玉米秸稈生物發(fā)酵飼料的最新研究進(jìn)展

畜牧人小李

　　我國是農(nóng)業(yè)大國，秸稈資源非常豐富，尤其是玉米秸稈位居全國各種作物秸稈產(chǎn)量之首， 年產(chǎn)量高達(dá)2.5 億t 左右（左旭等，2015）。因?yàn)楦煽莸挠衩捉斩捹|(zhì)地粗糙、適口性差， 且粗蛋白質(zhì)含量低、粗纖維含量高，導(dǎo)致其利用率極低（史海濤等，2012）。近年來，隨著玉米秸稈產(chǎn)量的逐年增加和不合理處理如焚燒等帶來的環(huán)境危害， 以及人畜爭糧現(xiàn)象的加劇， 人們已廣泛認(rèn)識(shí)到合理處理玉米秸稈的重要性，并針對其養(yǎng)分低、質(zhì)地粗糙、可口性差、粗纖維含量高、粗蛋白質(zhì)含量低的特點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)的加工處理， 已顯著提高了玉米秸稈飼料的可口性和營養(yǎng)價(jià)值。

1、玉米秸稈營養(yǎng)特點(diǎn)

　　玉米秸稈一直都被用作牲畜的主要粗飼料。纖維素、半纖維素和木質(zhì)素為其主要成分，其中纖維素含量占36.5% ～ 38.6%、半纖維素含量占38.0% ～ 38.8%、木質(zhì)素含量占12.3% ～ 17.6%（李丹丹等，2011）。作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要資源，還含有豐富的微量元素氮、磷、鉀等有機(jī)質(zhì)（申源源等，2009）。與其他秸稈飼料對比，玉米秸稈的粗蛋白質(zhì)含量更高，特別是經(jīng)過青貯、黃貯、氨化及糖化等加工處理后的玉米秸稈，不但可改善其適口性、提高利用率，而且可顯著提高粗蛋白質(zhì)含量，其效益將更加可觀（成斌，2011）。目前大量研究已表明若能夠?qū)τ衩捉斩掃M(jìn)行科學(xué)的加工處理， 制成高營養(yǎng)性的牲畜飼料，不但益于發(fā)展畜牧業(yè)，而且通過牲畜過腹還田的方式可使玉米秸稈的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益得到顯著提高。陳鵬等（2008）研究證明， 玉米秸稈中所含的消化能高達(dá)2235.8 kJ/kg，且營養(yǎng)豐富，其總能量與牧草的總能量不相上下。

2、玉米秸稈生物發(fā)酵處理方法

　　近幾年來用生物技術(shù)對玉米秸稈進(jìn)行降解的研究主要集中在預(yù)處理（李建等，2016；Zeng 等，2007；Kaar 等，2000），包括玉米秸稈產(chǎn)酶條件（楊瓊等，2012）、纖維素酶的降解（Horn 等，2012；余興蓮等，2007；高培基等，2003）、復(fù)合酶的降解等預(yù)處理，以及混合菌種固體發(fā)酵、酶菌共處理玉米秸稈生產(chǎn)蛋白質(zhì)飼料（李日強(qiáng)等，2001；陳翠微等，2000；Lonsane 等，1990）等方面，并取得了顯著的效果。

　　2.1 酶處理

　　酶制劑作為一種新型秸稈發(fā)酵添加劑已被人們高度關(guān)注。當(dāng)前研究較多的是淀粉酶、纖維素酶、半纖維素酶，它們作為主要的玉米秸稈發(fā)酵酶，能把秸稈中的纖維素、半纖維素、淀粉等多糖降解成為單糖， 使秸稈飼料利用率和動(dòng)物的生產(chǎn)性能達(dá)到可觀的水平。

　　大量研究表明， 對酶解條件進(jìn)行優(yōu)化的預(yù)處理可以顯著提高酶解速度。徐友海等（2015）用氧化甲基嗎啉（NMMO）預(yù)處理玉米秸稈不僅得到了較高的秸稈回收率而且得到了較好的水解糖化效果。朱圓圓等（2015）采用稀硫酸-氫氧化鈣聯(lián)合法預(yù)處理玉米秸稈使得纖維素酶水解率為84.92%。王芳等（2015）使用流化床熱解反應(yīng)器在200 ℃下對玉米秸稈進(jìn)行熱化學(xué)預(yù)處理， 木質(zhì)素去除率達(dá)32.57%。李誠等（2015）用臭氧預(yù)處理玉米秸稈也有效地提高了玉米秸稈的酶解效率。張強(qiáng)等（2004）采用蒸汽爆破法預(yù)處理玉米秸稈，現(xiàn)已有研究證明， 若采取酶復(fù)配技術(shù)優(yōu)化蒸汽爆破處理玉米秸稈的酶水解工藝條件， 可顯著提高纖維素的轉(zhuǎn)化率（王奇等，2016）。

