粗纤维物料（精选6篇）
粗纤维物料 篇1
0 引言
我国有着极为丰富的粗纤维植物资源(如芦苇等),它们都是造纸的好原料,但除少部分资源被利用外,大多处于自生自灭的原始状态。另一方面,我国部分草业地区的牧草因季节性过剩得不到合适的处置而被废弃,浪费了资源,也污染了草原。通过打包机对粗纤维物料和饲草进行打包,提高它们容积密度,达到降低运费、提高粗纤维物料和饲草利用率的目的。
到目前为止,国产打包机所打包型基本都属于轻密度包,而进口打包机由于价格昂贵一直没有在我国很好地推广,所以急需研发价格适中、包型密度较高的国产打包机。在研发过程中,进草机构在打包机整个工作行程中起着非常重要的作用, 属于关键部件,要满足如下条件:一是与活塞往复行程的运动合理配合;二是避免进草机构运动路径与进草口发生干涉;三是进草机构的支撑架刚度足够,可以承受往复运动产生的冲击力。如果不能同时满足前两条,就会发生进草机构与活塞及进草口的碰撞;如果不能满足第3条,则进草机构支撑件会超载而引起固定联接孔被撕裂现象,存在安全隐患,影响正常打包。为此,笔者对进草机构进行运动学与动力学仿真分析,验证设计的合理性,并提出优化设计方案,以提高打包机的工作稳定性。
1 进草机构工作原理及几何模型的建立
进草机构的主要功能是将已经进入喂入室的粗纤维物料进行预压,提高压缩效率。其工作原理是:偏心轮转动,通过压草推杆带动压箱进行往复运动,实现压缩功能。压草推杆与压箱通过转动副连接,压草推杆带动1个四杆机构,最终实现由压箱的往复运动转换为压草板的上下往复运动,实现对物料进行预压的功能。其机构运动简图如图1所示。由图1可知,整个进草机构有8个部件构成,设计参数见表1所示。
2 进草机构运动学分析
进草机构工作过程与压缩活塞的往复有紧密配合关系,其工作空间范围决定其是否会与进料口和活塞干涉,因此对压草板的运动进行分析,进而得出压草板运动轨迹和其他运动学特性曲线。
根据表 1所给设计参数,对进草机构进行三维建模,然后将建立的三维实体模型导出至ADAMS,采用几何体格式选择Parasolid格式。导入ADAMS后的模型如图2所示。
2.1 创建约束和定义驱动
ADAMS提供了多种约束,通过这些运动副将两个部件连接起来。根据对进草装置的运动分析,各部件添加的约束及见表2所示。
本设计偏心轮转速为30r/min,活塞往复30次/min,角速度计算公式为
ω=2π/T (1)
式中 ω—角速度;
T—偏心轮周期。
周期T计算公式为
T=1/f (2)
式中 f—频率。
根据转速30r/min可得,f=30,将此结果带入式(2)可求得T,将结果再带入式(1),可求得ω=180°/s。将此结果设为驱动,所设驱动为180d*time,即每秒转180°。
2.2 仿真分析与结论
2.2.1 压草杆与活塞相对位移分析
进草机构工作时,压草板做上下往复运动,活塞做水平往复运动,当活塞退回时,压草板下压;活塞进行压缩时,压草板要推出压缩室,否则就发生干涉。所以,压草板的下端点与活塞的右端点之间的相对位置关系很重要,通过ADAMA对这两点进行位置仿真,绘制曲线如图3所示。
从图3可以看到,横坐标为两个压缩行程时间,1个行程用时2s,纵坐标为压草板下端点与活塞右端点两点相对位移。在一个活塞压缩、压草板压草行程中,两点相对位移最大1 360.8mm,最小位移为224.7mm,最小位移大于0。由此说明,压草板下端点与活塞前端点不会发生碰撞干涉,初步验证了设计的合理性。
2.2.2 压草板运动学分析
压草板在1个行程中的运动是一个变速运动,行程轨迹是否与进料口发生干涉也是一个很重要的设计要素。所以,对压草板下端点进行位移、速度和加速度测量,获得曲线如下图4、图5和图6所示。
在进行压草板与下料口水平相对位移测量时,首先要根据设计参数建立1个点,用这个点去代替下料口的一条边,通过测量压草板下端点与建立点之间的位移得出如图4所示曲线图。由图4可以看出,两点之间最小位移50.5mm,最大位移588.7mm。由此可知,压草板与下料口不会发生碰撞干涉,可以完成送草动作;同时也可知,进料口最小尺寸为538.2mm,而实际尺寸为550,满足要求。
图5为压草板与料口竖直方向的相对位移,中间线为0点线,也就是压草板与料口处于一个水平线时刻,可根据位移相对于0点线的上下位置判断压草板相对于下料口和活塞所处位置,为分析速度和加速度提供依据。
图6中,左边纵坐标为压草板加速度,右边纵坐标为压草板速度,横坐标为2个行程的时间4s。虚线为速度参数,实线为加速度参数。由图6可以看出,0-0.4s之间,速度是1个急速上升阶段,加速度反之是1个下降阶段。再根据图5可以看出,这个阶段是压草板下降到料口的过程,当压草板进入压箱时,就是图5中0点线下面,速度开始下降,加速度开始上升;在0.9s左右,速度降到最小,压草板也达到最底部,在这个过程中加速度有一个小的波动;接着压草板开始上升,速度也随之开始上升,这时和下降属于一个逆过程,速度、加速度和位移关系可以按照前面过程逆推。
2.2.3 进草机构支撑件(机架)动力学仿真
进草机构中,四杆机构与机架有两个铰接,当活塞往复运动时,四杆机构绕这两个铰接运动。四杆机构运动时会给固定四杆机构机架上的H,G(图1所示)两个孔施加一定的载荷,这时机架是否能承受所施加的载荷决定了四杆机构能否稳定的工作,所以两孔的动力学分析就显得很有必要。压草板下压时会受到物料向上的一个阻力,在对压草板施加阻力后,对机构运动时两孔的受力进行测量。
压草板所受的阻力就是物料由于受压压缩而产生的反作用力,这里定义为P,即
undefined
式中 P—压缩压力;
X—压缩位移;
γ0—初始密度;
γ—压缩密度;
a,b—实验常数。
其中,芦苇的喂入量、含水量与加载速度等3因素对系数a和b值都有一定的影响。
在ADAMS中,在地面加一个弹簧去模拟草料对压草板的反作用力,给弹簧施加的模拟阻力为2 000N,对进草机构中机架的两孔受力进行测量,如图7和图8所示。
由图7和图8可以看出,两孔受力是一个谐波。对机架做受力分析,主要关注两孔所受最大力,根据仿真可得:H孔最大受力1.62×105N;G孔最大受力为1.62×105N。这可以为后续受力分析提供理论依据。
上面是根据既定转速得出的受力,为了确定受力是否会受转速的影响,针对不同转速,使用ADAMS对两孔的受力进行测量,结果如图9和图10所示。
图9为转速从15r/min增加到61.7r/min的情况下孔的受力。由图9可以看出:转速在15～50r/min时,受力较平稳;超过50r/min以后,受力出现了大的波动,且数值较大,这对支撑件的受力不宜,所以速度应保持在50r/min以内;而转速在15r/min到50r/min之间时,受力也不是一个正比例增长关系,数值波动,如图10所示。所以在设计转速时,要选择一个波谷值,而且要保证转速的平稳,以免因转速不稳定而引起支撑件受力波动较大的情况。
