玉米秸秆饲用价值的影响因素及提高途径

玉米秸秆饲用价值的影响因素及提高途径

0玉米秸秆饲用价值提高的其他途径中国有丰富的稻草资源，每年只有2亿t左右。充分合理利用秸秆作反刍动物饲料,可以有效缓解饲料短缺问题。秸秆利用为反刍动物粗饲料,存在的基本问题是低消化能、适口性差及粗蛋白含量低。为克服这样的限制,人们对玉米秸秆进行处理,以提高其营养价值,目前主要的方法有物理法、化学法和生物学处理方法。以生产粮食为目的的玉米种植方式在短时间内不可能改变,因此只有在对玉米籽实减产不显著的前提下,提高秸秆饲用价值才是可行的。为提高秸秆饲用价值,还需要进行其它途径的探索。本文对提高秸秆饲用价值的方法进行综述。1影响玉米饲料价值的农业因素1.1玉米秸秆饲料用与粮食品种筛选研究过去对玉米品种的选育,将重点放在提高籽实产量上,不关心秸秆的产量以及质量。将秸秆作为饲料,除籽实产量之外,秸秆干物质产量也是需要考虑的重要因素之一,其次是秸秆的营养成分含量。近年来,人们逐渐认识到作物副产品作为粗饲料的重要性,玉米品种改良的研究重心已经发生了转移,重点转移到兼用型品种(dual-purposecultivars)的改良,既考虑籽实产量,又重视秸秆的产量与品质。Whiteetal.和Flachowskyetal.研究表明,具有高秸秆质量的玉米品种,不一定总是与低籽实产量关联,这就给我们以启示,可以选择一个品种,获得高质量的秸秆而不牺牲籽实产量。Toleraetal.研究了埃塞俄比亚南部的8个玉米品种,发现潜在的利用指数(Utilityindex)在61%~74%之间变化,籽实产量、秸秆产量与品质均有不同,认为可以选育出高籽实产量及所期望的秸秆产量的玉米品种。Akbaretal.研究了德国Jena地区的6个玉米品种,在相同的种植和管理条件下,6个品种的玉米籽实和秸秆产量各不相同。同时,秸秆的体外消化率也不同。因此,建议从提高秸秆饲用价值的角度出发,应选用籽实产量高、秸秆干物质产量高、品质好的品种。朱霞等人研究了四川地区4个粮饲兼用玉米品种的饲用价值,发现各个品种玉米秸秆的粗蛋白含量、粗脂肪含量及消化能存在显著差异,研究的4个品种分别为:川单21、成单22、燎原青贮玉米2号及雅玉8号,结果表明雅玉8号饲用价值明显优于其他几个品种。同时,还将粮饲兼用品种与青贮品种进行了比较研究,发现粮饲兼用品种与青贮品种比较具有一定的优势,种植兼用型玉米弹性大,可以根据市场需求进行调整,决定玉米饲用还是粮用。韩秉进等人在黑龙江西部的富裕县对不同品种玉米进行青贮试验,发现不同品种在该地区种植、青贮后,饲料质量明显不同。苗树君等人在黑龙江完达山地区对中原单32的研究表明,蜡熟期收获青贮,品质则高于乳熟期收获的。韩秉进等人在黑龙江富裕县的研究结果表明,中原单32适合青贮的收获期为乳熟期。1.2玉米秸秆的生理生化指标df与饲料质量的关系关于玉米收获期的研究,过去大多是重视籽实产量,以收获高产量的籽实为目标,因此强调尽可能推迟收获日期。虽然推迟收获日期,籽实产量有所提高,但是秸秆产量与品质均下降,表现在秸秆中叶的比例下降,茎的比例上升。随着收获期的推迟,秸秆粗蛋白的含量逐渐下降。HarikaandSharma报道,从生理成熟期到完熟期,随收获推迟,每株植株的叶片数和叶茎比下降。而且,当玉米收获期推迟,秸秆的茎和叶中粗蛋白含量下降,尼龙袋法干物质消化率下降,并伴随中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤纤维(ADF)含量上升。收获期是影响农作物秸秆饲料营养价值的主要因素之一。如果在适宜的日期收获玉米籽实以及秸秆,不但可以提高秸秆产量,还可以获得营养价值较高的秸秆,并且免去了各种处理,减轻了收获后的工作量,简化了秸秆利用方式,更容易为农民接受。研究证明,玉米籽实含水量在30%~35%时即已达到生理成熟,其干物质含量不再增加,而收获则经常推迟到籽实含水量在15%~20%左右,以达到贮藏的安全含水量。