　　研究表明在纖維素酶及稀酸或稀堿的共同作用下，玉米秸稈水解速率會(huì)有較大提高。蔡靈燕等（2016） 采取復(fù)合酶耦合酶解酸處理玉米秸稈，先經(jīng)過2%硫酸預(yù)處理后，再利用果膠酶、β-葡萄糖苷酶、纖維素酶三種酶進(jìn)行協(xié)同酶解，可顯著增加玉米秸稈的酶解產(chǎn)糖量。吳丹等（2016）對玉米秸稈首先進(jìn)行堿性雙氧水預(yù)處理， 確定NaOH 投加量為4 g/L，H2O2投加量為17 g/L， 固液比1∶40，預(yù)處理時(shí)間4 h 時(shí)纖維素酶降解效果更為明顯。

　　劉慶玉等（2012）采用響應(yīng)曲面法對玉米秸稈的酶解反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化，確定當(dāng)酶濃度55.45 U/g，酶比例2∶1，溫度44.39 ℃，pH 值5.0，固液比1∶10.3， 轉(zhuǎn)速140 r/min， 酶解時(shí)間72 h，Mg2+濃度0.01%為最優(yōu)條件， 此時(shí)還原糖最大產(chǎn)率為42.97%。這種方法更好地優(yōu)化了玉米秸稈酶解反應(yīng)的初始條件。

　　對玉米秸稈進(jìn)行酶處理時(shí)如采取流化床熱解、蒸汽爆破法及超聲波等預(yù)處理，雖理論上能夠提高纖維素的轉(zhuǎn)化率，但是成本較高，難推廣，可行性小。如果將酸或堿和酶結(jié)合使用， 則能大大提高水解率，但關(guān)鍵是要掌握好其比例。

　　2.2 菌處理

　　菌處理簡言之就是在玉米秸稈中加入微生物活性菌種，讓其進(jìn)行發(fā)酵，使秸稈釀成含有酸味、香味的家畜喜歡采食的粗飼料的方法。秸稈發(fā)酵中多為單菌接種， 如接種同型發(fā)酵乳酸菌如植物乳桿菌（L.plantarum）或干酪乳桿菌（L.casei） 或異型發(fā)酵乳桿菌如布氏乳桿菌（L.buchneri）或短乳桿菌（L.brevis），或者將兩者簡單結(jié)合發(fā)酵。

　　在長期的試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐中人們研究發(fā)現(xiàn)發(fā)酵過程中單純接種一種微生物的接種效果通常差強(qiáng)人意，很多發(fā)酵過程必需依靠2種或2種以上微生物來完成（徐穎宣等，2008）。如單純接種植物乳桿菌（L.plantarum）或干酪乳桿菌（L.casei）（Filya 等2003；Pandey 等，2000），雖然可提高發(fā)酵飼料中的乳酸含量，但不能改善其有氧穩(wěn)定性效果；而單純接種布氏乳桿菌（L.buchneri）或短乳桿菌（L.brevis）（Gao 等2008；Filya 等，2006），雖提高了有氧穩(wěn)定性，但乳酸含量較低，缺乏營養(yǎng)；若是將2 種菌混合發(fā)酵，不但可以保證營養(yǎng)并一定程度上可保證其有氧穩(wěn)定性（Mensah 等，1991）。

　　大量試驗(yàn)證明，酶菌的接種類型、菌群間相互作用關(guān)系等都在很大程度上影響著酶的活性。白春燕等（2016）研究歸納后，將綠色木霉綠2與芽孢桿菌S3 確定為混合菌中產(chǎn)纖維素酶酶活最高的組合。纖維素酶的降解率還會(huì)受到酶菌的接種順序及接種比例的影響。魏如騰等（2016）構(gòu)建了復(fù)合菌系（芽孢桿菌T 7.0、黑曲霉Z34 和里氏木霉三株菌），結(jié)果表明，當(dāng)復(fù)合菌的接種順序?yàn)椋和瑫r(shí)接種黑曲霉Z34 與里氏木霉，12 h 后再接種芽孢桿菌T 7.0；接種比例是：黑曲霉Z34∶里氏木霉∶芽孢桿菌T 7.0 為2∶1∶2 時(shí)， 纖維素酶活達(dá)到404.28 U/mL。由于木質(zhì)素的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其很難降解，郭建斌等（2015）采用云芝變色栓菌（T.versicolor）、色精木霉菌（T.chromospermum）、深綠木霉菌（T.atroviride），云芝變色栓菌分別與色精木霉、深綠木霉的混合菌對干黃玉米秸稈進(jìn)行真菌預(yù)處， 使得木質(zhì)素的降解率分別為34.0%、38.1%、38.1%、39.1%、40.3%。

