消化速度が速く消化率の高い セルロース系飼料の製造方法 秋田工業高等専門学校創造システム工学科物質 生物系バイオ アグリ工学コース教授上松仁 1
研究背景 : 配合飼料価格の高騰 平成 18 年 (2006 年 ) 秋 平成 18 年秋以降の配合飼料価格 ( 全畜種平均 ) は 主原料であるとうもろこしの国際価格 ( シカゴ相場 ) が燃料用エタノール生産向け需要の増加により上昇したこと等から 平成 19 年 1 月のトン当たり約 5 万円から 平成 20 年 11 月には 6 万 8 千円まで上昇した 2
酪農の問題点 1: 経営コストに占める飼料費の割合が大きい 経営コストに占める飼料費の割合 飼料自給率の推移 平成 37 年度目標 40% 粗飼料 100% 濃厚飼料 20% 資料 : 農林水産省 飼料をめぐる情勢生産局畜産部 ( 平成 27 年 9 月 ) より対策 : 1. 取引乳価の引き上げ 2. 補給金や経営安定対策による酪農家手取りの補填 3. 配合飼料価格安定制度による酪農家の飼料コスト負担の抑制 4. 自給飼料生産や未利用資源利用の拡大による生産コストの引き下げ 3
ph ph 酪農の問題点 2: 乳牛へのエネルギー供給が追い付かない 泌乳最盛期には栄養不足に陥り 体に蓄積した養分で乳生産を賄う健康の悪化 繁殖性低下 不足する乾物摂取量 濃厚飼料多給型飼料設計の考え方 : 朝夕の搾乳の前後に粗飼料と濃厚飼料を分けて給与する 4 回 / 日給与 1 回の濃厚飼料給与量は最大 4kg 8 時間以上の間隔をあけて給与する ( 最大 12kg/ 日 頭 ) 粗飼料を維持飼料 濃厚飼料を産乳飼料と位置づける 濃厚飼料は基礎配合飼料と補助配合飼料 ( 乳量に合わせて給与 ) に分ける 検証実験 : 無線伝送式ルーメン ph メーター 乳牛の現物摂取量 ( Kg/ 日 ) 35 30 25 20 従来の濃厚飼料多給型飼育 15 10 5 基礎配合飼料粗飼料 0 20 25 30 35 40 45 7.5 7 8 13 16 8 乳量 (kg/ 日 ) 7.5 7 補助配合飼料 8 13 16 8 ルーメン ph メーターの投入 ( 秋田県畜産試験場 ) ルーメン ph メーター 受信機 PC 6.5 6 5.5-0.34589 5 15 20 25 30 35 40 45 Time (h) 6.5-0.05989 6 210 215 220 225 230 235 240 粗飼料のみ ( 配合飼料 9kg 乾草 3kg)/ 日 4
日本の酪農の特殊性 : 加工型畜産 牧草のみで飼育 乳用牛頭数 ( 万頭 ) 牛乳生産量 ( 万トン ) 牛乳生産量 (kg/ 頭 ) 世界全体 22915 46600 2034 牛乳価格 ( 円 /kg) アメリカ 928 7050 7462 99 ドイツ 519 2862 5427 フランス 456 2541 5670 186 ニュージーランド 299 969 3390 121 イギリス 251 1439 5455 151 日本 121 838 7195 213 中国 395 584 1480 濃厚飼料多給型飼育 出典 : 国際農林水産統計 ( 農林水産省統計情報部 ) 1996 国際労働機関 (ILO) October Inquiry Statistics, 2008 5
新技術の提案 1: エコフィード発酵 TMR により飼料費を下げる 飼料構造のベストミックス化により価格緩衝能が高く安全で安価で栄養価が高い飼料の開発 エコフィード発酵 TMR 輸入家畜用穀物 濃厚飼料 粗飼料 輸入粗飼料 粗飼料の多様化 食品副産物 飼料構造のベストミックス化 価格緩衝能が高い 安全で安価で栄養価が高い エコフィード発酵 TMR 酪農 畜産 畜産経営の安定化 牛の健全育成 食料自給率の向上 木質飼料 自給粗飼料 農業副産物 一年を通して安定供給 微粉砕 林業 未利用間伐材等 ( 年間 2,000 万 m 3 発生 ) 木質飼料ペレット 6
