玉米秸秆生物发酵饲料的研究进展.doc

玉米秸秆发酵饲料的研究进展韩明鹏收稿日期：基金项目：现代农业产业技术体系建设专项资金（Supported by the earmarked fund for Modern Agro-industry Technology Research System）和河南省农业成果转化项（082201110001）资助作者简介：韩明鹏（1986-），男，河南南阳人，在读硕士研究生，研究方向为草业科学牧草营养。E-mail: 联系地址：河南省郑州市文化路95号河南农业大学牧医工程学院王成章教授收转韩明鹏 邮编：450002 联系电话通讯作者：王成章（1955-），男，河南南阳人，博士，教授，研究方向为牧草营养,E-mail:，高永革2，王成章1*，王彦华2，张晓霞1（1.河南农业大学牧医工程学院，河南 郑州 450002；2.河南省饲草饲料站，河南 郑州 450008）摘要：我国玉米秸秆资源非常丰富，但收获后的玉米秸秆养分较低，质地粗糙，适口性差。玉米秸秆发酵可有效提高其营养价值，改善其适口性，制作玉米秸秆发酵饲料是开发玉米秸秆资源、解决畜牧业饲料不足的有效途径之一。本文综述了玉米秸秆利用现状，生物发酵饲料的研究方法和在畜禽中的应用效果，分析了存在的问题及对策，并对开发利用前景进行了展望，以期为加快玉米秸秆饲料化进程提供参考。关键词：玉米秸秆；生物发酵；发酵饲料我国是农业大国，玉米是主要的栽培作物之一，是数量较大的粗饲料之一，但应用于饲料的部分很少，大部分秸秆资源都被白白浪费掉；另一方面，由于我国饲用粮短缺，人畜争粮现象进一步加剧，严重威胁我国的粮食安全。玉米秸秆是具有巨大潜力而尚未被充分开发利用的资源，将其进行生物发酵用做牲畜饲粮，将对缓解我国畜牧业饲粮压力具有积极意义，微生物又是尚未被充分开发利用的三大生物资源之一，而秸秆生物发酵饲料能将上述两方面有机结合起来。开发新的饲料资源是解决畜牧业饲料不足的有效途径之一。因此，加强其基础理论研究和应用研究，将为玉米秸秆资源和微生物资源的开发利用提供广阔的前景。1、玉米秸秆的利用现状世界秸秆的年产量为2030亿t，中国年产各类农作物秸秆约7亿t，其数量相当于北方草原打草量的50多倍，占全世界秸秆总产量的20301。目前，我国各类农作物秸秆约有70的秸秆作为生活能源的燃料，还有一部分就地燃烧还田或直接翻人土中还田，仅 28左右作为草食家畜的饲料，另约有2作为造纸工业及手工业的原料，与国外利用方式基本一致2，如果能充分有效的利用这些资源，将成为缓解当今人类面临的“粮食、能源、环境”三大危机，实现农业可持续发展的重要途径之一。玉米是我国种植的主要农作物之一，其秸秆是数量较大的粗饲料之一，年产量约为2亿t左右3。2008年河南省的玉米种植面积为282万hm2，玉米秸秆2422万吨，但应用于饲料的量仅为1040万吨，占玉米秸秆总量的42.9%4。玉米秸秆的有效能较低，消化能仅有4.6010.88MJ/kg，主要原因是粗纤维含量比较高，其中，纤维素含量为31%40%，半纤维素和其他多糖含量为35%48%，木质素含量为15%25%，并且纤维素的化学结构是由许多p-1，4糖苷键联结而成的葡萄糖单位的聚合体，在葡萄糖单位上的第六碳原子呈反式联接，从而导致整个纤维之间结构呈稳定的扁带状的微纤维，除此以外，在微纤维之间还有牢固的氢键联接，从而导致纤维素基本上不可溶，对各种酶的作用有极大的抵抗力5，从而大大降低了瘤胃微生物对秸秆中纤维素和半纤维素的消化降解。