3 进草机构支撑件的动力学分析
3.1 支撑杆参数及材料属性
定义机架选用可锻铸铁,其各项指标如下:
材料名称:可锻铸铁
弹性模量/N·m-2:1.9e+011
泊松比:0.27(NA)
屈服强度/N·m-2:2.76e+008
机架结构如图11所示。
机架两孔受力是测量的对象。由图11可知,两孔中心距为280mm,直径分别为55mm和25mm,板厚为20mm。
3.2 对支撑杆建立约束和施加载荷
支撑杆是固定在机架上,与机架接触的面是如图12所示的面1和面2,所以对支撑杆的约束就是固定面1和面2。支撑杆与进草机构接触的是(如图11所示)H孔和G孔,所以载荷也是施加在这两孔。根据图7和图8中ADAMS的仿真测量可知,H孔和G孔分别受到2.12×106N和2.13×106N的力,因此把仿真测量的力作为动力学仿真所受载荷施加到两孔。
3.3 支撑件计算求解及其结果分析
通过上面的约束和施加载荷,由SimulationXpesss进行分析计算,系统将应力、位移图解和参数列于模型树中,如图13和图14所示。通过应力分析,可以得出支撑件的最大应力为1.881 96×108N/m2,而材料的许用屈服力为275 741 984N/m2,由此可知支撑件是安全的。支撑件的最大位移为0.014 652 8mm,这对机构的运行影响很小,几乎可以忽略。可以说,支撑件的机构和尺寸是完全符合要求的。
以上应力分析是在转速为30r/min的情况下进行的,根据前面的结论,受力会随转速的变化而波动。根据图9和图10测得的结果,把不同转速情况下的受力分别加载到支撑件两孔,重复图13的过程(由于篇幅有限,结果不一一列出),最后得出在不超过材料许用屈服力情况下,孔最大受力为1.949 9×105N,这样就可以参照图10,在转速15～50r/min范围内选择合适的转速,避免速度取值在波峰处。
4 结论
以代表机械—芦苇打包机进草机构为研究对象,对机构进行建模,并在ADAMS中建立虚拟样机模型,进行运动学仿真和动力学分析:
1)分析了压草板在运行过程中与压草活塞运动配合和相对位移的关系,按文中结构运动参数进行设计,参数合理,二机构之间不会发生干涉与碰撞现象。
2)对压草板相对于进料口的水平与竖直位移进行分析得出,进料口最小尺寸为538.2mm时才能避免与进草机构的干涉;同时,通过运动学仿真分析,得出压草板速度与加速度分布规律,为以后压草机构的设计研究提供理论参考。
3)联合利用ADAMS和SimulationXpesss对压草机构支撑件进行应力仿真。将ADAMS所测得的受力加载到后者中对支撑件进行受力分析,得出机构受力小于材料许用应力。机构运行安全稳定可靠,为机构的进一步改进设计提供了理论依据;根据不同转速测得的受力分布情况,速度优先选择15～50r/min范围内的波谷值,而且要保证转速的平稳,以免因转速不稳定而引起支撑件受力波动较大的情况。
参考文献
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[6]李倩.秸秆打包机的分层叠压技术研究[D].无锡:江南大学,2008.
农业纤维物料压缩成型研究现状 篇2
农作物秸秆和苜蓿等纤维物料的开发利用在我国农业生产中占有重要地位。以玉米秸秆为例,2007年我国玉米种植面积为2.948×107hm2[1],作为饲料或生物质燃料,可取得巨大的经济效益和生态效益。然而,农业纤维物料通常较为松散,容积密度小,无论是储存,还是运输,都占用很大的空间。尤其在运输过程中,如果不加以处理,会使运输成本增加数倍或更多。解决此问题的一种行之有效的方法是对纤维物料进行压缩(即压捆或压块处理),从而提高物料的容重,降低运输成本。据中国农业大学成套设备所的实验统计,饲草压捆后平均密度可增大10倍左右,相应的储存空间只需压捆前的1/10,而压捆后的运输成本可比不压捆运输的成本降低70%左右[2]。
1 物料压缩成型方式和影响因素
农业纤维物料压缩成型主要有闭式压缩和开式压缩两类:闭式压缩是在三面密闭的容器内进行压缩,喂入一次压缩一次,即可得到一个产品;开式压缩是在没有堵头的容器内进行压缩,喂入一次压缩成一个草片,并将草片向后推移一定的距离,再喂入,再压缩,然后继续向后推移,直至草片(产品)陆续从草捆室排出[3]。
通常用于评价成型产品—草块或草捆的主要指标有单位压缩能耗(指压缩1kg成型产品消耗的功率大小,单位为kJ/kg或MJ/kg)、产品的稳定密度以及形态稳定性。根据已有研究和经验,影响压缩成型的主要影响因素有物料含水率、压缩力的大小、物料的物理特性(孔隙率、茎叶比例、粉碎程度等)以及压缩方式等[4]。
1.1 压缩能耗及其影响因素
在设计和评价压缩工艺的经济性时,能耗是一个主要的评价指标。2007年,加拿大学者Phani Adapa等以苜蓿为试验材料,研究最大压缩力P、活塞到达压缩终点后的压力保持时间t及苜蓿叶片和秸秆的质量比例x对单位质量压缩能耗E的影响,最终根据试验数据分析得到数学模型[5]为
ln(E)=β0+β1P+β2t+β3x (1)
式中 E—单位能耗(MJ/kg);
P—压缩活塞设定最大压缩力(MPa);
T—压力保持时间(s);
X—叶片与茎秆的质量比(%)。
2006年,Sudhagar Mani, Lope G. Tabil和Shahab Sokhansanj等人以玉米秸秆为试验物料,研究最大压缩力和含水率对压缩能耗的影响,得到的数学模型为
E=4.76+1.48P-0.19M+0.032PM (2)
式中 E—单位能耗(MJ/t);
P—压缩活塞设定最大压缩力(MPa);
M—玉米秸秆的含水率(%(wb))。
在此基础上,Sudhagar Mani等人进一步分析了压缩能耗的分配规律,认为用于将物料由松散状态压缩至致密状态的能耗大约占单位能耗的50%左右,另外50%能耗主要用于克服压缩活塞推动物料在压缩成型室内运动过程中摩擦力所做的功[6]。
我国学者对压缩能耗的研究主要集中在压捆工艺上。2005年,杜健民博士对实际生产中的玉米秸秆、苏丹草和苜蓿的压捆工艺进行研究,得到能耗公式为
w=ae-bh (3)
式中 w—压捆功耗;
a,b—试验系数;
h—出料口高度。
实际生产中,为提高草捆密度,通常较为便捷的方法是调低出料口高度,但由此通常会引起压缩功耗的急剧增加,甚至会出现“闷车”现象,需引起注意[7]。
1.2 压缩(应)力与压缩密度的关系
压缩(应)力-压缩密度关系反应了物料压缩变形的难易程度,在设计压缩机具之前,可对压缩动力的选择及产品密度的评估提供参考。