新技術の提案 2: 粗飼料からのエネルギー供給量を増やす 粗飼料 ( セルロース系飼料 ) からのエネルギー供給量は 嵩比重と消化速度と TDN 含量で決まる 粗飼料からのエネルギー供給量 (TDN-kg/ 日 )= 粗飼料 -kg/l 通過量 -L/ 日 TDN-kg/ 粗飼料 -kg 嵩比重消化速度 TDN 含量 1. 粗飼料の摂取量 ( 粗飼料 -kg/ 日 ) を増やすルーメン内の物理的充満が摂取量の主要な制限要因になっているので 粗飼料を粉砕して嵩比重 (g/cm 3 ) を大きくする 2. 粗飼料の消化速度を上げる粗飼料を粉砕して質量当たりの表面積 ( 比表面積 cm 2 /g) を大きくし 飼料粒子に付着するルーメン菌を多くする 3. 粗飼料の消化率 (TDN 含量 ) を高める 1) 粗飼料を適正な粗蛋白質 (CP) 含量 ( 約 20%) にする 2) セルロース分解菌が粗飼料のセルロースに到達しやすくする 7
新技術の特徴 : 省エネルギー型微粉砕機の開発 粉砕容器の円運動 粉砕容器 粉砕媒体の円筒内壁に沿った転動 ( 角速度 ω ) 粉砕筒 公転半径 r 加振機 1068 粉砕筒 粉砕媒体の自転 粉砕媒体 ( 質量 m) タンデムリングミルの外観 タンデムリングミルの特徴 : 粉砕対象の微細化と同時に高衝撃力を付加 従来の振動ボールミルに比べて使用エネルギが大幅に低減 処理粉末の高糖化性 対ホロセルロースの高糖化率 :70% を達成 乾式微粉砕による糖液の高濃度化 高糖濃度糖液の生成 多様なバイオマス資源に対応可能 粉砕に寄与する加速度 a=rω 2 公転半径 16mm, 粉砕容器の片振幅 4mm, 公転速度 1500rpm で,493m/s 2 50G 粉砕に寄与する力 F=mrω 2 粉砕媒体重量の 50 倍 スギ材, 籾殻, 稲わらなど 粉砕に寄与するリング挙動 8
スギを微粉砕した木質飼料の製造プロセス スチールプランテック KDS-6 チップの粗粉砕 ( 含水率 99% 20%) タンデムリングミル HV70 高効率粉砕が可能 リング型粉砕媒体 特許出願人 ( 基本原理 ) 秋田県立大学秋田県産業技術センター オリジナルの粉砕技術 ( 特許第 5187682 号, 特許第 5140884 号 ) 微粉砕 ( 平均粒径 20μm, 糖化率 80% 以上, 含水率 10%) マゼラー容量 100L 噴霧器 ペレタイザー S-7 飼料用ペレット 含水率調整 ( 含水率 10% 20%) ペレット化 ( ペレット直径 7 mm, 長さ 10 mm, 含水率 10~15%) * 木質飼料及びその製造方法は特許登録している ( 特許第 5757558) 9
木質飼料を素材とするエコフィード発酵 TMR の開発 要件 1. 価格緩衝能の高い飼料構造 安定性価格供給成分 素材 比率 食品製造副産物 配合飼料 輸入粗飼料 粗飼料 (WCS) 木質飼料 評価方法 : 木質飼料の 1 割添加 6 3 1 廃糖蜜 / 乳酸菌 要件 2. 飼料成分に基づいた飼料設計 要件 3. 最適な乳酸発酵 ( 水分調整 ) 水分調整 混合 脱気密封 要件 5.TDN 含量 (DM) 70~75% 要件 6. 安定な品質 ( 栄養価 ) 要件 4. 良好な嗜好性 発酵 製品 要件 7. 価格 (DM) 25~30 円 /kg 40 円 /TDN-kg 以下 ミキサー TMR の攪拌 混合 水分調整 細断型ロールベーラー オートラップマシーン ロールベールラップサイロ 10
乳量 (kg) 木質飼料ペレットの乳牛への給与試験 乳量と乳成分 45.0 40.0 35.0 30.0 木質飼料ペレット給与期間 供試 A 供試 B 供試 C mean 乳量 30kg レベルの供試 B および C 個体では 乳量の変動は認められなかったものの 乳量約 40kg であった供試 A 個体は 一次乳量 32kg までの低下が認められた 25.0 20.0 図. 日乳量の推移 表. 乳成分の変化 乳成分項目 試験前 木質飼料給与 試験後 乳脂率 4.5±0.1 4.8±0.4 5.0±0.1 乳蛋白質率 3.9±0.1 3.8±0.2 3.8±0.1 無脂固形分率 9.0±0.1 8.9±0.1 8.8±0.2 値は平均値 ± 標準偏差 乳成分に影響は認められなかった 乳脂率の経時的な増加は 乳量の減少によるものと考えられる 11