2、玉米秸秆常规处理的弊端及生物发酵利用的优点2.1玉米秸秆及其它作物秸秆的营养成分玉米秸秆是一种非常规饲料资源，其特点是质地粗糙、适口性差、消化率低、营养价值不高。秸秆饲料营养价值取决于其化学物质含量、可消化物质的进食量和已消化物质的利用效率。目前部分作物秸秆的营养成份表 见表16。表1 作物秸秆的营养成分Table 1 Nutrient compositions of crop stalks 秸秆NEL /MJ.kg-1DM/%CP/%EE/%CF/%CW/%Ca/%P/%玉米秸5.2326.270.40.430.25小麦秸3.2744.773.00.280.03稻 草4.131.05大麦秸3.6938.280.10.060.07大豆秸3.8552.174.00.680.03注：NEL奶牛生产净能；DM干物质；CP粗蛋白；EE粗脂肪；CF粗纤维；CW细胞壁或NDF；Ca钙；P磷Note: NEL-cow production of net energy; DM-dry matter; CP-crude protein; EE-crude fat; CF-crude fiber; CW-cell wall or NDF; Ca-calcium; P- phosphorus从表1可以看出：虽然上述作物秸秆因种类不同，营养成分有所差异，但各种秸秆具有共同的营养特点，即粗蛋白质含量低，粗纤维含量高。玉米秸秆比其他作物秸秆粗蛋白质含量高，粗纤维含量低。针对玉米秸秆的上述特点，对其进行科学的加工处理，提高秸秆饲料的适口性和营养价值，将是开发其作为饲料资源的关键环节。2.2 玉米秸秆常规处理的弊端由于玉米秸秆的营养价值不高，生产上常在饲喂动物时进行必要的预处理，以提高营养价值和适口性。预处理方法有：物理方法(如粉碎、热压等)；化学方法(碱、氨、酸、其他药剂处理)。其中物理方法处理秸秆只是对玉米秸秆的外形及结构进行改变，如热压、膨化等，不改变玉米秸秆的化学组成，不能提高玉米秸秆的营养成分，而且对设备，能耗的要求较高，进而使得生产成本过高，不易推广。化学方法处理，如传统碱化处理、酸化处理或其它药剂处理，虽然可以部分改变玉米秸秆的化学组成，提高玉米秸秆的消化率，但是化学法处理带来的污染和高成本使这一技术不能很好地推广；其中，氨化饲料经常有中毒情况的发生，另外，对设备的要求较高，环境污染严重，氨的损失率大，这一系列问题都成了化学法处理玉米秸秆饲料技术的瓶颈。2.3玉米秸秆生物处理的优点生物方法处理主要是使用微生物进行混合发酵或厌氧发酵等方法7.8。有关使用微生物的酶类如纤维素酶作为秸秆发酵添加剂的研究近几年来开展较多9-12，纤维素酶可以水解植物细胞壁为游离单糖，减少了细胞壁物质的含量，改善了玉米秸秆饲料的营养价值。玉米秸秆的粗蛋白质含量一般在3.66之间，并且品质不佳，只能满足家畜维持需要的65左右；能量消化率只有4050，单一秸秆自由采食时甚至不能满足反刍动物的维持能量需要13。玉米秸秆经过生物发酵后，可以显著增加其营养成分，缩短玉米秸秆饲料青贮、黄贮时间，延长贮存保质期，还能够改善秸秆饲料的适口性，提高牲畜的采食量和采食速度，提高秸秆饲料转化率，并可以提高牲畜的机体免疫能力，预防并治疗肠道疾病，抑制氨和胺的产生，减少粪便污染，改善饲养环境，改善牲畜的肉、奶质量。用青霉、白地霉等发酵玉米秸秆后粗蛋白质含量由3.80%提高到10.07%，比原料本身的粗蛋白质含量高了259.6%，纤维素、粗纤维素降解后含量由38.17%下降到36.07%，氨基酸总量由2.1%增加到5.75%，比原料本身高171.4%，且氨基酸种类齐全14。