1938年,西德学者Skalweit在密闭容器内以0.5mm/s的加载速率压缩稻草,压缩过程可以用类似气体的多变指数方程表示[8],提出压缩力和压缩密度之间的关系式为
p=Cγm (4)
式中 p—轴向压缩力;
γ—物料的压缩密度;
C—与物料特性相关的试验系数。
在对Osobov,Mewes,Busse,O和Dogherty等提出的压缩力与压缩密度关系式进行比较后,M.O.Faborode,J.R.O和Callaghan对农业纤维物料压缩的规律进行了理论分析,并提出了新的压缩力与压缩密度的关系模型-压缩率模型(The compression ratio model)[9,10,11,12]为
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式中 γ—物料当前压缩达到的密度;
γ0—物料的初始喂入密度;
r—物料的压缩率,undefined; (6)
b—物料的孔隙率;
A—试验常数。
W.K.Bilanski等人于1985年在试验及Rehkugler和Buchele提出的流变学模型基础上,建立了新的应力-密度数学模型[13],即
undefined
式中 σ—轴向压缩力;
γ—物料当前压缩达到的密度;
γ0—物料的初始喂入密度;
γmax—物料的最大压缩密度;
γmax—试验常数。
1991年,李旭英等在压捆机(压捆室截面为360㎜×460㎜)上对苜蓿、羊草和碾过的麦秸牧草进行压缩试验研究,提出开式压缩的压缩力-密度数学模型[14]为
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式中 p—压缩压力 ;
γ—物料当前压缩达到的密度(㎏/m3);
γ0—物料的初始喂入密度(㎏/m3);
A,B—试验系数。
1996年,L.G.Tabil引用Heckel,Walker,Cooper-Eaton和Jones模型,来描述苜蓿粉在压缩过程中的变形规律。比较发现,Cooper-Eaton能较好地描述压缩过程中的体积-压力关系[15]。
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Phani Adapa,Lope Tabil和Greg Schoenau等人于2002年、2006年及2009年分别对大麦、燕麦、小麦、蓖麻和玉米秸秆等物料进行了压缩试验,Cooper-Eaton也能较好地描述物料的变形过程。模型中的第一项可以对颗粒重组现象实现描述,模型中的第2项描述物料的塑性变形[16,17]。
1.3 物料的流变学模型
1969年,Rehkugler和Buchele在其他学者建立起来的时间、压缩力及密度之间关系的基础上,提出如图1所示的流变学模型[18]。
此模型中的单元A代表不可恢复的变形,单元K1、B代表可部分恢复的变形,单元K2、R代表可完全恢复的变形。利用此模型得到的应变计算公式为
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此模型能够从理论上描述纤维物料的变形特点,但因物料压缩过程中各类应变同时发生,很难区分出弹性、粘性及塑性应变各自大小,由此造成模型中各参数数量大小很难确定,进行定量分析比较困难。
2009年,Nalladurai Kaliyan和R. Vance Morey提出由硬化弹簧-阻尼块-库伦块并联的流变学模型,变形特点可描述为
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式中 E+Rεn—物料的弹性变形,模型中弹簧元件为硬化弹簧;
E—弹性模量;
R—强化系数;
ε—自然应变;
n—应变硬化指数。
undefined—模型中的阻尼模块,代表粘性变形;
η—粘性系数;
undefined—应变变化率;
σf—模型中的库伦元件代表摩擦力。
利用此模型,可以通过测得的自然应变及对试验数据的拟合,求得模型中对应各系数,有效实现对物料变形规律的描述及变形机理的深入研究[19]。
1.4 其他相关问题
2007年,Kevin J.Shinners等人对玉米秸秆压块过程中切段长度对压缩的影响和草捆的形态稳定性等问题进行了试验研究[20]。2008年,大连理工大学胡建军博士根据秸秆冷态压缩成型特点,采用大变形塑性理论作为秸秆材料非线性问题的有限元分析基础,利用ANSYS软件对秸秆冷态压缩成型过程进行了计算机模拟,得到了秸秆颗粒冷态压缩成型过程中的应力应变分布图、流动变化图和等效塑性应变图,并进行了不同模具长径比和模具开口锥度等结构参数对压缩成型过程的模拟分析[21]。2008年,Kaliyan等人对压块过程中的预处理温度、蒸汽调制和添加粘结剂等对草块的强度及稳定性的影响也做了分析研究[22]。
2 存在的问题
1) 多为实验室条件下的闭式压缩,与实际工程上的开式压缩差别较大。闭式压缩成型致密度主要取决于压缩活塞和封闭堵头间的空间大小,堵头提供很大的反作用力以形成草产品,而开式压缩草产品的致密度取决于物料与压缩室四壁的摩擦力大小。试验条件下的压缩工艺与实际差别较大。
2) 描述压缩特性的数学模型多为对实验数据的拟合,未建立起与物料特性相关参数的关系式。如压缩力-密度模型中,各实验系数取决于当前实验的实验数据,不能有效地实现较大实验范围的预测作用,实验系数与含水率和切段长度等物料特性参数间未建立显著关系式。
3) 对压缩工艺的经济性未做深入分析。压缩过程能耗较大,需对纤维物料利用系统的整个过程经济性进行深入分析,应对预处理工艺、压缩工艺以及运输等各环节的经济性做出评价,寻找合适的压缩处理工艺参数。
3 结语
纤维物料压缩成型过程,其力学行为十分复杂,难以用一般的微分方程力学建模方法和统计方法来描述。研究的结果多为经验与半经验,缺少系统性。尤其是对物料特性本构方程的研究,尚不能准确描述实际压缩成型过程,由此也影响到对成型工艺的优化及机具的设计。因此,有必要进行多方位的实验与分析,揭示成型规律。
摘要：在大量查阅国内外农业纤维压缩成型资料的基础上,对压缩成型过程中的能耗、压缩力、压缩密度及物料的流变学模型研究进行了总结。其中,能耗和物料最终成型密度对农业纤维物料压缩成型产品的成本影响较大,也是大多数相关研究者的关注重点。通过总结已有研究认为,压缩过程中的最大压缩力、物料含水率及压缩保持时间是影响压缩能耗及产品最终密度的主要因素。借助流变学模型能够有助于描述压缩过程中的应力-应变-时间关系,并对确定压缩频率及产品最终形态稳定性有重要影响,建议将压缩处理工艺作为纤维物料利用系统的一个环节加以综合考虑,并对压缩经济性进行深入分析,在此基础上寻求压缩工艺的优化。
