微生物發(fā)酵農(nóng)作物秸稈在畜牧業(yè)中的應用

微生物發(fā)酵農(nóng)作物秸稈在畜牧業(yè)中的應用

隨著人類飲食消費結(jié)構的變化和我國畜牧業(yè)的發(fā)展，糧食問題逐漸成為糧食和牲畜問題。發(fā)展節(jié)糧型畜牧業(yè)的一個有效途徑便是發(fā)展秸稈畜牧業(yè),從而實現(xiàn)資源持續(xù)利用和農(nóng)牧結(jié)合的有效途徑,是促進畜牧業(yè)結(jié)構調(diào)整的重要措施。據(jù)估計,全世界每年纖維素通過光合作用的更新量約為4.0×1010t。農(nóng)作物秸稈在世界上的產(chǎn)量每年有20~30億t。其中小麥秸、稻秸、玉米秸稈占總秸稈量的75%。我國是一個農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)作物秸稈資源十分豐富,年產(chǎn)量達5.560億t(有的學者認為約6.4億t),占全世界秸稈總量的20%~30%。作物秸稈中有65%~80%的干物質(zhì)能夠向動物提供能量,而目前用作飼料的不足10%。近年來,我國農(nóng)村一些地區(qū)焚燒農(nóng)作物秸稈現(xiàn)象比較普遍,不僅污染環(huán)境嚴重威脅交通運輸安全,還浪費資源。近幾十年來,國內(nèi)外一直在尋找合理利用秸稈木質(zhì)纖維素的最佳途徑,已有很多秸稈降解方面的研究。筆者就秸稈的營養(yǎng)特點與微生物發(fā)酵秸稈類飼料的研究進行綜述。1作物和飼料的特點1.1秸稈含維生素的物質(zhì)秸稈是由大量的有機物和少量的礦物質(zhì)及水構成,其有機物的主要成分為碳水化合物,此外,還有少量的粗蛋白質(zhì)和粗脂肪,但品質(zhì)較差。碳水化合物由纖維性物質(zhì)和可溶性物質(zhì)構成,前者包括半纖維素、纖維素和木質(zhì)素等,一般用細胞壁成分(CWC)表示。秸稈中的纖維性物質(zhì)用粗纖維表示,可溶性糖類用無氮浸出物表示,礦物質(zhì)用粗灰分表示。秸稈中很少含有維生素。表1列出了幾種農(nóng)作物秸稈的基本化學成分。1.2格局4:養(yǎng)老保險綜合措施秸稈的成分決定其營養(yǎng)價值和消化率。不同秸稈的成分和消化率是不同的,同一秸稈的不同部作者筒介:劉祥友(1968-),博士,高級畜牧師,主要從事動物營養(yǎng)與飼料科學的研究與推廣。E-mail:liuxiangyou99@163.com位也有所不同,甚至差別很大。一般來說,禾本科秸稈粗纖維的消化率比豆科秸稈高;豆科秸稈的粗蛋白比禾本科秸稈高,但粗蛋白的品質(zhì)較差;葉的消化率高而莖的消化率低。表2列出了幾種不同作物秸稈的化學成分和營養(yǎng)價值。2農(nóng)作物秸稈飼料利用難農(nóng)作物秸稈被動物消化利用的前提是動物消化道內(nèi)要有內(nèi)源性纖維素酶系或添加到秸稈飼料中的外源性纖維素酶系。它是一類能夠降解纖維素生成葡萄糖的酶的總稱,是一類復雜的復合物,故稱之為纖維素酶系。反芻家畜瘤胃微生物能分泌纖維素酶系,因此能直接利用農(nóng)作物秸稈飼料。而單胃家畜不能分泌纖維素酶系,不能直接利用農(nóng)作物秸稈飼料,必須添加外源性纖維素酶才能利用。反芻家畜在飼用秸稈飼料時,添加外源性纖維素酶對秸稈的利用更有效?