綿花わらの飼料化の難点と処理方法

 

現在、我が国の新疆地区の綿花収穫後の綿茎は直接粉砕して田畑に返すことが多いが、新疆地区の土壌干ばつのため、直接田畑に返す綿茎は分解して土壌有機質に転化することが難しい。同時に、綿の茎はよく枯黄萎症病原菌を携帯しているため、直接畑に返すと翌年の綿畑の病害が加重しやすい。このように、綿花わら資源の効率的な利用はすでに新疆綿畑で解決すべき技術的難題となっている。綿花の茎は栄養が豊富で、反すう動物の良質な飼料を作る潜在力を備えている。しかし、綿茎の木質化の程度は比較的に高く、動物に毒害作用のある遊離綿フェノールが存在し、そのため飼料化の発展過程を阻害した。国内の既存の膨張処理、アンモニア化処理、硫酸第一鉄処理、微小貯蔵処理などの綿茎飼料化処理方法をまとめ、分析し、組み合わせ処理技術構想を提出した。

綿花わらの飼料化の難点と処理方法

◆綿茎の飼料化の難点

綿花わらの飼料化処理における主な難点は2つある：1つは綿茎が軟化処理を経なければ動物によりよく食べられないことであり、これは綿茎がトウモロコシ、イネなどのわらよりも多くのリグニンとセルロースを含み、材質がより硬く、口に合う性が悪いため、動物の採餌量、採食効率と消化効率を低下させることができる、第二に、綿茎中の遊離ゴシポール（C 30 H 30 O 8）――綿株色素腺体中に広く分布する1種の黄色有毒ポリフェノール物質の含有量を減らす必要がある。遊離綿フェノールは動物体内に入った後、蛋白質と鉄などの物質と結合することができ、生体に胃腸粘膜損傷、鉄欠乏性貧血、血管壁の透過性増加、アミノ酸利用率の低下などの病気を出現させ、成長が遅れ、中毒、甚だしきに至っては死亡を招き、また雄性動物の生殖システムに危害を及ぼし、不妊を招く。遊離ゴシポールの動物体内への長時間の濃縮による危害を防止するために、反芻動物飼料中の遊離ゴシポール含有量は200 mg・kg−1を超えないことが一般的に求められている。我が国は早くから低フェノール綿の研究を展開し、中国農業科学院綿研究所、河北省農林科学院などの単位で育成された低フェノール綿品種などの一定の研究成果を得た。しかし、低フェノール綿品種には綿フェノールが不足しており、その抗ウイルス性は明らかに弱まっているため、その普及応用は極めて制限されている。そのため、現在の綿畑で生産されている綿の茎に対して、飼育要求を達成するために、専門の遊離綿フェノール処理技術を採用しなければならない。

◆綿茎の飼料化処理方法

綿花わらを良質な飼料にするためには、リグニン、セルロース、遊離ゴシポールの含有量を低減するために、わら原料に存在する問題に対して的確な処理を行う必要がある。現在、主に物理、化学、生物の3種類の処理方法がある。

物理処理は化学処理と生物処理の基礎であり、一般的な物理処理方法は粉砕、蒸煮、浸漬、放射線と膨化がある。化学処理は化学試薬を添加することによって綿繊維中の各種成分の含有量を変え、リグニン、セルロース、綿フェノールの含有量を下げることができ、またいくつかの特定の栄養物質を添加することによって飼料の最終品質を高めることができる。一般的な化学処理方法には、酸処理、アルカリ処理、アンモニア化処理、硫酸第一鉄処理などがある。生物処理は微生物の生命活動または微生物の代謝産物を利用してわらを処理し、異なる処理目的に応じてわら原料に異なる微生物菌株を接種する。物理処理や化学処理に比べて、生物処理の反応周期が長く、処理効果が高い。成熟した綿茎飼料化プロセスにおける生物処理は一般的にコアステップとして行われる。一般的な生物処理方法には、酵素分解、青貯蔵、微貯蔵などが含まれる。