粗纤维物料 篇3
关键词：粗纤维,稻草,降解
引言
植物体内的纤维素是地球每年接受太阳能量最大的储藏体, 据统计, 全球每年通过光合作用产生的植物高达1.8×1011t, 这些植物所含的能量相当于全球人类每年能量消耗量的20倍。在生物界, 结合于有机体中的炭达27×1010t, 据测算, 植物界中纤维素总量约达26.0×1010t, 而且还在不断更新和积累, 可以说, 纤维素在自然界中是一种最丰富的可再生的有机资源[1~3], 我国每年达6亿t以上[4]。稻草是草类纤维原料中纤维较短而细的一种, 其纤维平均长度为1mm左右, 宽度仅8μm左右, 细胞上明显的纹孔或不甚明显的纹孔, 胞腔较小[5]。
利用自然或人工改造的微生物将植物体内纤维素材料转化为可直接利用的液体燃料, 是人类解决过多依赖化石能源的一条重要途径[6~7]。筛选具有高活性纤维素酶的秸秆降解微生物菌株以及相关研究是当前研究的热点和难点。本研究从安徽省某山区树木上分离出一株具有较高粗纤维降解能力菌株, 在好氧状态下, 72h之内, 可以将以上废物中20%以上的粗纤维转化为糖类, 该技术在稻草制造乙醇方面具有较好的工业化应用前景。
1 菌种的选育方法[8~9]
1.1 选育原理
利用纤维素降解菌在刚果红培养基内以CMC-Na为主要炭源, 产生水解圈, 通过观察水解圈的大小的方法进行纤维素降解菌的初步筛选。
利用滤纸条培养基进行纤维素降解菌的复筛, 通过菌株将滤纸条内粗纤维降解为糖类, 通过测定糖类和测定CMC-Na酶活吸光值指示该菌分解粗纤维的能力, 供筛选用。
1.2 培养基的准备
(1) 刚果红培养基
(NH4) 2SO4 (2.0g/L) ;Mg2SO4·7H2O (0.5g/L) ;K2HPO4 (1g/L) ;Na Cl (0.5g/L) ;CMC-Na2g/L;刚果红0.4g/L;琼脂:20g/L;p H:7.0;121℃灭菌30min备用。
(2) PDA培养基
葡萄糖20g;琼脂20g;马铃薯液1000ml;200g马铃薯去皮挖眼切小块入1000ml蒸馏水中煮沸30min, 用纱布过滤后加入葡萄糖和琼脂, 加蒸馏水补足至1000ml。121℃灭菌30min备用。
(3) 筛选培养基
滤纸条若干;蛋白胨 (2.0g/L) ;酵母粉 (2.0g/L) ;无机盐 (100ml/L) ;121℃灭菌30min备用。
(4) 固体培养基
稻糠皮 (10%) ;玉米粉 (4%) ;稻草粉 (52%) ;稻壳酒糟 (32%) ;尿素 (1%) ;酵母粉 (0.4%) ;碳酸钙 (0.3%) ;磷酸二氢钙 (0.3%) 。
1.3 初步筛选步骤
(1) 将样品放入富集培养瓶内进行菌种富集, 37℃下用蒸馏水震荡30min, 150r/min。
(2) 配成10-2、10-3、10-4、10-5, 4个数量级样品。
(3) 每个平板内倒入18ml刚果红培养基。
(4) 用无菌吸管吸取适量菌液均匀涂布于刚果红平板内, 每个数量级做3个平行。
(5) 37℃无菌培养箱培养48h后记录水解圈及菌株生长情况。
1.4 复筛步骤
(1) 利用接种针挑取有水解圈的菌株转入斜面保存, PDA培养基。
(2) 37℃无菌培养箱培养48h。
(3) 挑选长的好的菌株进行摇床培养, 培养基为不加琼脂的PDA培养基。
(4) 纯化, 接入斜面保存, PDA培养基。
(5) 利用接种针将菌株从二次纯化斜面挑入筛选培养基, 进行摇床培养。转速106r/min;30℃。直至某些菌株将滤纸分解完全为止。
(6) 72h后观察筛选培养基内菌种生长情况, 记录实验现象, 以供筛选。
(7) CMC-Na酶活吸光值的测定;离心液中葡萄糖吸光值的测定;连续测3d。
(8) 根据其吸光值的大小, 筛选出酶活吸光值和葡萄糖吸光值较大的菌株。
2 实验方法
(1) 将菌株进行摇床培养扩培。转速106r/min;30℃, 培养基为不加琼脂的PDA培养基。
(2) 稻草和酒糟培养基121℃灭菌30min备用。
(3) 按菌液:稻草和酒糟培养基为1:100进行喷洒接种, 并且调节好干湿比。
(4) 30℃培养箱好氧培养72h;每日翻堆2~3次。
(5) 根据国家标准《饲料中粗纤维测定方法》 (GBT6434-2006) 测定原样和降解样品中粗纤维的含量, 计算粗纤维降解率。
3 酶活及含葡萄糖量吸光值的测定[10~11]
3.1 CMC-Na酶活吸光值的测定
(1) 取筛选培养基培养液4ml于离心管中4000r/min, 离心5min, 上清液为粗酶液。
(2) 取0.5ml离心液, 加入1%CMC-Na溶液2ml。
(3) 放入50℃水浴锅中糖化30min。
(4) 取出后加入2.5ml DNS试剂, 沸水浴10min, 冷水浴3min。
(5) 用722N分光光度计比色, 550nm, 1cm比色杯。
(6) 同样方法做空白。
3.2 离心液中葡萄糖含量吸光值的测定
(1) 取筛选培养基培养液4ml于小离心管中4000r/min, 离心5min, 上清液为粗酶液。
(2) 取离心液3ml倒入试管。
(3) 加入5ml DNS试剂, 沸水浴10min, 冷水浴3min。
(4) 用722N分光光度计比色, 550nm, 1cm比色杯。
(5) 同样方法做空白。
4 实验结果
小结:CMC-Na酶活吸光值为负值, 可能是取样较少, 导致酶活检测不出, 由于酶活随时间变化较大, 该吸光值在本研究仅作为各个菌株之间的比较, 数据供筛选用。当取样较多时, 葡萄糖吸光值可以测出, 通过显色反应, 指示出某菌株将滤纸中粗纤维降解为葡萄糖的量, 供筛选菌株借鉴用。
小结:从15个样品中各个数据和实验现象等因素综合考虑, 2号样品的降解滤纸和利用滤纸中粗纤维能力最强, 选定2号菌作为纤维素降解菌培养。
小结:通过实验观察, 原样品粗纤维呈现条状亮晶状, 颗粒较大, 半透明。降解后样品的粗纤维呈现毛屑状, 深色, 主要以絮状形态存在, 初步判断属于半降解态, 如果降解时间延长, 其粗纤维含量有望进一步降低。
5 结论
(1) 通过形态分析, 确定2号菌属霉菌, 好氧。
(2) 2号菌具有较强的粗纤维降解能力, 实验研究表明, 以高温灭菌后的固体培养基为降解对象, 在好氧状态下, 72h, 可以将以上物料中20%以上的粗纤维转化为糖类, 该技术在稻草制造乙醇方面具有较好的工业化应用前景。
(3) 纤维素降解菌的筛分过程中, 不能仅依靠水解圈的大小作为筛选的依据, 2号菌的水解圈并不是很大, 多数细菌水解圈的大小是它的若干倍, 但是, 其真正的降解能力确是很低的, 所以, 在筛选纤维素降解菌时, 不能够仅凭水解圈大小来进行挑选。