；诜雌c家畜和單胃家畜的消化特點,一直以來,農(nóng)作物秸稈用于動物飼料的研究主要集中在反芻家畜(牛、羊)上,對單胃動物研究極少。隨著生命科學的發(fā)展,對酶的來源和作用機理研究取得了較大進展,現(xiàn)逐漸對單胃動物進行了研究。3微生物飼料的研究3.1木質(zhì)素和多糖對秸稈消化率的影響作物秸稈類粗飼料的主要成分是纖維物質(zhì),中性洗滌纖維(NDF)約占干物質(zhì)的70%~80%,酸性洗滌纖維(ADF)約占干物質(zhì)的50%~60%,而粗蛋白僅含3%~6%。NDF包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素,是植物細胞壁的主要組成部分,隨著植物細胞的老化,細胞壁變厚,NDF就成為秸稈的主要組成。純的纖維素能較容易地被瘤胃微生物降解,但由于木質(zhì)素密實的結(jié)構很難被瘤胃微生物降解,同時老化的細胞壁主要成分之間存在很強的結(jié)合鍵抵抗微生物的消化,使纖維素在瘤胃中的消化率很低。因此,要提高秸稈的消化率,關鍵是降解木質(zhì)素,保留纖維素。在發(fā)酵過程中,微生物大量生長繁殖,分泌出各種酶。這些酶通過降解多糖和木質(zhì)素,破壞其連接的共價鍵,一方面破壞了秸稈難以消化的細胞壁結(jié)構,使與木質(zhì)素交聯(lián)在一起的纖維素和半纖維素游離出來;另一方面又使秸稈細胞壁內(nèi)可利用的碳水化合物和其他營養(yǎng)物質(zhì)暴露出來,增加與消化液接觸的機會,從而提高秸稈消化率或瘤胃干物質(zhì)降解率,而菌體自身生物量的增長又可以提高蛋白含量。當用微生物發(fā)酵以求提高秸稈消化率時,應選擇能降解木質(zhì)素的微生物,以真菌效果較好。當用農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)單細胞蛋白時,應選擇能降解纖維素和半纖維素的微生物,因為農(nóng)作物秸稈內(nèi)纖維素和半纖維素的含量高,生產(chǎn)單細胞蛋白時能提供大量的能量。3.2纖維素在生物營養(yǎng)中的應用最初多采用單菌種發(fā)酵,后來有研究者發(fā)現(xiàn)多菌種混合發(fā)酵效率更高,但對相應的菌種提出了更高的要求。如:能夠分解纖維素;能夠利用有機氮轉(zhuǎn)化為菌體蛋白,合成和分泌更多的營養(yǎng)物質(zhì);能夠改變原料的適口性;能夠產(chǎn)生多種分解酶;不產(chǎn)生有毒物質(zhì);具有促生長快的優(yōu)勢特性;菌體耐性高,不容易自溶分解;如果用固體好氧發(fā)酵,注意選用耐高溫的菌株。3.3糧食和酶的分解3.3.1纖維素分解能力細菌一般是單細胞,大小約為0.5~3.0μm,由于體積小,細菌具有較大的比表面積,能使物質(zhì)快速進入細胞。因此,細菌往往比真菌多得多,一些芽胞桿菌能產(chǎn)生芽胞,抵御高溫、輻射及化學滅菌作用。大量研究表明,一些細菌,如芽胞桿菌、枯草桿菌、地衣球菌、深黃纖維弧菌、普通纖維弧菌、纖維桿菌、熒光假單胞桿菌、瘤胃球菌等均具有纖維素分解能力。Perrin等估計和比較了在含不同比例的短鏈、天然鏈和長鏈的果寡糖聚合物的半合成環(huán)境中,發(fā)現(xiàn)經(jīng)分裂細菌發(fā)酵后,含短鏈果寡糖的基質(zhì)中乳酸和醋酸鹽的生物量和產(chǎn)量都較高。