3、玉米秸秆发酵饲料的研究方法近年来，利用生物技术对玉米秸秆进行降解是秸秆饲料的热点研究课题。国内外学者对玉米秸秆的生物利用研究主要集中在：预处理方法的研究15-18，以玉米秸秆为原料进行产酶条件的研究19，纤维素酶降解条件的研究20-22，以及多菌种固体发酵生产蛋白饲料的研究等方面，并且取得了显著的效果23-24。3.1加入酶处理秸秆随着酶工程技术的不断发展，一种新型秸秆发酵添加剂-酶制剂的应用越来越受到人们的重视，目前，玉米秸秆发酵中使用的酶制剂主要有淀粉酶、纤维素酶、半纤维素酶等，能降解秸秆中的纤维素、半纤维素、淀粉等多糖成分为单糖，有效提高秸秆饲料利用率及动物的生产性能。张强等将玉米秸秆先采用蒸汽爆破法或温氧法预处理，使木质素和纤维分离，然后再添加纤维素酶进行水解，可使纤维素转化率达8525。研究发现超声波能有效地提高玉米秸秆的纤维素酶水解得率，减少酶用量。在超声频率20kHz，功率30w、作用时间10min的超声场下，纤维素酶的最适滤纸酶活用量为20IU/g，最适水解温度为50，最适pH为4.8，其48h酶解得率达到27.3%，比未加超声波时酶解得率提高了48.3%26。而韩继福等在室温为25条件下，应用甲酸、复合乳酸菌、纤维素酶、固体调制剂及液体调制剂处理玉米秸，对玉米秸发酵质量、组成成分及瘤胃降解情况进行了评价，结果表明：纤维素酶和复合乳酸菌对玉米秸pH值、组成成分、瘤胃降解无显著影响，但可以提高乳酸含量；固体调制剂（复合乳酸菌酶制剂）和液体调制剂（益生菌）显著提高了玉米秸快速降解的DM、NDF成份27。杨永明等发现，温度可显著加强外源纤维复合酶对黄贮玉米秸纤维物质的降解效果，40 时的降解效果优于20 ；加大酶量时纤维物质的降解效果好28。玉米秸秆在纤维素酶及稀酸共同作用下，其水解率有很大的提高29。张继泉等利用纤维素酶水解以稀硫酸预处理了的玉米秸秆，确定纤维素酶的用量为25IFPU/g(秸杆)，水解温度为50，水解时间为24h，pH值为4.6为水解玉米秸秆的最适条件30。如果采用响应曲面法对玉米秸秆酶水解反应进行评价，则能更好的确定玉米秸秆酶水解反应的优化条件为底物中酶浓度57.5FPU/g，底物质量浓度64.7g/L，温度48，pH值4.8，反应时间49h。在此条件下,每100 g底物还原糖产量为46.34 g，与单因子实验相比，酶浓度降低了2.5FPU/g，底物质量浓度提高了14.7g/L，反应时间缩短了23h，还原糖产量提高10.41%31。在对玉米秸秆进行酶处理时，如采用蒸汽爆破法、外加超声场条件等预处理，虽纤维素理论上能有较高的转化率，但是成本较高，不易推广；如将酸和酶结合，则能使水解率有很大提高，但重要的是能够很好的掌握比例的配合；在酶水解玉米秸秆中应用响应曲面法能较好的优化反应条件，提高玉米秸秆的转化率。3.2加入菌处理秸秆玉米秸秆加菌处理也称为秸秆微贮，是在秸秆中加入微生物活性菌种，放入一定的容器中进行发酵，使秸秆变成带有酸、香味的家畜喜食的粗饲料。在秸秆发酵中，大多是单菌接种，如接种同型发酵乳酸菌L . plantarum32.33 或者L . casei34，异型发酵乳杆菌如 L . buchneri 或者L . brevis32-34 ，或者将两者简单结合33 。