上述した綿稈の飼料化に存在する2つの難点に対して、現在応用が広く、相対的に効率的ないくつかの処理方法についてさらに分析・検討した。

（1）膨張処理。他のいくつかの物理的方法と比較して、膨張処理はわらの中にある繊維構造をより大きく破壊することができて、もともと緊密に配列されていたリグニンとセルロースを互いに分離させて、それによって膨張処理後のわらの生地を更に柔らかくして、木質化の程度は低下して、体積と表面積は明らかに増加して、繊維束は暴露して、繊維結晶度は低下します。

膨張処理は、蒸気爆発（単に「蒸気爆発」という）と押出膨張の2種類に分けることができる。蒸気爆発の原理はわら原料を密閉された容器内に置き、加熱によって容器内の温度と圧力を上昇させ、植物繊維間に高圧蒸気を充満させ、その後突然圧力を放出してわら内部の蒸気に爆発効果を発生させ、それによってもともと固くなっていたリグニンとセルロースを引き裂いて膨化させる。押出膨張の動作原理はモータと伝動装置を通じて金属スクリューが押出空洞内でわらに対して強烈な押出摩擦とせん断作用を行うことを制御し、それによって大量の熱を発生して押出空洞内を高温高圧の状態に達する、わらがノズルから押し出されると、外圧が急激に低下し、内部繊維間の高圧空気体積が急速に膨張してわらが膨張する。

膨化後のわらをそのまま粗飼料として使用する場合、動物の採餌量と採食後の消化率は明らかに向上し、それを中間産物として生物発酵を継続することができ、発酵効率を高め、発酵周期を短縮することもできる。圧力2.5 MPa、温度220℃の条件下で綿わらを蒸気爆発膨張させ、処理後の綿わら中のリグニン含有量は11.81%減少し、セルロースは9.34%減少し、ヘミセルロースは16.76%減少し、粗タンパク質含有量は9.38%増加した。少量の膨張前後の茎をそれぞれ基礎飼料に混ぜて肉羊に飼料を与え、肉羊瘤胃の膨張後の綿茎に対する全体の消化効率は膨張前の綿茎より高かった。膨張時の高温は綿稈中の遊離綿フェノールに対して一定の脱毒作用があり、例えば圧力2.5 MPa、温度220℃の条件下で蒸気爆発した後、綿稈中の遊離綿フェノール含有量は33.7%低下できることを表明した研究もある。以上のように、蒸気爆発膨張化は綿稈中のリグニンとセルロースの含有量を下げることができるだけでなく、飼料の適口性を高めることができ、またその中の遊離綿フェノールの含有量を減らすことができる。

（2）アンモニア化処理。アンモニア化処理は一定濃度の尿素溶液またはアンモニア水でわらを浸漬する。強酸強アルカリ溶液で処理するいくつかの方法に比べて、アンモニア化処理はより温和である。この方法は茎の炭素窒素比を調節し、飼料中の蛋白質などの栄養物質のレベルを高め、動物の採餌量と採食後の消化率を高めることができる、同時に、尿素分解によって生成されたアンモニアは一定の条件下で綿茎中の遊離綿フェノールを結合綿フェノールに変えて毒性を失い、一定の脱毒効果を達成することができる。

王倩らは質量分率5%の尿素溶液で粉砕後の綿粕を処理し、綿粕中の粗タンパク質含有量を約5%増加させることができ、遊離綿フェノール脱毒率は40%を超える。張国しんらはスクリュー押出膨張機を用いて尿素精料を押出膨張させ、その後膨張前後の尿素を飼料にそれぞれ混ぜて反芻動物（牛、羊など）を飼育した結果、膨張群尿素精料の加水分解速度は未膨張群より明らかに低下し、加水分解過程もより均一であり、膨張後の尿素は飼料の安全性と利用率に顕著に向上した。それによると、綿稈のアンモニア化処理後に膨張またはアンモニア化と膨張を同時に行い、処理後の綿稈飼料の効果はもっと良いはずである。

（3）硫酸第一鉄処理。前述のように、遊離ゴシポールは生体中の鉄と結合することができ、そのため、硫酸第一鉄溶液で粉砕後の綿わらを処理することができ、その中の遊離綿フェノールを早めに溶液中の第一鉄イオンと結合させ、脱毒の目的を達成することができる。遊離綿フェノールと第一鉄イオンの結合は理論的には等物質の量であるべきであるが、実際の操作では綿の粉砕程度などに制限され、第一鉄イオンの添加量は一般的に綿フェノール含有量より高くなければ良好な脱毒効果を得ることができない。

