微生物发酵农作物秸秆在畜牧业中的应用

微生物发酵农作物秸秆在畜牧业中的应用

随着人类饮食消费结构的变化和我国畜牧业的发展，粮食问题逐渐成为粮食和牲畜问题。发展节粮型畜牧业的一个有效途径便是发展秸秆畜牧业,从而实现资源持续利用和农牧结合的有效途径,是促进畜牧业结构调整的重要措施。据估计,全世界每年纤维素通过光合作用的更新量约为4.0×1010t。农作物秸秆在世界上的产量每年有20~30亿t。其中小麦秸、稻秸、玉米秸秆占总秸秆量的75%。我国是一个农业大国,农作物秸秆资源十分丰富,年产量达5.560亿t(有的学者认为约6.4亿t),占全世界秸秆总量的20%~30%。作物秸秆中有65%~80%的干物质能够向动物提供能量,而目前用作饲料的不足10%。近年来,我国农村一些地区焚烧农作物秸秆现象比较普遍,不仅污染环境严重威胁交通运输安全,还浪费资源。近几十年来,国内外一直在寻找合理利用秸秆木质纤维素的最佳途径,已有很多秸秆降解方面的研究。笔者就秸秆的营养特点与微生物发酵秸秆类饲料的研究进行综述。1作物和饲料的特点1.1秸秆含维生素的物质秸秆是由大量的有机物和少量的矿物质及水构成,其有机物的主要成分为碳水化合物,此外,还有少量的粗蛋白质和粗脂肪,但品质较差。碳水化合物由纤维性物质和可溶性物质构成,前者包括半纤维素、纤维素和木质素等,一般用细胞壁成分(CWC)表示。秸秆中的纤维性物质用粗纤维表示,可溶性糖类用无氮浸出物表示,矿物质用粗灰分表示。秸秆中很少含有维生素。表1列出了几种农作物秸秆的基本化学成分。1.2格局4:养老保险综合措施秸秆的成分决定其营养价值和消化率。不同秸秆的成分和消化率是不同的,同一秸秆的不同部作者筒介:刘祥友(1968-),博士,高级畜牧师,主要从事动物营养与饲料科学的研究与推广。E-mail:liuxiangyou99@163.com位也有所不同,甚至差别很大。一般来说,禾本科秸秆粗纤维的消化率比豆科秸秆高;豆科秸秆的粗蛋白比禾本科秸秆高,但粗蛋白的品质较差;叶的消化率高而茎的消化率低。表2列出了几种不同作物秸秆的化学成分和营养价值。2农作物秸秆饲料利用难农作物秸秆被动物消化利用的前提是动物消化道内要有内源性纤维素酶系或添加到秸秆饲料中的外源性纤维素酶系。它是一类能够降解纤维素生成葡萄糖的酶的总称,是一类复杂的复合物,故称之为纤维素酶系。反刍家畜瘤胃微生物能分泌纤维素酶系,因此能直接利用农作物秸秆饲料。而单胃家畜不能分泌纤维素酶系,不能直接利用农作物秸秆饲料,必须添加外源性纤维素酶才能利用。反刍家畜在饲用秸秆饲料时,添加外源性纤维素酶对秸秆的利用更有效。基于反刍家畜和单胃家畜的消化特点,一直以来,农作物秸秆用于动物饲料的研究主要集中在反刍家畜(牛、羊)上,对单胃动物研究极少。随着生命科学的发展,对酶的来源和作用机理研究取得了较大进展,现逐渐对单胃动物进行了研究。3微生物饲料的研究3.1木质素和多糖对秸秆消化率的影响作物秸秆类粗饲料的主要成分是纤维物质,中性洗涤纤维(NDF)约占干物质的70%~80%,酸性洗涤纤维(ADF)约占干物质的50%~60%,而粗蛋白仅含3%~6%。NDF包括纤维素、半纤维素和木质素,是植物细胞壁的主要组成部分,随着植物细胞的老化,细胞壁变厚,NDF就成为秸秆的主要组成。纯的纤维素能较容易地被瘤胃微生物降解,但由于木质素密实的结构很难被瘤胃微生物降解,同时老化的细胞壁主要成分之间存在很强的结合键抵抗微生物的消化,使纤维素在瘤胃中的消化率很低。