单纯接种L . plantarum虽然可使发酵饲料最终pH降低，乳酸含量高，但对改善其有氧稳定性效果不明显，而单纯接种 L . buchneri 或L . brevis ,虽提高了有氧稳定性，抑制了有氧条件下的有机质损失，但乳酸含量较低，缺乏营养，将2种菌混合发酵，一定程度上可以保证营养和提高有氧稳定性33。李日强等从分离到的5株能分解纤维素的真菌菌株中，发现F-25菌株对滤纸的分解能力最强，不到12h滤纸全成糊状；同时羧甲基纤维素酶活力、滤纸糖化力和天然纤维素酶活力也最高35。在以水解纤维素性能优良的AnigerHS-16菌株为生产菌，利用厚层通风固体发酵法糖化玉米秸秆纤维素，其发酵作用的最适pH是5.5，最适温度是35，发酵完成后的还原糖生成率可达26%。用上述玉米秸秆糖化粉制备的还原糖液做碳源，通过摇瓶培养生产酵母蛋白（SCP），每100mL糖化液（含还原糖2）的酵母细胞产量（干重）可达1.2g，干酵母细胞蛋白质含量为45.6%36。张红莲等采用阶段处理和多菌种固态发酵玉米秸杆，利用氨化法和白腐真菌Lx对玉米秸秆进行前处理，将康宁木霉和选育出的高活性黑曲霉Sy、瘤胃细菌X4、酵母Y2，接种于前处理过的玉米秸杆上进行多菌种共发酵，结果在发酵温度30、pH5的条件下，发酵9d后，粗蛋白质含量达24.61%，粗纤维降解率为48.37%37。李日强等利用24株能够降解纤维素和木质素的菌种对玉米秸秆粉进行单菌株发酵、多菌株组合发酵以及不同氮源发酵生产饲料蛋白的比较研究，结果表明：24株单菌株发酵中暗孢毛壳的发酵产物真蛋白质含量最高（平均为7.64），以青霉、白地霉等组成的多菌株发酵体系，经3d发酵后，发酵产物粗蛋白质含量由2.80提高到10.07，比原料本身的粗蛋白质含量提高259.6；粗纤维含量由38.17降低到36.07，氨基酸总量由2.1增加到5.7%，比原料本身高171.4%，且氮基酸种类齐全，尿素和（NH4）2SO4的添加量与发酵产物真蛋白质含量的关系呈抛物线，对相同添加量以尿素效果较好，而在尿素中，2%的添加量为最好14。然而利用纤维素诺卡氏菌对天然纤维素材料玉米秸秆进行降解研究，纤维素诺卡氏菌可利用纤维素作为唯一碳源和能源生长，同时对玉米秸秆具有很强的降解能力，经10d固体培养，纤维素诺卡氏菌对玉米秸秆的降解率达到54.78%38。若在玉米秸秆黄贮过程中接种乳酸菌可以使秸秆的纤维含量由原来的35.3%降低到25.3%，并增加可溶性碳水化合物含量；若同时使用酵母菌，可使粗蛋白质含量提高10%39。3.3加入酶和菌共同处理秸秆玉米秸秆生物发酵中单独加入酶，或单独加入菌，都能够对秸秆的纤维素的降解转化有较好的效果，能够有效的提高秸秆的利用价值；将酶和菌共同处理秸秆，利用酶和菌的相互作用，能够取得更好的效果。陈合等利用黄孢原毛平革菌转化部分木质素,再添加外源纤维素酶、木聚糖酶降解纤维素和半纤维素，经菌酶共降解处理后玉米秸秆，木质素、纤维素、半纤维素的降解率分别达到67.0%、60.4%、33.0%，每克秸秆还原糖含量达0.507g40。若采用多孔聚酯材料固定里氏木霉菌丝细胞，将固定化细胞在生长限制条件下重复分批培养，使纤维酶的合成与玉米秸秆纤维原料的酶解糖化耦合在一个反应器中同时进行。在30、初始pH4.8、摇瓶转速150r/min的条件下，连续重复进行12次分批培养试验。每批玉米秆用量为60g/L，培养周期4.5d，共54d。培养液中含滤纸酶活力平均为0.70IU/ml，还原糖26.41g/L，糖化率达到理论值的89.11%41，这种菌酶共降解工艺发挥了酶、菌的相互作用，为玉米秸秆的生物利用提供了一种新途径。