秸秆木质纤维素发酵饲料的研究及应用

秸秆木质纤维素发酵饲料的研究及应用

全球作物和小麦产量约为20.30亿吨。中国是一个拥有丰富农业和肥料的国家。它拥有560亿吨。作物秸秆中大约有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%,绝大部分农作物秸秆仍直接还田或作燃料用,既造成资源浪费,又污染环境。近几十年来,国内外一直在寻找降解植物秸秆木质纤维素的最佳途径,生物发酵就是其中很好的方法。笔者就国内外秸秆类微生物发酵饲料的研究及应用进行了综述。1饲料的结构特征1.1水润胀的结构纤维素、半纤维素与木质素紧密结合、相互缠绕构成粗纤维,是植物细胞壁的主要成分。这些天然有机高分子化合物结构很牢固,只能吸水润胀,不能为单胃动物的消化液和酶所分解,消化率很低。纤维素是由β-1,4键的葡萄糖单元所组成的长链状大分子,其葡萄糖亚基排列紧密有序,形成类似晶体的不透水的网状结构,以及分子间结合不甚紧密的无定形区域。半纤维素是由葡萄糖、木糖、甘露糖、阿拉伯糖、半乳糖等多种单糖残基聚合而成的异型多糖。木质素是由苯基丙烷聚合而成的一种非多糖物质,由对羟基肉桂醇脱氢聚合而成。1.2单糖聚合体的结构半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体,这些糖包括葡萄糖、木糖、甘露糖、阿拉伯糖与半乳糖等,各单糖聚合体间分别以共价键、氢键、酯键或醚键相连结,因而呈现为稳定的化学结构。随着农作物秸秆的成熟,植物体内的木质素逐渐增长,并参与其中,进一步增强了植物体的坚实性,也降低了它们的可消化性。1.3酯、醚键组合木质素为苯基丙烷的非结晶体聚合物,其结构随植物不同而异,在禾本科饲草中,它们与纤维素和半纤维素之间主要以酯键相结合,在豆科牧草中则主要以醚键与两者结合,这两种键结构均不能为哺乳动物消化道内厌氧微生物产生的酶分解,因而降低了它们的可消化性。2限制因素用于作物饲料的开发2.1茎叶粗纤维含量的变化植物在整个生长过程中,蛋白质、脂肪及可溶性碳水化合物等均由茎和叶片向籽实集结。与此同时,茎叶逐渐变老,粗纤维含量逐渐增加,达到37%~89%。除了牛等少数草食家畜能消化纤维素之外,其他家畜都不能利用这部分能量,而且由于纤维素的存在,反而会影响其他营养物质的消化,从而降低饲料营养价值。2.2玉米秸秆的消化率,比玉米更秸秆类粗蛋白质含量太低也是影响动物大量采食的一个重要限制性因素。如反刍动物对玉米的消化率约为80%,而对玉米秸秆的消化率仅为46%。玉米中粗蛋白质的含量约为9%,而秸秆中粗蛋白含量通常不超过5%。作为饲料喂牛,玉米的增重净能为6.49MJ/kg,而玉米秸秆增重净能仅为0.75MJ/kg,是玉米净能值的11.6%。用未处理的秸秆作饲料,往往会出现氮的负平衡,即食入氮小于排出氮。2.3纤维素增强屏障秸秆类物质大约含有木质素16%~25%。木质素作为一种物理屏障,成为纤维素的外围基质,起着赋予纤维机械强度以及保护纤维素免遭微生物及酶攻击的作用。这使得秸秆类饲料比较粗硬,适口性差,造成采食量有限。2.4其他维生素缺乏相比而言,秸秆饲料中维生素D含量较多,其他维生素的含量很少,E族维生素极为缺乏,胡萝卜素几乎没有,这对秸秆饲料的大量采食有着很大的限制作用。3对稻草的微生物处理3.1木质素和多糖对秸秆消化率的影响作物秸秆质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%,而粗蛋白的含量很少,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,同时上述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纤维素在生物营养方面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。4粮食和酶的分解4.1通过乳酸菌和酵母发酵生产发酵细菌一般是单细胞,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,一些芽孢杆菌能产生较厚的孢子,抵御高温、辐射及化学灭菌作用。大量研究表明,一些细菌如芽孢杆菌、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L-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总称。其生长的适宜温度在20~50℃,适宜水分含量在40%~50%以上。乳酸菌和酵母菌可共栖培养。Kleinshmit等发现添加1×105cfu/g的乳酸11A44和乳酸菌40788可以提高玉米青贮饲料的乙酸浓度和氧气稳定性。添加浓度提高到4×105cfu/g时,可更大程度提高玉米青贮饲料的乙酸浓度和氧气稳定性,但干物质不受乳酸菌种属的影响。李大鹏发现加入乳酸菌后,青贮饲料的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。4.2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,放线菌能形成芽孢,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。4.3适宜用量的ph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。OrlyArdon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。4.4分解作物和饲料4.4.1纤维素酶系统1850年,Mitcherlich观察到微生物分解纤维素现象,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-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;而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-葡萄糖苷酶,有效防止了纤维二糖的产物抑制效应。4.4.2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-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-葡聚糖酶,它主要由曲霉、木霉和杆菌属类微生物产生。4.4.3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。4.4.4不同浓度的木聚糖酶Mountort以N.frontalis为对象,系统地研究了木聚糖酶(包括β-木糖酶、β-葡萄糖苷酶和木聚二糖酶),结果表明,木聚糖酶活力受自身浓度和底物影响,当其浓度为2.5mg/ml时,酶活力最高。当以各种可溶性糖类作底物时,木聚糖活性很低;而当以大麦或其他一些木质素为底物时,活性则非常高。Akin等指出,高的木聚糖活力可能有利于真菌在植物细胞壁上集群并生长,从而分泌大量各种酶类对降解纤维素产生作用。5开要发酵好秸秆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。这关系到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(一般在酵母菌、乳酸菌发酵的情况下),这关系到发酵程度;④铺平与压实。这两者关系到装窖秸秆的厌氧程度和厌氧状态的维持状况,开窖后容易层层取料,减少有氧发酵;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。6微生物发酵饲料在畜牧业中的应用6.1饲料与微生物调制剂对养牛肉羊饲料增重的影响孙耀华等试验证明,饲喂纤维素复合酶处理过的半干贮玉米秸秆试验组与喂羊草组相比较,对肉牛(用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%,效果显著。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达比普通麦秸提高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的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。6.2两组试验组与非对照组试验比较武英在发酵玉米秸秆饲料饲喂肉兔试验中发现,日增重试验组较对照组低,差异不显著(P>0.05)。其中对照组与试验1组、试验2组差异均不显著(P>0.05),试验1、2组间差异不显著(P>0.05)。6.3秸秆生物饲料制剂的使用对饲料生长猪的影响马一报道,试验猪经过85d的饲喂,试验组猪的平均日增重为(0.676±0.17)kg,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。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,多增重2%,方差分析差异不显著(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,秸秆生物饲料制剂用于生长猪的试验中,试验1~3组平均日增重、饲料转化率比对照组明显高,差异极显著(P<0.01)。刘科经试验发现,用发酵活杆菌