因此,要提高秸秆的消化率,关键是降解木质素,保留纤维素。在发酵过程中,微生物大量生长繁殖,分泌出各种酶。这些酶通过降解多糖和木质素,破坏其连接的共价键,一方面破坏了秸秆难以消化的细胞壁结构,使与木质素交联在一起的纤维素和半纤维素游离出来;另一方面又使秸秆细胞壁内可利用的碳水化合物和其他营养物质暴露出来,增加与消化液接触的机会,从而提高秸秆消化率或瘤胃干物质降解率,而菌体自身生物量的增长又可以提高蛋白含量。当用微生物发酵以求提高秸秆消化率时,应选择能降解木质素的微生物,以真菌效果较好。当用农作物秸秆生产单细胞蛋白时,应选择能降解纤维素和半纤维素的微生物,因为农作物秸秆内纤维素和半纤维素的含量高,生产单细胞蛋白时能提供大量的能量。3.2纤维素在生物营养中的应用最初多采用单菌种发酵,后来有研究者发现多菌种混合发酵效率更高,但对相应的菌种提出了更高的要求。如:能够分解纤维素;能够利用有机氮转化为菌体蛋白,合成和分泌更多的营养物质;能够改变原料的适口性;能够产生多种分解酶;不产生有毒物质;具有促生长快的优势特性;菌体耐性高,不容易自溶分解;如果用固体好氧发酵,注意选用耐高温的菌株。3.3粮食和酶的分解3.3.1纤维素分解能力细菌一般是单细胞,大小约为0.5~3.0μm,由于体积小,细菌具有较大的比表面积,能使物质快速进入细胞。因此,细菌往往比真菌多得多,一些芽胞杆菌能产生芽胞,抵御高温、辐射及化学灭菌作用。大量研究表明,一些细菌,如芽胞杆菌、枯草杆菌、地衣球菌、深黄纤维弧菌、普通纤维弧菌、纤维杆菌、荧光假单胞杆菌、瘤胃球菌等均具有纤维素分解能力。Perrin等估计和比较了在含不同比例的短链、天然链和长链的果寡糖聚合物的半合成环境中,发现经分裂细菌发酵后,含短链果寡糖的基质中乳酸和醋酸盐的生物量和产量都较高。一般作物秸秆所含乳酸菌数量极为有限,添加乳酸菌能加快作物的乳酸发酵,抑制和杀死其他有害微生物,达到长期酸贮的目的。在青贮中,常添加的是同质乳酸菌(如植物乳杆菌、干酪乳杆菌、啤酒片球菌、粪链球菌等),经同质乳酸菌发酵后可产生容易被动物利用的乳酸。乳酸菌是一类能在可发酵碳水化合物(主要是葡萄糖、乳糖、果糖、蔗糖、麦芽糖等)发酵产生乳酸的厌氧菌或微需氧菌的总称。其生长的适宜温度在20~50℃,适宜水分含量在40%~50%。乳酸菌和酵母菌可共栖培养。研究发现,加入乳酸菌的青贮饲料pH值、气味、色泽、质地及综合质量优于不加乳酸菌的青贮饲料。当添加量达0.2%时,饲料能达到优级水平。3.3.2放线菌对纤维素和木质素的作用放线菌很少利用纤维素,但它们较易利用半纤维素,并能在一定程度上改变木质素的分子结构,继而分解溶解的木质素。尽管由于放线菌繁殖慢且降解纤维素和木质素的能力不及真菌,但在不利的条件下,放线菌能形成芽胞,与真菌相比较能耐高温和各种酸碱度,所以在高温阶段放线菌对分解木质素和纤维素起着重要作用。高温放线菌可以从自然界中许多地方分离出来,如沙子、成熟堆肥、马粪和果园土中,主要包括诺卡氏菌属、节杆菌、链霉菌属、高温放线菌属、小单胞菌属。3.3.3佳温度：2020真菌对木质纤维的分解起着重要作用。真菌一般可分为嗜温真菌和高温真菌,大多数的真菌属于嗜温真菌,在5~37℃下生长良好,最佳温度为25~30℃。高温真菌对纤维素、半纤维素和木质素有很强的分解作用,它们不仅能分泌胞外酶,而且其菌丝具有机械穿插作用,共同降解难降解的有机物(如纤维素和木质素),促进生物化学作用。