(4) 通过测定酶活和糖的分光光度值的大小来筛分纤维素降解菌具有一定的借鉴意义, 但该菌的最终降解能力也不能够完全据此判断, 不同菌体生长速度不同, 其降解纤维素的能力差别很大, 所以不能够完全依赖其酶活和糖类多寡判断。
(5) 最终确定应当看其最终降解滤纸粗纤维的能力大小, 包括将滤纸物理形态的破坏能力, 破坏后滤纸的形态如何, 是否分解或仅仅改变物理形态, 基本的化学组成是否发生改变等等。
6 展望
通过实验可初步确定2号菌株具有较好的实际应用前景, 比如可以与其它菌株配伍, 制成相关固体废物处理的生物制品或利用其产生纤维素酶较好的优势作为相关酶制剂的微生物, 也可以在2号菌株的基础上构建纤维素分解工程菌, 拓宽其应用领域和功能, 可以在印染、制药、制乙醇、工农业废水治理等领域得到应用。
参考文献
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粗纤维在母猪饲料中的应用 篇4
1 粗纤维的含义
粗纤维作为一种结构性碳水化合物, 是一个比较粗略的概念, 传统测定粗纤维的方法是对样品经稀酸、稀碱消煮后, 剩余的成分即为粗纤维[1]。这不是一种精确的分析方法, 因为实际上粗纤维中还包括纤维素、半纤维素和木质素等成分, 这些成分营养特性存在很大差异。鉴于此, 目前发展了以Vansoest的可溶性为基础定量测定纤维素的方法, 即通过中性洗涤剂 (主要成分通常是十二烷基硫酸钠) 、酸性洗涤剂 (主要成分是十六烷三甲基溴化铵) 对样品进行消煮, 直接测定中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维和酸洗木质素的含量, 中性洗涤纤维是对总的植物细胞壁含量的估计, 主要包括纤维素、半纤维素和木质素。酸性洗涤纤维是对纤维素和木质素含量的估计, 根据中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维的差值可估测饲料中半纤维素含量。
2 粗纤维的营养特性
反刍动物瘤胃有很强的发酵能力, 可较好地消化利用纤维类成分。单胃动物由于其生理特点, 对粗纤维中不同成分的利用程度有较大差异。单胃动物的胃和小肠对纤维素、半纤维素和木质素的利用能力都较差, 但在大肠部位, 可通过寄居于大肠的微生物对纤维素、半纤维素等成分进行发酵, 产生挥发性脂肪酸。与反刍动物类似, 大肠微生物很难分解木质素, 已有研究表明, 木质素含量及其与纤维素、半纤维素的结合程度, 会影响大肠微生物对纤维素、半纤维素的利用[2]。单胃动物对纤维素的利用程度因纤维素的来源、木质化程度、饲粮水平和加工程度不同而变化很大。对纤维素的利用也受日粮的物理和化学组成、饲喂水平、动物年龄和体重、对纤维源的适应性及猪只个体差异等因素的影响。因此, 在各种研究报道中, 纤维素消化率变化很大。据估测, 挥发性脂肪酸提供给猪的能量占维持需要量的5%~28%。猪利用大肠发酵产生的挥发性脂肪酸的能量, 其利用效率低于小肠能量利用效率, 原因可能是母猪为了消化和代谢饲料中的粗纤维, 使得肠胃蠕动增加, 产生过多的热量, 这些热量猪只本身无法吸收利用, 却造成母猪额外的负担与应激, 所以当母猪摄取含有高纤维的原料时, 会产生过多无法利用的热量。有研究表明, 提高日粮纤维素水平会降低蛋白质消化率, 但也有报道认为, 当纤维源为日粮提供的蛋白质极少时, 增加纤维水平不会显著影响蛋白质消化率[3]。这也说明粗纤维作为植物细胞壁的主要成分, 会限制与其结合的蛋白质及细胞内蛋白质的利用。
3 高纤维日粮对母猪生产性能的影响
向猪饲料中添加粗纤维可降低日粮消化能浓度。为了维持DE进食量, 猪通常增加对这种饲料的采食量。然而, 当日粮中粗纤维含量超过10%~15%时, 由于容积过大或适口性降低使采食量下降。在低温环境下, 母猪可通过增加采食量, 使低能 (高纤维) 日粮能够维持猪的妊娠和泌乳需要, 达到与喂高能日粮时相同的效果;但在高温条件下, 由于受采食量的限制, 低能 (高纤维) 日粮一般难以满足妊娠和泌乳需要。高纤维日粮可增加热应激, 夏季母猪如果采食高纤维日粮, 会导致体热增加, 产生热应激。尤其是怀孕后期的母猪, 常因热应激造成气喘、不安、厌食及发热等现象, 导致无乳、缺乳及养猪者经常忽略的非炎症性乳房水肿。饲料中粗纤维含量过高, 会影响养分的吸收利用。
高纤维饲料通过胃肠的速度会加快, 导致养分的吸收利用率降低, 饲料效率变差, 原因:一是由于母猪肠道末端的微生物没有足够的时间来消化饲料中的养分, 而影响猪只对饲料的利用。二是在自由采食状况下, 随着粗纤维的增加, 能量的吸收也会变差。试验证明, 每摄取1 kg高纤维饲料可减少267.78 k J的消化能。同时, 过多的纤维素还会影响饲料中矿物质的吸收与利用。若饲料中粗纤维含量高时, 其中含有的植酸、草酸盐及矽酸盐等, 会与矿物质形成不溶性的络合物等, 从而影响钙、磷等的利用率。母猪本身对钙、磷的需求量高, 若粗纤维量偏高, 影响钙、磷的吸收利用, 将导致母猪营养失调、泌乳不正常、离乳后母猪后肢脆弱等。粗纤维含量过高, 饲料内的其他养分相对降低, 而必须大量提高单原料的用量, 亦不符合经济原则。
4 低纤维日粮对母猪的影响
日粮中粗纤维含量太低, 会引发妊娠母猪和哺乳母猪的一系列问题。如易引起母猪便秘, 原因可能是饲料在消化道中停留时间太长, 水分吸收太多, 粪便干燥而引起便秘。另外, 工厂化养殖中母猪的胃溃疡等消化道问题, 可能与日粮纤维素含量过低有关。妊娠前期的母猪如果喂低纤维日粮, 受采食量的限制, 很难有饱腹感, 会引发跳圈之类的问题。
5 合理调控母猪饲料中粗纤维含量
要确定各生理阶段母猪饲料中粗纤维的适宜含量, 必须综合考虑各种因素。妊娠前期母猪饲喂纤维含量较高的饲料肯定有好处[4]。妊娠后期由于胎儿的发育, 母猪腹压增加, 对营养摄入亦增加, 因此不宜大量采食容积过大的饲料 (高纤维饲料) , 但同时应考虑便秘问题, 纤维含量不宜降得太低。哺乳母猪由于泌乳的需要, 不可使用低能 (高纤维) 饲料。
对妊娠母猪甚至哺乳母猪, 提供青绿多汁饲料, 在解决便秘等问题的同时, 可补充部分维生素。但这种办法在规模化猪场中, 会因为生物安全体系的限制等原因而很难具体操作。实际上也可考虑在饲料中添加苜蓿草粉等高品质纤维类饲料, 亦可收到相同的效果。
综上所述, 粗纤维含量过高或过低的饲料, 对母猪生产性能都会造成相当大的影响。尤其是夏天, 温度高再加上高纤维饲料, 对猪只生长将造成很大的热应激, 而热应激所产生的各种不良影响, 是目前养猪业最大的困扰。但饲料中粗纤维含量太低, 又会使母猪产生便秘、厌食和可能的消化道溃疡等问题。根据母猪的不同生理阶段、营养需要, 以及饲料原料的不同品质, 合理搭配日粮, 可较好地解决上述问题。