在吉林西部,对“登海一号”玉米品种的研究结果表明,在籽实失水期间,秸秆的生物量及化学成分迅速发生变化,趋势是生物量下降,作为饲料,品质下降。朱霞等人研究了四川地区4个粮饲兼用玉米品种和1个青贮玉米品种的饲用价值,其中雅玉8号和燎原青贮玉米2号的最适收获期在抽丝后42天,川单21和成单22最适收获期在抽丝后35天;而新青2号在抽丝后28天收获可获得最佳的青贮玉米饲料价值,在抽丝后35天收获可获得较高的粮食产量。Pordesimoetal.研究2个玉米品种Pioneer32K61和Pioneer32K64Bt,从籽实生理成熟期前2周至籽实适合收获机械(combine)收获后4周,随着成熟期推进,秸秆各组成部分即茎、叶、穗轴、苞叶的木质素含量持续上升,而可溶性葡聚糖则迅速下降。推迟玉米收获期,秸秆质量下降,但是也有例外,闫贵龙等人以高油玉米647为试验对象,随着籽实成熟度的提高,秸秆的营养价值及消化率均提高。利用玉米秸秆作饲料,收获日期是关键,适宜日期收获玉米,在籽实产量损失尽可能小的前提下,可以提高秸秆产量,获得相对优质的秸秆,收获日期对秸秆产量及品质具有决定性作用。各地区气候、土壤条件不同,适宜的收获日期亦不同。1.3玉米与豆科作物间作农作物秸秆粗蛋白含量低,是家畜营养的严重限制因素。因此,饲喂粗饲料的动物,经常补饲蛋白质含量高的精料,如豆类。谷物类与豆科作物间作,除了改善土壤肥力参数,更重要的是能提高谷物秸秆产量及质量,对于满足家畜营养需要发挥重要作用。最初对农作物间作系统的研究,侧重于水分、养分、光照利用率的提高,而不是以提高谷物秸秆营养价值为目的。有许多研究表明,豆类与谷物间作的系统,是解决谷物秸秆低营养限制和发展持续农业生态系统的较好选择。例如,在高粱大面积种植地区,为得到更好的高粱秸秆干物质产量,各种间作组合已经被考察,如高粱与豌豆、高粱与木豆、高粱与扁豆、高粱与大豆和高粱与鹰嘴豆的间作。高粱与各种豆类轮作,不施氮肥也能得到很高产量。在豆类存在的混作中,饲料粗蛋白含量增加。各种豆类作物对粗蛋白含量增加的贡献量有所不同,Kumbharetal.研究表明,为获得高干物质产量和粗蛋白含量,豇豆与高粱是最好的组合。然而,也有几个研究表明,高粱单作比间作获得更高的绿饲料产量。对于玉米与豆科作物的间作,研究也很多,但是这些研究都是侧重如何提高土地利用率,如何提高光能、水、肥利用率,如何提高单位面积土地经济收益等。例如,Ghosh研究表明,在玉米与花生、高粱与花生、珍珠黍与花生3种间作系统中,玉米与花生的间作是经济收益最高的一种系统。关于玉米与豆类间作,对于玉米秸秆饲用价值的影响研究较少,玉米秸秆的粗蛋白含量很低,豆科干草粗蛋白含量比秸秆高,因此二者混合则得到粗蛋白含量较高的混合饲料。玉米秸秆相对于秸秆/豆科牧草混合饲料有较高的细胞壁成分,当将豆科牧草加到玉米秸秆中,豆科牧草对其细胞壁成分有稀释效果。1.4玉米秸秆贮藏方式对干物质损失量的影响秸秆收获后的存放方式对其饲用价值也有影响。收获后的秸秆,由于植物体内还存在一定的酶活力,还能进行一定的化学反应,因此合适的存放方式可以有效减小呼吸消耗。另外,由于一些物理因素如日照、风吹、雨淋等,也可能造成一定的损失。BwireandWiktorsson在坦桑尼亚中部的试验表明,将收获后的玉米秸秆顶端分别按不同方式存放,结果发现存放于棚内的玉米顶部保留了最大量的粗蛋白,奶牛试验体外消化率较高,同时ADF及NDF含量较低。因此,存放方式对于维持收获后的秸秆饲用营养价值极为重要。范华等人研究了露天保存、棚舍保存、青贮和氨化等保存方式对玉米秸秆营养价值的影响,结果表明,对于粗蛋白含量,氨化保存方式使粗蛋白含量最高,然后依次是棚舍保存、青贮、露天保存。对于瘤胃降解率而言,烘干和棚舍阴干方式的干物质、有机物降解率显著高于露天保存。Shinnersetal.的研究结果表明收获后贮存方式的不同,秸秆干物质损失量不同。