Orly等发现白腐真菌在处理过的培养基中可以提高漆酶的活性和增强木质素的矿化作用。随后发现木霉等纤维降解真菌产生的低分子量短肽可使纤维素发生氧化降解形成短纤维,有利于纤维素酶的水解作用。3.3.4纤维素酶作用机制1850年,Mitcherlich观察到微生物分解纤维素现象。1906年Relieve在蜗牛化液中发现纤维素酶以来,纤维素的生物降解问题就引起了全世界的关注。1934年,Cleveland通过欧美散白蚁试验认为是原生生物在寄主体内起着消化纤维素的作用。1945年,在天然纤维素中发现能降解纤维素的纤维素酶之后,人们开始关注瘤胃微生物较强的降解纤维素能力。纤维素酶主要由一些能溶解植物组织中的角质层和结晶纤维素酶复合物构成,是迄今在瘤胃有机物中发现的唯一的专门消化外纤维素的酶。该酶产生于真菌的增殖阶段及游动孢子,并通过扩散进入细胞外培养基中。但Ware等发现一些纤维素酶补充物不能提高苏丹草和稻草的饲用价值。纤维素酶目前分为3种类型,即葡聚糖内切酶、葡聚糖外切酶(纤维二糖酶)和β-2菌聚糖苷酶。纤维素的水解主要通过多纤维素酶复合体结构来实现,该复合体主要由关键酶Cx和C1酶通过非共价键形成有组织的复合物。一般认为,C1酶主要作用于天然的晶体纤维,能从葡聚糖链的非还原端进行水解,主要产物为纤维二糖。Cx酶是水解酶,作用于C1酶活化后的纤维素,不能分解晶体纤维素,但能以随机方式内切纤维素聚合体产生纤维素糊精、纤维二糖及葡萄糖。这两种酶的作用是相互协同互补的,而复合体中还存在β-2葡萄糖苷酶,有效防止了纤维二糖的产物抑制效应。一般认为,协同作用与酶解底物的结晶度成正比。3.3.5减少畜禽下服,减轻畜禽体性能半纤维素酶是分解半纤维素的一类酶的总称,主要包括β-2葡聚糖酶、半乳聚糖酶、木聚糖酶和甘露聚糖酶。这些酶的主要作用就是降解畜禽消化道内的非淀粉多糖,降低肠道内容物的粘性,促进营养物质的吸收,减少畜禽下痢,从而促进畜禽生长和提高饲料利用率。半纤维素酶主要由各种曲霉、根霉、木霉发酵产生。在饲料工业中应用较多的是β-2葡聚糖酶,它主要由曲霉、木霉和杆菌属类微生物产生。3.3.6其他酶对木质素的影响木质素的降解酶系是个非常复杂的体系,其中最重要的木质素降解酶有3种,即木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶,另外还有芳醇氧化酶、乙二醛氧化酶、葡萄糖氧化酶、酚氧化酶、过氧化氢酶等都参与了木质素的降解或对其降解产生一定的影响。宋安东在杂色云芝产木质纤维素酶降解稻草的研究中发现,杂色云芝产木质纤维素酶显著提高了稻草的营养价值,并且使秸秆结构发生明显变化。4秸秆生物处理微生物发酵秸秆饲料的操作工艺可分为厌氧发酵和需氧发酵、固体发酵和液体发酵等。现在开展的微生物发酵秸秆饲料一般是采用厌氧固体发酵,其工艺流程如下。(1)菌种复活:将菌剂溶于水或1%蔗糖液中,使菌种复活,复活菌剂当天用完。(2)秸秆切碎或揉搓:养牛用长度为5~8cm,养羊用长度为3~5cm,有利于装窖秸秆的铺平和压实程度,以及减少开窖后发酵秸秆的二次发酵程度。(3)调节水分:将秸秆水分调节至70%左右。(4)铺平与压实。(5)密封:可防止在发酵期空气进入,确保发酵质量。饲喂期每次取完料后,在发酵料表面铺一层塑料膜,尽可能减少与空气的接触面积和二次发酵。