参考文献
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粗合成纤维混凝土的性能及应用 篇5
纤维增强混凝土是以混凝土为基材, 以各种纤维为增强相组成的复合材料。纤维从微观机制上改善了基体材料的性能, 弥补了混凝土抗拉强度低、韧性差、极限延性率小等缺点。
在混凝土中掺入细合成纤维是解决混凝土早期开裂的简单有效方法, 然而, 细纤维的掺量一般较小, 对于硬化混凝土韧性和后期抗裂性的改善很小。工程中常用钢纤维来提高硬化混凝土的后期开裂性能、韧性及抗冲击性能, 但钢纤维存在锈蚀问题, 且重量较大、造价较高, 施工中常有结团现象。目前, 粗合成纤维不断得到发展并引进市场, 较细纤维而言, 粗合成纤维可采用更高的体积掺量, 为混凝土裂后提供承载力。这类纤维与钢纤维有很多类似的特点, 同时又较好地克服了钢纤维的缺点, 在应用中可作为钢纤维的替代品, 有着较广阔的应用前景。
1 粗合成纤维的特性和在混凝土中的作用
1.1 粗合成纤维的特性
粗合成纤维主要有聚丙烯或聚乙烯所属聚烯烃、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚酰胺及它们的混合物。粗合成纤维的当量直径在0.1mm以上, 且具有较高的初始模量。粗合成纤维的体积掺量可比细纤维大, 最大可达1.35% (即12kg/m3) 。此外, 粗合成纤维的比钢纤维有更好的而酸碱腐蚀性, 在分散性、对机械的磨损、运输及拌合等方面, 粗合成纤维也较钢纤维表现出了更强的优势。
目前, 市场上的粗合成纤维主要为以聚丙烯为主的聚烯烃类材料。通过添加特制改性材料, 并且应用多种锚固机制开发的粗合成纤维, 可提高纤维粘结性、分散性, 由此增强了与混凝土的粘结力和握裹力。图1为国内外几种常见粗合成纤维, 表1为常用粗合成纤维的性能指标。
1.2 粗合成纤维在混凝土中的作用机理
掺粗合成纤维的混凝土在拉伸荷载或弯曲荷载的作用下, 最初是纤维与混凝土共同承担外力, 使纤维混凝土复合材料呈现弹性变形, 一旦混凝土达到其极限抗拉强度值时即产生裂缝 (即初裂) , 混凝土通过它与纤维的界面将荷载转递给纤维, 复合材料的承载能力随变形的继续增加而有所下降。其承载能力的下降速率主要取决于纤维的体积率、纤维与混凝土的界面粘结强度、纤维长度以及纤维的弹性模量。与细合成纤维比, 粗合成纤维体积率高、长度大、弹性模量较高, 尤其是纤维与混凝土的界面粘结强度高, 能减缓混凝土中裂缝的扩展, 并承接混凝土所转递的荷载。在继续受荷过程中, 纤维被拉伸至与混凝土的粘结削弱, 最后从混凝土中被拔出而导致复合材料破坏。由于粗合成纤维能使混凝土在出现裂缝后仍然具有一定的承载与变形能力、吸收较多的能量, 因而可显著提高混凝土的韧性, 并相应提高混凝土的抗冲击性与延展性。
2 粗合成纤维对混凝土性能的影响
2.1 粗合成纤维混凝土的工作性能
粗合成纤维比钢纤维具有更好的和易性和拌和性能, 但粗合成纤维在掺量较高的情况下, 混凝土的坍落度会有一定程度的下降, 其下降程度一般不影响其工作性能, 必要时可通过掺加减水剂或增塑剂来保证其坍落度。
2.2 粗合成纤维混凝土的强度
粗合成纤维对混凝土的抗压强度影响不大, 当掺量较低时, 混凝土的强度在一定范围内有所提高, 提高幅度不超过5%。当纤维掺量超过11kg/m3时, 混凝土的抗压强度开始降低。
粗合成纤维对混凝土的抗折强度提高明显, 当纤维掺量由5kg/m3增加到11kg/m3时, 抗折强度增长率由1.6%增加到13.3%。
2.3 粗合成纤维混凝土的弯曲韧性
粗合成纤维混凝土的弯曲韧性试验按照RILEM标准进行。在弯曲韧性试验中, 试验梁的尺寸为150mm×150mm×550mm, 跨度500mm, 下部有25mm深的开口, 使用1000k N液压伺服试验机, 等速位移控制, 跨中位移速率为0.2mm/min, 两侧用位移传感器 (LVDT) 测定梁的跨中挠度, 梁的底部用夹式引伸仪测定裂缝口扩展宽度 (CMOD) , 混凝土试件浇注后28d进行试验。
图2为粗合成纤维与钢纤维混凝土梁的荷载-挠度曲线。由图2可以看出, 与素混凝土梁相比, 粗合成
图中, PPA2代表粗合成纤维掺量2kg/m3;PPA4代表粗合成纤维掺量4kg/m3;PPA6代表粗合成纤维掺量6kg/m3。纤维混凝土梁的抗弯强度有较大程度的提高 (20%~30%) , 且随着掺量的增加, 混凝土梁裂后承载力有较大的提高。纤维掺量越高, 曲线下降越平缓, 说明纤维掺量的增加提高了混凝土试件的韧性。
图3为粗合成纤维、钢纤维及二种纤维混杂混凝土梁的荷载挠度曲线。由图3可以看出, SF30PPA4与SF30相比, 混凝土的韧性显著提高, 当跨中挠度为 (δ0+0.65) 时, 对应的能量吸收值和等效抗弯强度提高了55%, 当跨中挠度为 (δ0+2.65) 时, 对应的能量吸收值和等效抗弯强度提高了117%。SF50PP6与SF50相比, 混凝土的韧性亦有不小的提高, 当跨中挠度为 (δ0+0.65) 时, 对应的能量吸收值和等效抗弯强度提高了23%, 当跨中挠度为 (δ0+2.65) 时, 对应的能量吸收值和等效抗弯强度提高了75%。SF30PP4与SF50增韧效果基本相当, 当跨中挠度为 (δ0+0.65) 时, 对应的能量吸收值和等效抗弯强度仅低10%, 而当跨中挠度为 (δ0+2.65) 时, 对应的能量吸收值和等效抗弯强度提高18%, 表明随着跨中挠度与裂缝口扩展宽度的增加, SF30PP4在梁开裂后的承载力更为稳定。
图中, SF50PPA6代表钢纤维掺量50 kg/m3+粗合成纤维掺量6kg/m3;SF30PPA4代表钢纤维掺量30kg/m3+粗合成纤维掺量4kg/m3;SF50代表钢纤维掺量50kg/m3;SF30代表钢纤维掺量为30kg/m3。
2.4 粗合成纤维混凝土的抗冲击性
用落锤法对比了素混凝土与粗合成纤维与哑铃型钢纤维的抗冲击性。试验方法:锤重2.5kg, 冲击高度为400mm, 梁两端为简支, 净跨340mm, 试验结果见表2。表2中冲击次数为10个试件的平均值。由表2可见, 钢纤维对混凝土初裂冲击性能的提高优于粗合成纤维, 而粗合成纤维对混凝土破坏冲击性能的提高优于钢纤维。
2.5 粗合成纤维混凝土的耐久性
下面是国外某机构对粗合成纤维混凝土及钢纤维混凝土的耐久性试验研究, 试件成型后, 标准养护28d, 在实验机上对混凝土梁加载预制裂缝, 裂缝的宽度约1mm。测得28d时板的能量吸收值。将已开裂的钢纤维混凝土、粗合成纤维混凝土试件均放置在露天环境1年, 然后再二次加载承载力试验, 测定荷载-挠度全曲线, 求得剩余能量吸收值, 结果见表3。