4、玉米秸秆发酵饲料在动物中的应用4.1玉米秸秆发酵饲料在牛、羊等反刍动物上的应用秸秆发酵处理玉米秸秆作为饲料的原理与瘤胃微生物发酵的原理基本相似，玉米秸秆经活干菌发酵后，转变为适口性好、消化率高的优质饲料。史占全（1997）研究表明，Cornzyme酶处理的玉米秸秆青贮料喂奶牛时，其营养价值与全株（带穗）玉米青贮料相似，奶牛产奶量比没有经过酶处理玉米秸秆青贮料提高3.8%42。王汝富曾用发酵活干菌处理秸秆，其粗蛋白提高2.4%，饲喂肉牛日增重提高73.5%43。严平等采用“海星”牌秸秆发酵活干菌处理玉米秸秆制成微贮饲料进行肉牛肥育试验。试验组牛日采食量比饲喂未处理秸秆提高了29.9，且试验组牛日增重较对照组提高64.7，每增重1kg比对照组节省精料0.77kg。试验期间，试验组牛比对照组每头牛多增加经济效益18元44。刘晓牧等用6只安装瘤胃瘘管的8月龄小尾寒羊公羊(平均体重29.983.53kg)，采用对比试验设计，研究了精料补饲水平(150g/d，250g/d，350g/d，450g/d)对玉米秸自由采食量、料重比、N平衡、日粮营养物质消化率和绵羊日增重的影响。结果表明，秸秆自由采食量随精料补饲水平的增加而提高，250g/d精料补饲水平下，精料和日粮的料重比显著高于其它组45。将玉米秸秆进行生物发酵后能够提高反刍动物对秸秆的利用率，提高日增重，增加产奶量。玉米秸秆在微贮过程中，由于活干菌的厌氧发酵作用，半纤维素、木聚糖链和木质素聚合物的脂键酶解，增加了秸秆的柔软性膨胀度，使瘤胃微生物能直接与纤维素接触，从而提高了粗纤维的消化率。4.2玉米秸秆发酵饲料在猪等单胃动物上的应用玉米秸秆因其有效能较低，且主要成份是纤维素，不易被单胃动物消化，在单胃动物中应用较少，但是玉米秸秆经过生物发酵后，纤维素有较高的转化率，粗蛋白质含量、粗脂肪含量都得到显著的提高，有利于单胃动物的消化吸收。胡建宏等报道，玉米秸秆经过30d发酵，其粗蛋白质含量由3.33增加到.96%，增加了139.04%，粗脂肪含量由0.71%增加到1.85%，增加了160.56%，总氨基酸含量由22.82%增加到58.90%，增加了158.11%，粗纤维含量由33.90%下降到27.63%，下降了18.50%；将玉米秸秆制成微贮饲料后喂猪，结果表明，秸秆生物饲料组每头猪平均日增重比常规干秸秆组的343.56g增加了117.11g，提高了34.09%，每千克增重饲料成本降低0.59元，每头猪多收益103.61元46。王宝维等报道，在ME和CP等摄入量一致的条件下，24月龄五龙鹅随着秸秆添加比例的不断增加，N的沉积量、净蛋白利用率（NPU）显著升高，能较好地利用青贮玉米秸秆中的粗蛋白，同时青贮玉米秸秆对鹅肠道微生物菌群有一定改善作用47。张桂荣等以试验组日粮从21日龄肉鸡开始减掉10%的精料，添加10%的发酵饲料，预试期7d，预试期后至出栏，试验组日粮减掉15%的精料，添加15%的发酵饲料。可与全精料达到相同的饲养效果，并且可保护肉鸡胃肠道生物菌群的生态平衡，有效的减少肠道疾病的发生，在相同的饲养条件下，试验组比对照组死淘数减少60只，育成率提高20%48。张永红等试验以玉米秸秆通过微生物发酵制成的饲料为主，结合施肥和水质控制管理，进行罗非鱼、鲢鱼等鱼类的养殖。结果表明，饵料系数为，养殖效果良好，产量可达8273.26kg/hm2，投入与产出比为1:1.8，认为玉米秸秆发酵饲料，是一种经济低廉，值得推广的养鱼饲料49。