一般作物秸稈所含乳酸菌數(shù)量極為有限,添加乳酸菌能加快作物的乳酸發(fā)酵,抑制和殺死其他有害微生物,達到長期酸貯的目的。在青貯中,常添加的是同質(zhì)乳酸菌(如植物乳桿菌、干酪乳桿菌、啤酒片球菌、糞鏈球菌等),經(jīng)同質(zhì)乳酸菌發(fā)酵后可產(chǎn)生容易被動物利用的乳酸。乳酸菌是一類能在可發(fā)酵碳水化合物(主要是葡萄糖、乳糖、果糖、蔗糖、麥芽糖等)發(fā)酵產(chǎn)生乳酸的厭氧菌或微需氧菌的總稱。其生長的適宜溫度在20~50℃,適宜水分含量在40%~50%。乳酸菌和酵母菌可共棲培養(yǎng)。研究發(fā)現(xiàn),加入乳酸菌的青貯飼料pH值、氣味、色澤、質(zhì)地及綜合質(zhì)量優(yōu)于不加乳酸菌的青貯飼料。當添加量達0.2%時,飼料能達到優(yōu)級水平。3.3.2放線菌對纖維素和木質(zhì)素的作用放線菌很少利用纖維素,但它們較易利用半纖維素,并能在一定程度上改變木質(zhì)素的分子結(jié)構,繼而分解溶解的木質(zhì)素。盡管由于放線菌繁殖慢且降解纖維素和木質(zhì)素的能力不及真菌,但在不利的條件下,放線菌能形成芽胞,與真菌相比較能耐高溫和各種酸堿度,所以在高溫階段放線菌對分解木質(zhì)素和纖維素起著重要作用。高溫放線菌可以從自然界中許多地方分離出來,如沙子、成熟堆肥、馬糞和果園土中,主要包括諾卡氏菌屬、節(jié)桿菌、鏈霉菌屬、高溫放線菌屬、小單胞菌屬。3.3.3佳溫度：2020真菌對木質(zhì)纖維的分解起著重要作用。真菌一般可分為嗜溫真菌和高溫真菌,大多數(shù)的真菌屬于嗜溫真菌,在5~37℃下生長良好,最佳溫度為25~30℃。高溫真菌對纖維素、半纖維素和木質(zhì)素有很強的分解作用,它們不僅能分泌胞外酶,而且其菌絲具有機械穿插作用,共同降解難降解的有機物(如纖維素和木質(zhì)素),促進生物化學作用。Orly等發(fā)現(xiàn)白腐真菌在處理過的培養(yǎng)基中可以提高漆酶的活性和增強木質(zhì)素的礦化作用。隨后發(fā)現(xiàn)木霉等纖維降解真菌產(chǎn)生的低分子量短肽可使纖維素發(fā)生氧化降解形成短纖維,有利于纖維素酶的水解作用。3.3.4纖維素酶作用機制1850年,Mitcherlich觀察到微生物分解纖維素現(xiàn)象。1906年Relieve在蝸?；褐邪l(fā)現(xiàn)纖維素酶以來,纖維素的生物降解問題就引起了全世界的關注。1934年,Cleveland通過歐美散白蟻試驗認為是原生生物在寄主體內(nèi)起著消化纖維素的作用。1945年,在天然纖維素中發(fā)現(xiàn)能降解纖維素的纖維素酶之后,人們開始關注瘤胃微生物較強的降解纖維素能力。纖維素酶主要由一些能溶解植物組織中的角質(zhì)層和結(jié)晶纖維素酶復合物構成,是迄今在瘤胃有機物中發(fā)現(xiàn)的唯一的專門消化外纖維素的酶。該酶產(chǎn)生于真菌的增殖階段及游動孢子,并通過擴散進入細胞外培養(yǎng)基中。但Ware等發(fā)現(xiàn)一些纖維素酶補充物不能提高蘇丹草和稻草的飼用價值。纖維素酶目前分為3種類型,即葡聚糖內(nèi)切酶、葡聚糖外切酶(纖維二糖酶)和β-2菌聚糖苷酶。纖維素的水解主要通過多纖維素酶復合體結(jié)構來實現(xiàn),該復合體主要由關鍵酶Cx和C1酶通過非共價鍵形成有組織的復合物。