由表3中数据可以看出, 1年后粗合成纤维混凝土能量吸收值几乎未减, 而钢纤维的能量吸收值明显下降, 即承载力及变形能力损失严重。从试件的破坏面上, 从混凝土拔出的粗合成纤维完好无损, 无腐蚀现象, 而从混凝土中拔出的钢纤维严重锈蚀, 大部分被拔断。由此可见, 粗合成纤维比钢纤维具有更好的抗腐蚀性能, 比钢纤维更合适在潮湿环境下使用。
3 粗合成纤维的应用
3.1 喷射混凝土 (隧道与矿井)
纤维增强喷射混凝土在作为地下坑道支护等使用时具有容纳可能发生的大变形的能力。使用粗合成纤维的另一优点是可以消除在喷射混凝土中因纤维外露而引起安全隐患。
澳大利亚Ridgeway矿的倾斜式传送带入口处衬砌使用了粗合成纤维, 掺量约为7kg/m3。
日本的很多公路与铁路隧道中将粗合成纤维用于初期衬砌, 掺量约为9kg/m3。Hokuriku新干线 (子弹头火车) 上, 22km长的Liyama铁路隧道的衬砌就使用了约52000m3的粗合成纤维增强混凝土。由东京至名古屋的高速公路和名古屋至神户的高速公路上的公路隧道中也使用了粗合成纤维。
英国肯特郡的Strood和Higham铁路隧道重新设置衬砌时使用了掺加粗合成纤维的强度等级为40MPa的自密实混凝土, 用掺量为8kg/m3的粗合成纤维代替控制裂缝的钢筋网, 不但节约工程的工时与造价, 且衬砌的表面质量很好, 只看到非常少的纤维, 而无使用钢筋网的腐蚀现象及表面斑点。
在国内, 福建省某空军工程中的通道边墙喷护采用了粗合成纤维, 掺量6kg/m3, 浇筑完工后, 边墙表面光滑, 无刺毛、无裂缝, 整体效果很好。
3.2 地基承载板 (公路、道路面层与硬表面停车场)
粗合成纤维可代替钢纤维或传统的钢筋网用于混凝土地基承载板。其纤维掺量取决于地板厚度、接缝中心间距以及荷载特性等因素。当地板厚度在150~250mm范围内时, 粗合成纤维的掺量为2~7kg/m3。若所设计的地板不需要有裂后承载能力, 而只要提高耐磨性, 则可用较低的掺量。
英国Tyne港的Riverside Quay道路面层修补时, 在混凝土中同时使用了粗合成纤维和聚丙烯细纤维。该港口是用来出口废金属的, 因此, 路面板要经受载重装备 (包括履带式车辆) 以及上千吨的废金属的高度磨损。
美国盐湖城一主要零售商品中心的停车与装货区使用了掺粗合成纤维的地基承载板, 总共铺装约16000m2, 停车区的板厚为150mm, 货车装运重载的船坞区的板厚为200~250mm, 粗合成纤维掺量约为2.6kg/m3。
英国剑桥郡A428国道改造工程中, 用粗合成纤维与细纤维, 铺装了约12km长, 混凝土厚度为180mm, 粗合成纤维掺量4kg/m3。
美国芝加哥西大街的公共汽车停车场重新整修时, 使用了粗合成纤维增强的混凝土罩面层来替代普通混凝土板。此罩面层的厚度为100mm, 而混凝土板的厚度至少是250mm, 因而工程造价大大降低。
在国内, 河北廊涿高速公路施工中, 为了提高路面的动荷载承载能力和耐久性能, 在混凝土中掺入4.5kg/m3的粗合成纤维和54kg/m3的钢纤维, 混凝土拌和性能和施工性能较好, 混凝土各项指标均满足设计要求。
新疆某机场跑道, 为了解决大面积路面裂缝问题, 提高混凝土的抗磨性能和舒适性, 在混凝土中掺入了7kg/m3的粗合成纤维和0.9kg/m3细纤维, 效果良好。
3.3 铁道与非磁性应用
在英国, 由伦敦凯宁镇至城市机场Docklands的轻轨铁路4.4Km延伸线上使用了粗合成纤维增强的轨道板。选用纤维而不用传统钢筋是考虑到钢材对板顶表面的感应线圈有影响。线圈控制操纵台上的电脑, 而电脑又控制车速和信号。试验表明, 纤维混凝土可提供合适的拔出阻力, 因此使压住螺栓的轨道板钻孔后可固定在纤维增强混凝土板中。板中没有普通钢筋使此操作得以简化, 可在轨道板的任何处钻孔而不会损伤钢材。
粗合成纤维也可用于要求无磁场或无感应电流的雷达站及其他领域。
3.4 其他应用
粗合成纤维混凝土还可应用在排水管道、电缆槽和桥面的永久性模板等处。在爱尔兰所进行的比较试验表明, 粗合成纤维增强水泥永久性模板的功能优于已使用的玻璃纤维增强水泥永久性模板。在美国粗合成纤维被用来制造预制的阶梯构件以替代踏板、竖板和侧壁中的钢筋网, 使用纤维还可克服在薄断面中配置钢筋网的困难。
4 结语
粗合成纤维用于混凝土中具有较好的抗裂、增强、增韧性能, 用于隧道支护、深井巷道、桥面铺装、装货码头、路面铺装层工程中, 可以很好的解决混凝土的脆性大、耐久性差等缺点, 同时具有很好的抗裂效果, 是一种集优越的力学性能、良好的耐久性能以及经济性于一体的新型工程材料。
摘要：粗合成纤维是继钢纤维和细纤维之后的一种新型纤维, 兼有细纤维的抗裂性能和钢纤维的增强、增韧特点。通过试验, 分析研究了粗合成纤维在混凝土中的作用及其对混凝土的各项性能改善, 并介绍了国内外对粗合成纤维的研究和应用情况。
关键词：粗合成纤维,混凝土,性能,应用
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粗纤维物料 篇6
1粗饲料的开发和利用
国际分类法和中国分类法将饲料干物质中粗纤维含量≥18%, 自然含水量<45%的饲料划归为粗饲料。主要包括秸秆、秕壳等农副产品及一些漕渣类等。这类饲料营养价值较低, 主要为反刍动物利用, 其利用关键在于瘤胃微生物的摄取、消化和降解能力。粗饲料可通过物理, 化学和微生物处理方法提高其营养价值。Cheeke则认为物理, 化学方法对其营养品质改善有限, 而通过适宜的营养补添, 优化瘤胃内环境, 从而实现动物对粗饲料的最佳利用才是开发粗饲料营养价值潜力的根本途径[1]。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, 木质素及果胶等部分, 是反刍动物的一种必需营养素, 是粗饲料的重要组成部分, 直接决定着粗饲料的消化程度。其功能[2]包括:
1.1维持瘤胃的正常功能和动物的健康淀粉和中性洗涤纤维 (NDF) 是瘤胃内产生挥发性脂肪酸 (VFA) 的主要底物。淀粉在瘤胃内发酵比NDF更快、更剧烈。若饲粮中纤维水平过低, 淀粉迅速发酵, 大量产酸降低瘤胃液p H, 抑制纤维分解菌活性, 严重时可导致酸中毒。饲粮纤维能结合H+, 本身就是一种缓冲剂, 从而消除瘤胃液中过多的酸, 防止酸中毒。NRC (1989) 推荐泌乳牛饲粮至少应含19%-21%的酸性洗涤纤维 (ADF) 或25%~28%的NDF, 并且饲粮中NDF总量中的75%必须由粗饲料提供。