500 gの綿粕サンプルを硫酸第一鉄溶液に浸漬し、3時間後にアスファルトを取り出し、40℃オーブンで4時間乾燥した後に測定したところ、硫酸第一鉄の用量がそれぞれ遊離綿フェノール質量濃度の3倍と5倍の場合、綿粕中の遊離綿フェノールの脱毒率はそれぞれ82.13%と83.12%であり、硫酸第一鉄溶液が試料の遊離綿フェノール含有量を効果的に下げることができ、脱毒作用を果たす。

遊離ゴシポールと二価鉄イオンの結合過程は発熱反応に属する。レン函などの研究によると、硫酸第一鉄を用いて遊離ゴシポールを除去する場合、安定したゴシポール−鉄イオン複合体を生成するには2時間の反応時間が必要であり、高酸性環境は遊離ゴシポールと鉄イオンの結合反応を抑制し、さらには一部の結合ゴシポールを遊離ゴシポールに再分解して転化させ、毒性を増強させる可能性がある。そのため、硫酸第一鉄法はアンモニア化処理やアルカリ処理との併用に適しており、処理後の綿茎飼料が適切な酸アルカリ度を持つことができるようにしている。

（4）微小保存処理。マイクロストレージは現在一般的に使用されている1種類のわら処理方法である。前述のトウモロコシの茎の黄貯蔵は枯れた黄色の茎の原料に適しており、綿花の茎の微貯蔵処理にも適している。綿花わらの木質化の程度がより高いため、通常はより複雑な物理的または化学的方法で前処理を行い、その後に一定の微生物菌種と栄養物質を添加して微貯蔵発酵を行う。微貯蔵発酵効果に影響する要素は多く、温度、湿度、密封条件、微生物種類、栄養物質、原料炭窒素比などが含まれる。微貯留発酵後の綿茎の性質は柔らかく、酸アルコールであり、適口性は明らかに向上した。

綿茎微細保存飼料化の研究において、よく用いられる菌種はL（+）型乳酸菌、枯草バチルス、酵母菌などである。乳酸菌は綿茎中のセルロースとヘミセルロースの含有量を下げ、可溶性糖類物質をより消化吸収されやすい有機酸に転化させ、飼料の栄養価値と嗜好性を高め、動物の胃腸免疫力を増強することができる、バチルス菌はセルラーゼとグルコシダーゼを産生し、高分子糖類物質の分解を促進し、また細菌素を産生することによっていくつかの有害カビの繁殖を抑制し、発酵過程の安定を維持することができる、酵母菌はセルラーゼ、プロテアーゼなどの多種の細胞外酵素を分泌し、動物の飼料に対する消化効率を高めることができる。研究により、特定のバチルス菌と酵母菌はまた綿茎中の遊離綿フェノールの含有量を大幅に下げることができることが分かった。したがって、具体的な綿茎微細保存の実践において、原料成分の違いに応じて適切な微生物菌株を選択すべきである。

◆綿茎飼料化技術の研究開発構想

以上より、綿茎の飼料化技術はすでに多くの研究があり、一定の進展が得られた、しかし、多くは単一の技術と処理方式を採用しており、綿茎を理想的な良質な飼料にすることができないため、綿茎の飼料化の複合または組み合わせ技術の研究は展開する価値がある。もし1セットの完全な綿茎の飼料化技術体系を創立することができるならば、多種の技術を利用して複合あるいは組み合わせて処理して、例えば蒸気爆発、アンモニア化、硫酸第一鉄などの処理技術を組み合わせて、つまり蒸気爆発の前に砕けた綿茎と尿素、硫酸第一鉄を十分に混合して、蒸気爆発の作用を通じてリグニンとセルロースの分離、繊維束の解束、尿素と綿稈組織成分の深さ融合、尿素と二価鉄イオンと綿フェノールの十分な接触と反応などの多重目的、その後上述の処理を経た綿稈を微貯蔵することで、綿稈の飼料化の効率を高め、綿稈の飼料化の価値をさらに高めることができる。