一般認為,C1酶主要作用于天然的晶體纖維,能從葡聚糖鏈的非還原端進行水解,主要產(chǎn)物為纖維二糖。Cx酶是水解酶,作用于C1酶活化后的纖維素,不能分解晶體纖維素,但能以隨機方式內(nèi)切纖維素聚合體產(chǎn)生纖維素糊精、纖維二糖及葡萄糖。這兩種酶的作用是相互協(xié)同互補的,而復合體中還存在β-2葡萄糖苷酶,有效防止了纖維二糖的產(chǎn)物抑制效應。一般認為,協(xié)同作用與酶解底物的結(jié)晶度成正比。3.3.5減少畜禽下服,減輕畜禽體性能半纖維素酶是分解半纖維素的一類酶的總稱,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。這些酶的主要作用就是降解畜禽消化道內(nèi)的非淀粉多糖,降低腸道內(nèi)容物的粘性,促進營養(yǎng)物質(zhì)的吸收,減少畜禽下痢,從而促進畜禽生長和提高飼料利用率。半纖維素酶主要由各種曲霉、根霉、木霉發(fā)酵產(chǎn)生。在飼料工業(yè)中應用較多的是β-2葡聚糖酶,它主要由曲霉、木霉和桿菌屬類微生物產(chǎn)生。3.3.6其他酶對木質(zhì)素的影響木質(zhì)素的降解酶系是個非常復雜的體系,其中最重要的木質(zhì)素降解酶有3種,即木質(zhì)素過氧化物酶、錳過氧化物酶和漆酶,另外還有芳醇氧化酶、乙二醛氧化酶、葡萄糖氧化酶、酚氧化酶、過氧化氫酶等都參與了木質(zhì)素的降解或?qū)ζ浣到猱a(chǎn)生一定的影響。宋安東在雜色云芝產(chǎn)木質(zhì)纖維素酶降解稻草的研究中發(fā)現(xiàn),雜色云芝產(chǎn)木質(zhì)纖維素酶顯著提高了稻草的營養(yǎng)價值,并且使秸稈結(jié)構發(fā)生明顯變化。4秸稈生物處理微生物發(fā)酵秸稈飼料的操作工藝可分為厭氧發(fā)酵和需氧發(fā)酵、固體發(fā)酵和液體發(fā)酵等?，F(xiàn)在開展的微生物發(fā)酵秸稈飼料一般是采用厭氧固體發(fā)酵,其工藝流程如下。(1)菌種復活:將菌劑溶于水或1%蔗糖液中,使菌種復活,復活菌劑當天用完。(2)秸稈切碎或揉搓:養(yǎng)牛用長度為5~8cm,養(yǎng)羊用長度為3~5cm,有利于裝窖秸稈的鋪平和壓實程度,以及減少開窖后發(fā)酵秸稈的二次發(fā)酵程度。(3)調(diào)節(jié)水分:將秸稈水分調(diào)節(jié)至70%左右。(4)鋪平與壓實。(5)密封:可防止在發(fā)酵期空氣進入,確保發(fā)酵質(zhì)量。飼喂期每次取完料后,在發(fā)酵料表面鋪一層塑料膜,盡可能減少與空氣的接觸面積和二次發(fā)酵。5微生物稻草微生物發(fā)酵的應用5.1提高微貯飼料的日增重孫耀華等試驗證明,飼喂纖維素復合酶處理過的半干貯玉米秸稈試驗組與喂鮮草組相比較,對肉牛(夏洛來肉牛與當?shù)攸S牛雜交一代牛)增重效果顯著,平均日增重2.5kg,試驗組比對照組平均增重提高20%,增加經(jīng)濟效益42%。張山林發(fā)現(xiàn),在試驗期內(nèi),飼喂氨化麥秸和飼喂微貯麥秸組的肉牛平均增重分別比對照組提高47.7%和47.5%。馬效林發(fā)現(xiàn),在暖棚全舍飼條件下,嚴冬季節(jié)用微貯飼料與氨化飼料育肥肉羊可以獲得較高的日增重,飼喂微貯飼料日增重達143.33g,比氨化飼料提高10.40%,比利用普通麥秸提高30%~70%。