5微生物稻草微生物发酵的应用5.1提高微贮饲料的日增重孙耀华等试验证明,饲喂纤维素复合酶处理过的半干贮玉米秸秆试验组与喂鲜草组相比较,对肉牛(夏洛来肉牛与当地黄牛杂交一代牛)增重效果显著,平均日增重2.5kg,试验组比对照组平均增重提高20%,增加经济效益42%。张山林发现,在试验期内,饲喂氨化麦秸和饲喂微贮麦秸组的肉牛平均增重分别比对照组提高47.7%和47.5%。马效林发现,在暖棚全舍饲条件下,严冬季节用微贮饲料与氨化饲料育肥肉羊可以获得较高的日增重,饲喂微贮饲料日增重达143.33g,比氨化饲料提高10.40%,比利用普通麦秸提高30%~70%。饲喂氨化饲料日增重比普通麦秸提高18.39%。试验证明,粗饲料经微贮或氨化处理后饲喂育肥羊,饲料报酬明显提高,微贮与氨化比未处理时分别提高15.46%和10.85%。逮素芬在高效秸秆微生物调制剂发酵农作物秸秆试验中发现,奶牛饲喂发酵料后,产奶量比未发酵组提高15%,但与EM液发酵组、生物酶转化剂发酵组、活杆菌发酵组相比,差异不显著(P>0.05)。刘兴伟用玉米秸秆微贮饲喂辽宁绒山羊发现,试验组与对照组的后备母羊产绒量差异达到极显著水平;育成母羊、育成公羊、成年母羊的产绒量、体增重,后备公羊的体增重,成年母羊所产羔羊的断奶重,两组差异显著。5.2秸秆生物处理对猪日增重的影响马一报道,用25%玉米秸秆微生物发酵饲料对30~60kg猪经过85天的饲养试验,试验组猪的平均日增重为0.676±0.17kg,与对照组的日增重接近,并且从试验组的肉料比和对照组的肉料比还可以看出,试验组猪的饲料利用率较高,与对照组无显著差别。张桂荣用20%的发酵秸秆粉代替精料育肥猪,试验组和对照组平均日增重分别为840、830g,差异不显著(P>0.05)。卢兵友用10%、30%、50%青贮玉米秸秆喂猪,经过153天的试验,全部试验猪基本达到100kg/头出栏,日增重以对照组最大(559g),其次为10%处理组(531g),50%组最小,日增重随青贮玉米秸秆量的添加比例增大而减小。杨德智用微贮玉米秸秆对猪生长进行研究,在18头15~30kg阶段生长育肥猪饲料中分别添加15%、25%微贮玉米秸秆,结果表明,猪采食率下降了11.3%和18.9%,日增重下降了31.4%和42.4%,饲料转化率也随微贮玉米秸秆添加量增大而下降,同时饲粮添加微贮玉米秸秆还会影响生长猪对Ca、P的利用,据此认为在猪饲料中添加微贮玉米秸秆降低了猪的生长性能,不利于饲粮养分的利用。胡建宏用玉米秸秆微贮后喂猪,结果表明,试验组猪的快速生长阶段比对照组猪长22.3天,且该阶段的平均日增重和最大日增重分别比对照组高37.98g和43.31g,在整个育肥期,试验组猪平均日增重(463.89g)比对照组(366.67g)提高26.51%,差异显著(P<0.05)。宋金昌等以物理、化学的方法对秸秆类粗饲料进行预处理后接种适宜的微生物饲喂生长肥育猪,发现两种杂交猪的增重均比较接近,对照组日增重的绝对值仅比试验组高13g,增重2%,差异不显著(P>0.05),说明用10%发酵秸秆代替饲粮中等量麦麸是可行的。张福友在秸秆发酵饲料饲喂生长猪的试验中发现,试验1~3组平均日增重、饲料转化率比对照组明显提高,差异极显著(P<0.01)。刘科经试验发现,用发酵活杆菌发酵秸秆喂断乳后的仔猪,经过70天的饲喂,试验组每头日增重0.310kg,比对照组多增重0.087kg,料重比3.36∶1,对照组为3.98∶