1.2维持动物正常的生产性能饲粮中纤维水平过低, 瘤胃液挥发性脂肪酸中乙酸减少, 导致乳脂肪合成减少, 故将饲粮纤维控制在适宜的水平上, 可维持动物较高的乳脂肪率。
1.3为动物提供大量能源饲粮纤维发酵产生的VFA是反刍动物主要的能源物质, VFA能为反刍动物提供能量需要的70%~80%。
2瘤胃机能
2.1瘤胃内环境瘤胃内环境主要包括内容物的容积及性状、微生物群落的构成及活力、离子浓度、渗透压梯度及含水量、最佳p H范围、总酸度、VFA的浓度及组成等[3]。胃肠内环境的相对恒定对维持胃肠道运动, 分泌消化及吸收机能具有重要作用。健康牛瘤胃液呈黄褐色或淡黄色, 芳香味, 轻微粘稠。p H=5.5-7.5, 总酸度约20~21.5, VFA约为90~150mol/L。一般情况下三种酸的比例大体为乙酸:丙酸:丁酸=70:20:10, 但随日粮种类而异。瘤胃微生物主要为厌氧性纤毛虫、细菌、真菌等, 种类甚为复杂, 并随饲料种类, 饲喂制度及动物年龄等因素而变化。1g瘤胃内容物中约含细菌150~250亿个和纤毛虫60~80万个, 总体积约占瘤胃液的3.6%, 其中细菌和纤毛虫约各占一半[4]。瘤胃内大量繁殖的微生物随食糜进入皱胃后, 被消化液分解而解体, 可为宿主动物提供大量优质的单细胞蛋白养分。
2.2瘤胃内消化代谢 (1) 糖类的分解和利用:饲料中的纤维素主要靠瘤胃微生物的纤维分解酶作用, 通过逐级分解, 最终产生VFA, 主要是乙酸、丙酸、丁酸和少量较高级的脂肪酸[4]。 (2) 蛋白质的分解和合成:反刍动物的蛋白质代谢因受瘤胃发酵的影响, 其蛋白质消化代谢与单胃动物明显不同。一般认为, 动物摄食进入消化道的蛋白质都需经三个途径[5]:第一个途径是它在瘤胃不被分解又不被消化, 直接从粪中排出。第二个途径是蛋白质在瘤胃被分解成氨基酸及氨态氮类, 然后被微生物所消化利用, 形成菌体蛋白质 (MCP) , MCP对可代谢蛋白质的贡献在50%以上, 并且其氨基酸组成比较平衡。第三个途径是不被微生物分解但能被反刍动物利用。由此可见, 粗纤维的利用关键在于第二类蛋白质。据韩正康编著的《家畜生理学》 (1996) 报道, 进入瘤胃的饲料蛋白, 一般约有50%~70%在瘤胃内被微生物蛋白酶分解为肽、氨基酸。氨基酸在微生物酶的作用下, 在瘤胃中因发酵的不同, 及所给于的饲料不同和其他情况的差异, 而导致菌体蛋白质组成的不同。因此, 蛋白质水平和来源对保障瘤胃微生物生长, 创造适宜的瘤胃内环境是非常重要的。
3蛋白水平对粗纤维消化率的影响
Sniffen[7]指出日粮中可发酵碳水化合物较高时, 蛋白质就成为微生物生长的主要限制因子, 而微生物是纤维物质的主要分解者。谭支良等 (1999) [6]指出, 反刍动物采食单一低质饲料, 其瘤胃微生物活性都很低, 若饲料间的整体互作使日粮内某种营养成分利用率或采食量高于各种饲料的加权值或对照组的, 称之为正组合效应, 反之, 则称为负组合效应;若二者相等, 则称之为零组合效应。Oldham等[8]在给小犊牛饲喂低蛋白日粮和高蛋白日粮对比试验中证实, 饲喂低蛋白日粮的小犊牛, 其DM、OM、纤维消化率明显降低, 小犊牛增重缓慢, 这就是负组合效应。Mould (1998) 认为在高饲养水平时, 粗饲料营养价值下降并且粗饲料与精料配合饲喂时往往发生负组合效应。可能的机制是因为随着精料的提高, 粗饲料的消化率和流通速率下降, 从而导致瘤胃容重变化, 使对粗饲料的采食量降低。Sniffen等[7]指出粗饲料日粮中添加蛋白质可以改善适口性, 提高采食量。这种正组合效应在日粮粗蛋白低于8%时尤易发生, 其可能的机制是由于低质粗料中添加有效氮源, 使得流通速度加快, 瘤胃内滞留时间缩短。谭支良等 (2000) 以绵羊为实验对象, 认为绵羊在1.2倍维持饲养水平条件下, 当日粮中的过瘤胃蛋白 (UDP) 与瘤胃降解蛋白 (RDP) 的比例为0.5~0.7时, 对瘤胃的发酵调控最为理想, 有利于纤维物质的降解[9]。Hungate[10]认为低质粗料中纤维物质的消化主要归功于瘤胃微生物, 特别是细菌和原虫, 在低质饲料未添加蛋白质时, 瘤胃NH3浓度很低, 内源氮是微生物氮需要的主要来源。随着添补水平提高, NH3浓度升高。瘤胃微生物能依靠NH3-N而生长。细菌和原虫数量上升, 支链脂肪酸和瘤胃产生的氨基酸或小肽增加, 纤维分解菌活性增加。瘤胃NH3是各种瘤胃纤维分解菌生长所必需的。瘤胃NH3-N水平可抑制微生物活性, 降低纤维消化速率和程度。淀粉和纤维分解菌对N需要的直接竞争可能进一步限制纤维分解。但Bryant等 (1955) 和Gorosite等 (1985) 认为支链脂肪酸是一些纤维分解菌的生长因子。而添补蛋白质恰恰保证了NH3-N和支链脂肪酸、氨基酸 (或小肽) 供给, 有利于微生物的生长, 进而达到促进纤维物质消化的目的。熊本海等 (2003) [11]在对奶牛日粮精粗比例合理区间理论研究分析中指出, 从理论上, 粗料:精料干物质合理区间为F:C=85~65:15~35。在该范围内, 无论F:C取何值, 都能获得主要养分指标, 在数量上满足需要并达到RDP和UDP完全平衡, 同时达到瘤胃碳水化合物与瘤胃蛋白质消化的同步性。Jones[12]用连续培养法研究了不同氨基酸水平对微生物生长与代谢的影响。指出适宜的肽水平会促进N消化, 增进微生物生长;肽水平过高, 会引起微生物产量下降, 这可能是由于氨浓度下降造成纤维素分解菌数目减少的原因。李俐[13]用混合瘤胃微生物体外培养的方法研究表明, 肽对糖和淀粉发酵的促进作用发生在培养的初期, 且持续时间短, 而对纤维素发酵的促进作用发生在培养8h之后, 一直持续到培养的48h。有学者会认为加大蛋白量会更加促进动物的生长或用尿素等含N物质代替蛋白质, 以满足微生物对N的需求。这句话或许是对的, 但没考虑粗纤维的消化率和微生物生长条件。Ortega等 (1979) 和Murphy等 (1987) 曾报道说NH3浓度在6.3~27.5mg/100ml之间是微生物最适宜的生长范围。Miller等 (1985) 报道日粮水平提高会形成不利于纤维分解微生物生长的瘤胃环境。大量研究表明瘤胃微生物对氨基酸与肽有一定的需求, 用氨基酸或肽取代尿素可增加瘤胃微生物的生长。Argyle[14]以氨作为唯一氮源未发现细菌生长, 而100mg/L的肽和氨基酸使细菌生长提高了3倍;10mg/L的肽较相应数量的游离氨基酸更能促进细菌的生长。
综上所述, 根据不同的日粮类型, 选择添补不同来源和水平的蛋白质饲料, 并尽量使能量与蛋白, 降解蛋白与非降解蛋白达到配比平衡, 以提高饲料的利用率。
4结语