经过生物发酵的玉米秸秆，在饲喂单胃动物后，能够提高单胃动物对秸秆的消化利用率，提高日增重，改善微生物菌群，有效减少肠道疾病，降低饲料成本，增加收益。5、玉米秸秆发酵饲料应用研究存在的问题与展望5.1 玉米秸秆发酵饲料研究与应用中存在的问题与对策我国对玉米秸秆生物发酵饲料的研究刚刚起步，目前所用的生物技术如酶解法及微生物发酵法，仍处于初级阶段，处于实验室研究阶段，很少进行成果转化，更未走上产业化的道路。目前，玉米秸秆生物发酵技术有较大发展，但是仍未找到玉米秸秆有效降解的途径，尽管基因工程已开始渗透到纤维素分解菌的研究领域，并获取了一些微生物的基因克隆和遗传控制方法，但有其局限性。从秸秆生物转化的目的性来看，半纤维素和本质素的降解比纤维素的降解更具有意义。解决上述存在的问题，是我们今后进一步研究的方向。针对玉米秸秆生物发酵饲料研究中存在的问题，参照以下对策是我们以后要做的主要工作：（1）玉米秸秆生物转化研究必须立足于高起点，从分子水平，以国际最新方法为起点，少走弯路；（2）制定合适的玉米秸秆发酵饲料质量标准；（3）开展玉米秸秆发酵用作单胃动物饲料技术与商业开发的系统性研究；（4）借鉴国外经验，从国家政策上重视并立项支持此项研究。 5.2玉米秸秆发酵饲料的应用前景及展望生物发酵制剂是玉米秸秆生物发酵饲料的核心部分，用量少，作用大，技术含量高，是国内外研究的重点。如果生物发酵制剂和饲料加工技术科学、得当，就可能获得事半功倍的效果。在基础研究方面，扎实地研究各种生物发酵制剂的作用机理，以及影响其作用的因素；研究各成分之间的协同或拮抗关系，以及发挥最大作用的协同组合、协同机理；利用生物之间、生物和非生物之间的协同关系研究适应低糖、低温等特殊条件下的发酵特点，为开发高效玉米秸秆生物发酵饲料提供依据。目前，玉米秸秆饲料已广泛应用于反刍动物的饲养中，在单胃动物如肥育猪饲粮中也有一定的应用，针对单胃动物的玉米秸秆发酵技术研究，将是未来玉米秸秆饲料的一个发展方向；玉米秸秆饲料生物发酵技术已取得较大进展，但还处于粗放型使用阶段，相信在广大科研人员的努力下，一定会克服玉米秸秆饲料化利用的种种困难，加大科研力度和成果转化，使玉米秸秆加工走上产业化道路，发展商品化生产是未来开发利用玉米秸秆饲料的发展趋势，从而使大量的废弃玉米秸秆成为代替粮食进行畜牧生产的宝贵资源。参考文献：1高祥照,马文奇,马常宝,等.中国作物秸秆资源利用现状分析J.华中农业大学学报,2002,21(3):242-247.2杨洪岩,崔宗均,王小芬,等.秸秆发酵饲料添加剂及其研究进展J.畜牧兽医,2005,36(6):50-54.3高梦祥,许育彬,熊雷锋,等.玉米秸秆的综合利用途径J.陕西农业科学,2000,7,29-31.4河南省统计局.2008年河南省统计年鉴.2008.5欧阳平凯,陈育如.植物纤维素原料的水解及应用M.北京:中国科学技术出版社,1995.201-2036联合国粮食及农业组织.粮农组织家畜生产及卫生文集149:秸秆养畜-中国的经验C.2002,23-29:161-169.7马彦昆,杨连玉,李景云.混菌发酵对干玉米秸喂牛饲用价值的影响J.吉林农业大学学报,1997,19(增刊),134-136.8张庆华,姚忠军.糖化处理对玉米秸秆干物质,纤维组分瘤胃降解影响J.吉林农业大学学报,2000,22(3):85-88.9Kumai S, Ihattori R, Fukumi T B.et al. 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