含水38%~49%的秸秆,切碎(Chopped)打包(Bagged)贮存方式,经过9个月的贮存,干物质损失5.4%;而打捆(Baled)裹包(Wrapped)贮存方式,同样经过9个月的贮存,干物质损失只有2.4%。对于干秸秆,裹包贮存于室内,经8个月后,干物质损失3.3%,裹包贮存于室外,经8个月,干物质损失18%。贮存时秸秆的含水量及贮存方式能够影响秸秆的干物质损失量,各地区应结合地区气候特点及实际情况,采取合适的贮存方式。付清茂等人研究了新疆地区东单7号玉米品种在窖存期间的变化,发现随着窖存时间延长,玉米秸秆的粗蛋白含量不断减少,纤维素类物质含量逐渐增加。窖存过程中发霉现象造成秸秆的大量损失,因此窖存时一定采取措施,尽可能减少霉变的发生。2粉碎与爆破秸秆化学构成复杂,纤维素、半纤维素及木质素相互交联,导致其分解利用比较困难,因此任何利用方式,都需要对秸秆进行预处理、转化,以去除木质素这一阻碍其分解的主要成分,木质素的降解是秸秆转化的关键因素。机械粉碎是一种常用的物理学方法,通过机械粉碎将秸秆变成尺寸较小的颗粒,降低纤维素的结晶度,但是粉碎处理秸秆,没有从根本上改变结构,粉碎之后颗粒如果不够细,对水解效率和速率几乎没有影响。因此,必须与其他方法结合使用,且物理学方法能耗较高,需要投入大型加工设备。水蒸气爆破也是常用的一种物理化学方法,将初步粉碎的秸秆原料置于密闭容器中,经高温高压饱和水蒸气加热处理,然后迅速减压,使原料经爆破作用破坏其三维结构,高温也使半纤维素和木质素发生一定程度的降解和转变。水蒸气爆破的优点是能耗较少,没有试剂回收及环境污染等问题,被认为是处理秸秆等农作物废弃物较好的一种方法;但是该方法也存在一定的缺陷,木质素分解并不彻底。3玉米秸秆的酸、碱和氧化剂处理化学方法是目前应用最多的处理方法,采用酸、碱、氧化剂等化学试剂单独或混合使用处理秸秆,能有效除去木质素,利于后期的酶解或其他处理方式。酸处理使秸秆中半纤维素溶出,可以提高后期的厌氧消化率。稀酸水解已经成功用于木质纤维素原料的预处理,Yanetal.采用2%硫酸流动循环喷洒处理玉米秸秆90min,结果表明该方法能够有效去除木质素大约70%~75%,认为该方法对于预处理木质纤维素类物质是可行的。由于所用的酸浓度较低,必须与高温、辐射、蒸汽爆破等方法结合使用,才能有较好的效果。酸处理比蒸气爆破成本高,同时造成一定的环境污染。在酸处理过程中,溶解的木质素在酸性环境中会很快聚集沉淀,浓酸环境木质素的沉淀更为突出,这也是酸处理的缺点。碱处理方法是较普遍采用的一种化学法,主要采用氢氧化钠或氨水处理秸秆。Kimetal.采用氨水在流动反应器内处理玉米秸秆,发现该处理方法能够有效去除木质素,能够去除总木质素的70%~85%,同时保留大量纤维素,超过95%的纤维素被保留,是较有效的利用秸秆方法。碱的作用主要是水解木质素与木聚糖之间的酯键,使木质素溶出去除。碱也使原料中的纤维素浸润、溶胀,使其聚合度、结晶度降低。尽管碱法处理效果较好,但是碱的用量较大,会造成部分半纤维素的损失,不适合工业化生产,同时碱液对环境造成很大污染。另外,碱处理也能导致木质素的溶解、再分布及聚集,改变纤维素的状态,这些效应降低了其去除木质素及纤维素溶胀的正效应。Chenetal.分析了4种化学处理方法对玉米秸秆的影响,即1.5%H2SO4在106~108℃处理6h,0.4g/g秸秆氢氧化钙120℃处理4h,10%NH4OH浸泡24h后自来水冲洗后在100~108℃条件下0.3mol/LHCl水解1h,2%NaOH120℃处理30min。研究结果表明,上述4种处理方法中,NaOH处理组木质素含量与未处理玉米秸秆的比较,下降55%,同时可发酵糖含量提高。因此,认为NaOH处理是4种方法中较好的方法。氧化剂处理秸秆目前主要使用过氧化氢、过氧乙酸、臭氧和次氯酸钠等,目的是除去大部分木质素和半纤维素。在大多数情况下,所使用的氧化剂没有选择性,因此可能会导致纤维素和半纤维素的损失。氧化剂用量大、成本高,存在一些安全问题。