片状，经自然干燥或烘干后，作为饲料成品。以约1斤重家兔为试验动物时，为了诱导动物食用，开始时用稀糖水喷洒或喷雾片状物的表面。无论是来自榆树、竹子、大豆秸秆、玉米秸秆或稻草的片状物，家兔都能主动食用；使原本不易被家兔食用的榆树枝、竹子、秸秆等可以成为家兔的饲料或补充饲料。根据植物的类似性和同理性，其它无毒的植物秸秆或树木、野草等农林废弃物经水中破碎后，也将具有相同的食用效果。因为家兔比起牛羊等完全的反刍动物对纤维饲料更为敏感和要求高，因此家兔的食用情况更能反应反刍动物对纤维性饲料食用的效果。实际上，家兔对粗纤维的消化率并不高，只有牛的三分之一，不超过猪。粗纤维主要是维持其正常的消化生理，从而减少死亡。

如预期，同样的食用，粗糙的食物或破碎后纤维束粗的片状物，家兔的咀嚼时间就长。以稻草为例计时，咀嚼直接干法破碎的稻草，可见耗时约1分钟，直接水中破碎的稻草耗时约40秒，咀嚼上述干法破碎后又于水中浸泡后再破碎的稻草片状物以及在水中碱性溶液中破碎后的稻草片状物只需要5-10秒。这种咀嚼时间的不同，决定性地决定了一种植物纤维是否能够作为饲料的效用价值。咀嚼时间过长，影响了动物单位时间内饲料的采食量，增加了消化饲料本身所需的能量，影响动物的生长，因此就失去了作为饲料的本来目的，这也是当前秸秆资源、林木资源丰富，但却不能作为饲料的根本原因。因此，水中破碎植物纤维是一个林木、秸秆等生物质纤维饲草饲料领域有效的技术突破。

将家兔粪便自然风干后观察，其中主要含颗粒或粉末状纤维质，尺度约1毫米，与进口摄入的混合物形态完全不同，要么进口的长纤维束被咀嚼成为短小的颗粒，要么是纤维束被消化分解成为小颗粒，基本没见到纤细的细纤维，说明纤细的纤维已经被消化。由此也说明了，生物质纤维细化粉碎对动物消化吸收的重要性。

同样的，家兔食用干法破碎后的榆树、竹子、大豆秸秆或玉米秸秆，也是耗时多于水中破碎后的片状物，加碱破碎后的片状物更容易被吞食和咀嚼。证明了随着纤维束破碎程度的增加，动物咀嚼时间缩短，而水中破碎后缩短时间的效果明显优于干法破碎，加碱后破碎的效果优于未加碱于水中破碎的效果。

饲喂期间，为了平衡营养，也间隙地饲喂家兔以青草或青菜叶。经过2天的适应，喷洒的稀糖水逐步减少，家兔也能食用其内纤维束较细的片状物，但最好喷洒诱食剂，如青草、蔬菜汁液或合成的食品级添加剂，此时家兔采食更积极主动。或者在过滤水分浓缩的片状物成型时，先加入一定比例的动物喜食的树叶、青草、蔬菜等诱食剂以及其它营养补充剂并充分搅拌破碎后再成型。加入的种类和量可以根据牛羊兔猪等具体动物的喜好，均匀地改善饲料的适口性和口感。

实施例7

将上述实施例1-5中的片状物主动饲喂散养的牛或羊或猪，均被直接吞食，当片状物表面喷洒树叶汁液后，牛羊更易主动食用。由此，使原本牛羊猪不能食用的粗树枝、竹竿也能成为牛羊可以无需长时间反刍即可消化的饲草饲料或补充饲草饲料。