飼喂氨化飼料日增重比普通麥秸提高18.39%。試驗證明,粗飼料經(jīng)微貯或氨化處理后飼喂育肥羊,飼料報酬明顯提高,微貯與氨化比未處理時分別提高15.46%和10.85%。逮素芬在高效秸稈微生物調(diào)制劑發(fā)酵農(nóng)作物秸稈試驗中發(fā)現(xiàn),奶牛飼喂發(fā)酵料后,產(chǎn)奶量比未發(fā)酵組提高15%,但與EM液發(fā)酵組、生物酶轉(zhuǎn)化劑發(fā)酵組、活桿菌發(fā)酵組相比,差異不顯著(P>0.05)。劉興偉用玉米秸稈微貯飼喂遼寧絨山羊發(fā)現(xiàn),試驗組與對照組的后備母羊產(chǎn)絨量差異達到極顯著水平;育成母羊、育成公羊、成年母羊的產(chǎn)絨量、體增重,后備公羊的體增重,成年母羊所產(chǎn)羔羊的斷奶重,兩組差異顯著。5.2秸稈生物處理對豬日增重的影響馬一報道,用25%玉米秸稈微生物發(fā)酵飼料對30~60kg豬經(jīng)過85天的飼養(yǎng)試驗,試驗組豬的平均日增重為0.676±0.17kg,與對照組的日增重接近,并且從試驗組的肉料比和對照組的肉料比還可以看出,試驗組豬的飼料利用率較高,與對照組無顯著差別。張桂榮用20%的發(fā)酵秸稈粉代替精料育肥豬,試驗組和對照組平均日增重分別為840、830g,差異不顯著(P>0.05)。盧兵友用10%、30%、50%青貯玉米秸稈喂豬,經(jīng)過153天的試驗,全部試驗豬基本達到100kg/頭出欄,日增重以對照組最大(559g),其次為10%處理組(531g),50%組最小,日增重隨青貯玉米秸稈量的添加比例增大而減小。楊德智用微貯玉米秸稈對豬生長進行研究,在18頭15~30kg階段生長育肥豬飼料中分別添加15%、25%微貯玉米秸稈,結(jié)果表明,豬采食率下降了11.3%和18.9%,日增重下降了31.4%和42.4%,飼料轉(zhuǎn)化率也隨微貯玉米秸稈添加量增大而下降,同時飼糧添加微貯玉米秸稈還會影響生長豬對Ca、P的利用,據(jù)此認為在豬飼料中添加微貯玉米秸稈降低了豬的生長性能,不利于飼糧養(yǎng)分的利用。胡建宏用玉米秸稈微貯后喂豬,結(jié)果表明,試驗組豬的快速生長階段比對照組豬長22.3天,且該階段的平均日增重和最大日增重分別比對照組高37.98g和43.31g,在整個育肥期,試驗組豬平均日增重(463.89g)比對照組(366.67g)提高26.51%,差異顯著(P<0.05)。宋金昌等以物理、化學的方法對秸稈類粗飼料進行預處理后接種適宜的微生物飼喂生長肥育豬,發(fā)現(xiàn)兩種雜交豬的增重均比較接近,對照組日增重的絕對值僅比試驗組高13g,增重2%,差異不顯著(P>0.05),說明用10%發(fā)酵秸稈代替飼糧中等量麥麩是可行的。張福友在秸稈發(fā)酵飼料飼喂生長豬的試驗中發(fā)現(xiàn),試驗1~3組平均日增重、飼料轉(zhuǎn)化率比對照組明顯提高,差異極顯著(P<0.01)。劉科經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn),用發(fā)酵活桿菌發(fā)酵秸稈喂斷乳后的仔豬,經(jīng)過70天的飼喂,試驗組每頭日增重0.310kg,比對照組多增重0.087kg,料重比3.36∶1,對照組為3.98∶