4降解酶的测定生物学方法主要是通过微生物作用分解木质素。利用微生物分泌的酶降解秸秆,可以在温和的环境中进行,能耗低,是最有发展前景的方法。目前已知降解木质素能力较强的微生物有白腐真菌、褐腐菌、软腐菌及瘤胃微生物等。4.1不同处理玉米秸秆与小麦秸秆褐腐菌和软腐菌在降解木质素的同时,也降解了纤维素,因此不利于秸秆的有效利用。白腐真菌中有优先降解木质素的菌种,具备较强的降解木质素能力,绝大多数为担子菌纲,少数为子囊菌纲。白腐真菌降解木质素是氧化反应,至少需要3种酶即木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶的一种。目前研究较多的有糙皮侧耳(Pleurotusostreatus)、黄孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)、凤尾菇(Pleurotussajor-caju)等。Díaz-GodínezandSánchez采用玉米秸秆粉种植糙皮侧耳,收菇之后,比较研究了处理和未处理秸秆的化学成分以及消化率,发现处理之后的玉米秸秆水溶性蛋白质含量增加,水溶性碳水化合物含量提高1倍左右,NDF含量下降8%左右,秸秆营养价值有显著提高。处理之后秸秆的原位消化率比未处理秸秆高,饲喂处理之后秸秆,羊活体重增加较饲喂未处理秸秆的高。梁军锋等采用凤尾菇、糙皮侧耳、黄孢原毛平革菌等处理发酵玉米秸秆与小麦秸秆,研究结果表明,凤尾菇降解秸秆中木质素能力最强,能够降解玉米秸秆中47.7%的木质素,降解小麦秸秆中38.4%的木质素;而黄孢原毛平革菌降解玉米秸秆和小麦秸秆木质素分别为34.6%和32.2%。Xuetal.利用白腐真菌IrpexlacteusCD2发酵玉米秸秆,发酵60天之后,酸性不溶木质素的降解率达到80%以上。WanandLi将玉米秸秆粉碎成为5mm左右,利用白腐真菌Ceriporiopsissubvermispora处理玉米秸秆,发酵处理18天之后,木质素降解率31.59%,纤维素降解率低于6%,表现出对木质素的选择性降解。白腐真菌降解木质素所需酶,即木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶是在限制氮源或碳源条件下培养,微生物产生的次级代谢产物,酶产量较低,实现工业化生产还存在一定问题。反刍动物瘤胃内存在大量微生物,这些微生物分泌多种酶,将植物纤维彻底分解为小分子物质,供宿主动物吸收利用,因此反刍动物瘤胃微生物对于降解秸秆木质纤维素具有重要意义。4.2玉米秸秆的降解瘤胃微生物产纤维素酶和半纤维素酶,因此降解秸秆类木质纤维素能力较强。瘤胃微生物大部分为厌氧或者兼性厌氧微生物,厌氧发酵秸秆的优点是秸秆不需要预处理,发酵与糖化可以同时进行。有报道称,采用牛或者羊瘤胃微生物制作秸秆仿生饲料,制成的秸秆饲料15%~20%的粗纤维被分解,真蛋白质增加50%以上,并且含有18种必需氨基酸,粗脂肪含量增加60%以上,表明对于秸秆这样的低蛋白质、低脂肪粗饲料采用瘤胃微生物处理,有较好效果。蒋中海从牛瘤胃分离微生物发酵秸秆,厌氧发酵之后,玉米秸秆呈黄褐色,带酸甜气味,整垛秸秆内外颜色一致,无霉变;处理后玉米秸秆粗蛋白含量达到11.06%,粗纤维降解率高于对照组。肉牛饲喂试验结果表明,活体重增加高于对照组,证明瘤胃微生物能够明显改善秸秆饲料质量,提高作物秸秆利用率。HuandYu利用瘤胃微生物发酵玉米秸秆,采用分批培养和半连续培养。研究结果表明,采用分批培养方式,在25℃条件下,发酵10天,木质素转化率最高,达到29.6%;采用半连续培养,在40℃条件下,木质素转化率最高,达到29.1%。在工业化生产中考虑到能耗等问题,应该选择低能耗的处理方式。4.3复合菌系对玉米秸秆的影响尽管目前有很多单纯微生物发酵秸秆较好的例子,但是单纯微生物发酵秸秆,由于产酶种类单一,与多菌种发酵秸秆比较,转化效果仍不是很理想。复合菌系由于分泌多