　　由此可見， 使用混菌發(fā)酵的方法處理玉米秸稈，其產(chǎn)酶能力大大高于單一菌株，這是由于有差異的菌株組合后， 利用它們之間的差異相互補(bǔ)償、互利共棲。但目前對于大多數(shù)混合菌體系中菌間的相互作用機(jī)制和作用關(guān)系的研究尚不足，所以要注意發(fā)酵中間產(chǎn)物對發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)生的不利影響。

　　2.3 酶菌共處理

　　盡管單獨(dú)加入酶或菌時(shí)都可以降解并轉(zhuǎn)化秸稈中的纖維素成分，從而提高秸稈的利用價(jià)值，但都存在或多或少的不足，如果利用酶和菌之間的互相作用協(xié)同處理秸稈則能夠取得更佳的效果。陳合等（2008）采用黃孢原毛平革菌結(jié)合外源纖維素酶和木聚糖酶共同降解玉米秸稈，顯著提高了其還原糖含量。李新社等（2011） 已利用纖維素酶和康寧木霉菌共處理玉米秸稈將其轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖，并從玉米秸稈降解物中獲得了4.852g/L 的還原糖。菌酶共降解工藝為高效利用秸稈提供了一種新的研究方法，現(xiàn)已立足于玉米秸稈的生物發(fā)酵領(lǐng)域并成為其中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

3、玉米秸稈生物發(fā)酵處理的優(yōu)缺點(diǎn)

　　3.1 玉米秸稈生物發(fā)酵處理的優(yōu)點(diǎn)

　　與常規(guī)處理相比， 生物發(fā)酵處理技術(shù)具有改善適口性、提高粗蛋白質(zhì)含量，從而提高玉米秸稈營養(yǎng)價(jià)值以及降低生產(chǎn)成本和減小污染的優(yōu)點(diǎn)，并且發(fā)酵處理后的玉米秸稈飼料中含有大量的菌體蛋白、酶類、抑菌因子、各類維生素及促生長因子等菌體代謝發(fā)酵產(chǎn)物， 能給牲畜帶來益生保健的作用（Yang 等，2001）。

　　3.2 玉米秸稈生物發(fā)酵處理的缺點(diǎn)

　　在秸稈生物發(fā)酵添加劑中， 依舊存在一些未知的或有爭議的問題， 譬如兩個(gè)或多個(gè)不同的微生物添加劑結(jié)合發(fā)酵時(shí)，微生物之間可能會(huì)產(chǎn)生拮抗作用；對于大多數(shù)混合菌體系中間菌的相互作用關(guān)系及其作用機(jī)理的研究尚不完善， 對于菌株的篩選和組合在方法上還不健全；其次酶制劑與菌混合發(fā)酵時(shí)，之間是否存在拮抗作用尚不明確還有待研究。對于以上問題，還需要從生理、代謝的角度深入研究菌株降解秸稈的作用機(jī)理和發(fā)酵產(chǎn)酶工藝以及菌株與發(fā)酵產(chǎn)物及菌株與發(fā)酵底物之間的相互作用關(guān)系和作用機(jī)制， 使得玉米秸稈資源的使用更科學(xué)、高效。

4、玉米秸稈生物發(fā)酵注意事項(xiàng)

　　玉米秸稈生物發(fā)酵技術(shù)以其高效、節(jié)能、可行性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛關(guān)注，但是如果在操作過程中不注意一些特殊的環(huán)節(jié)， 則很難獲得最佳的效果， 所以在應(yīng)用生物發(fā)酵技術(shù)時(shí)要注意以下事項(xiàng)：

　　（1）不使用腐爛或有毒的玉米秸稈。

　　（2）不要在陽光能夠直射的地方進(jìn)行發(fā)酵，不然紫外線將會(huì)殺滅發(fā)酵微生物，對發(fā)酵效果產(chǎn)生影響。

　　（3）不能壓得過緊實(shí)，不然會(huì)因與空氣隔絕缺氧而影響發(fā)酵。

　　（4）發(fā)酵溫度不能太高，否則可能會(huì)使酶失活還可能造成發(fā)酵變質(zhì)。

　　（5）為防止二次發(fā)酵，當(dāng)秸稈釀成黃綠色并有芬芳味散出且摸上去較柔軟嫩滑時(shí)，應(yīng)及時(shí)掀開覆蓋物。

　　來源：資源開發(fā)利用

　　作者：曹紅梅， 劉文文

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