木質飼料ペレットの肉牛への給与試験 トウモロコシ ( 対照飼料 ) を等価な TDN 量で完全に木質飼料ペレットに置き換えた飼料を 8 週間給与した 値は平均 ±SD(n=3). 分散分析 : 給与期間, 木質飼料および交互作用に有意性なし (P > 0.05). 給与期間の平均体重 : 対照区,534±27; 木質飼料区,524±32 kg/ 頭 12
飼料の消化には粗蛋白質含量が重要 TDN 含量 (%) 飼料の消化には全飼料の総粗蛋白質含量よりも 個々の飼料の粗蛋白質含量が重要 粗飼料の粗蛋白質含量と TDN 含量の関係 100 80 オーテャードグラス ( 乾草 ) 粗蛋白質含量が低い (15% 以下 ) と TDN 含量も低い 60 40 稲ワラ ( 乾草 ) 20 0 0 5 10 15 20 25 30 日本標準飼料成分表 (2009 年度版 ) より 粗蛋白質含量 (%) 13
ルーメン菌による稲わらの消化 14
飼料の表面のルーメン菌を食べるプロトゾア 15
ルーメン菌による飼料の消化メカニズム 細菌 プロトゾア : 粗蛋白質 (N) : 炭素源 (C) プロトゾア アミノ酸 プロトゾア N 飼料 ルーメン菌 消化率はC/N 比で決まる牛が吸収消化速度は炭素源の分解速度で決まる C VFA アンモニア ルーメン菌 N C 飼料 16
ルーメン菌の異化代謝 乳酸 2H 2ATP デンプン Starch Cellulose 濃厚飼料 粗飼料 セルロース 酪酸 プロピオン酸 酢酸 Pyruvate metabolism in ruminal bacteria (Nagaraja, T. G. : Microbiology of the Rumen) 17
新技術の特徴 : 木質原料と飼料原料の混合粉砕 ( セルロース原料 ) 木質原料 : 木材 木質植物 農業副産物 林業副産物 : 粗蛋白質 : 木質原料 エコフィード発酵 TMR 飼料原料 : 草本 穀物 食品副産物 食品廃棄物 農業副産物 ( 粗蛋白質原料 ) タンデムリングミル 混合粉砕飼料 ( 平均粒径 10μm~50μm) 混合粉砕飼料の特徴 : 1) 飼料の嵩比重が大きい 摂取量を増やせる 2) 飼料の比表面積が大きい 消化速度が速い 3) 任意の粗蛋白質含量にできる 消化率が高い 18
ルーメン菌のフロック ( 凝集菌体 ) 19
ルーメン菌のフロック中の微粉砕飼料 ( 400) 20
ルーメン菌による混合粉砕飼料の消化メカニズム 混合粉砕飼料 1) 飼料の嵩比重が大きい 2) 飼料の比表面積が大きい 3) 任意の粗蛋白質含量にする ( 平均粒径 10μm~50μm) ルーメン菌の吸着 : 粗蛋白質 : 木質原料 凝集 凝集 ルーメン菌 VFA N C ルーメン菌のフロック 牛が吸収 21
東北 企業への期待 北海道 ライセンスにより全国に展開する製造事業者とそれらの生産を管理する製造管理会社の二つ事業形態を考えています 木質飼料製造事業およびエコフィード発酵 TMR 製造事業への参画と技術開発に意欲的な企業を求めます 中部 中国 四国 製造管理会社 九州 製造所 製造管理会社の役割 : 1) 製造所への非独占的通常実施権の供与 2) 製造技術の提供 3) 製品の品質管理 ( 栄養価の測定 ) 製造事業者の役割 : 1) 規格に適合した飼料の製造 2) 飼料の直接販売 3) 余剰飼料の製造管理会社への販売 22
本技術に関する知的財産権 発明の名称出願番号出願人 発明者 : 家畜飼料の製造方法及び家畜飼料 : 特願 2017-121265 : 公立大学法人秋田県立大学独立行政法人国立高等専門学校機構国立研究開発法人農業 食品産業技術総合研究機構 : 高橋武彦 上松仁 嶝野英子 小松篤司 23
お問い合わせ先 秋田工業高等専門学校総務課 企画室長工藤奈緒美 TEL: 018-847-6107 FAX: 018-857-3191 E-mail: kikaku-dv@akita-nct.ac.jp 24