植物秸稈飼料化技術(shù)研究進(jìn)展
目前秸稈的世界產(chǎn)量為20～30億t/年，我國(guó)秸稈年產(chǎn)量超過(guò)6億t，約為北方草原打草量的50倍，約占世界秸稈總量的百分之二十到三十。目前，大部分農(nóng)作物秸稈或是焚燒、或被直接還田，僅有少量用于造紙、紡織等行業(yè)。這種處理方式不僅污染環(huán)境，破壞土壤結(jié)構(gòu)，還造成了資源的大大浪費(fèi)。在能源日益緊張的今天，合理利用資源豐富、價(jià)格低廉的植物秸稈顯得尤為重要。
植物秸稈主要由植物細(xì)胞壁組成，基本成分是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、硅酸鹽以及少量蛋白質(zhì)等，是一種可循環(huán)利用的物質(zhì)資源。纖維素是由D-吡喃型葡萄糖殘基經(jīng)β-1，4糖苷鍵聯(lián)結(jié)成的聚合物。半纖維素是由葡萄糖、木糖、戊糖、己糖、多糖醛酸及其甲酯縮合而成，不溶于熱水，溶于稀酸。木質(zhì)素是一種廣泛存在于植物體中由苯丙烷及其相應(yīng)衍生物通過(guò)碳一碳鍵、二芳基鍵、烷醚鍵等連接而成的無(wú)定型的、分子結(jié)構(gòu)中含有氧代苯丙醇或其衍生物結(jié)構(gòu)單元的芳香性高聚物，它是動(dòng)物吸收各種養(yǎng)分的主要限制因素。木質(zhì)素填充于纖維素構(gòu)架中，與纖維素、半纖維素緊密結(jié)合、相互纏繞構(gòu)成粗纖維。粗纖維中營(yíng)養(yǎng)含量少，適口性差，吸水易潤(rùn)脹，不易消化。
植物秸稈若直接作為飼料，從營(yíng)養(yǎng)的角度分析，其粗纖維含量高、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、可溶性碳水化合物和胡蘿卜素等含量低、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值低；從口感的角度分析，其質(zhì)地堅(jiān)硬、口感不好；因而家畜采食量小，消化率低。但若對(duì)植物秸稈進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮侠淼募庸?/span>處理，降低秸稈中木質(zhì)纖維素的含量，增加蛋白質(zhì)的含量，改善其適口性，提高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，便可在一定程度上提高動(dòng)物對(duì)秸稈的采食量、消化率。從而提高植物秸稈的利用率，緩解能源緊缺的現(xiàn)狀，提高飼料報(bào)酬及經(jīng)濟(jì)效益。
植物秸稈飼料化的方法有物理法、化學(xué)法和生物法等。
秸稈飼料的物理處理法較為簡(jiǎn)單，方便。有粉碎、浸泡、切短、壓塊、蒸煮、輻射等方法，但多為其它方法的前處理。粉碎、切短能在一定程度上分離纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的結(jié)合，破壞木質(zhì)纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，以便于動(dòng)物的采食和適當(dāng)?shù)奶岣呦?/span>率，但這種處理方法不能提高植物秸稈的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。 高壓蒸汽處理、膨化處理是近年來(lái)秸稈飼料化常用的物理處理方法，它是將秸稈中的木質(zhì)素進(jìn)行軟化并部分水解，這種方法對(duì)設(shè)備和能量的要求高，成本大。據(jù)用大于2.0×107焦耳的輻射處理秸稈的報(bào)道顯示，輻射技術(shù)能促使秸稈的木質(zhì)纖維素含量降低，體外消化率增高。蘇秀俠等研究了對(duì)玉米秸稈采用不同物理處理法后的飼料對(duì)肉牛增重效果的影響，結(jié)果顯示，除鍘碎型外，制劑、壓塊和擠壓成棒狀等方法對(duì)于育肥牛的增重效果都很明顯。 化學(xué)處理法主是通過(guò)化學(xué)試劑與秸稈內(nèi)分子結(jié)構(gòu)相互作用，使其內(nèi)部分子發(fā)生化學(xué)變化，生成的產(chǎn)物易于動(dòng)物消化、吸收的一種提高秸稈消化率的方法?；瘜W(xué)法可分為堿處理法、氨處理法、酸處理法、高錳酸鉀處理法、氧化劑處理法、復(fù)合化學(xué)法等。這些方法都能改變植物秸稈的化學(xué)組成，增加秸稈飼料的可利用性，但不能從根本上改善微生物的生存環(huán)境和營(yíng)養(yǎng)條件，并且在處理過(guò)程中使用的酸、堿如不能合理的回收利用，就會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。 2.1 堿處理法 堿處理常用的試劑有NaOH、CaO、Ca(OH)2等。堿處理可使秸稈纖維素內(nèi)部氫鍵結(jié)合力變?nèi)?，酯鍵和醚鍵被破壞，使得木質(zhì)素、纖維素、半纖維素之間的聯(lián)系減弱，纖維素分子膨脹，半纖維素和部分木質(zhì)素溶解川。但堿處理法用堿量大，處理后需用大量的水沖洗，易造成水的浪費(fèi)以及環(huán)境的污染。 2.2 氨化法 氨化法采用的試劑一般為氨氣、液氨和尿素。氨化法在起到堿化處理方法的同時(shí)，可以與秸稈中的有機(jī)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，破壞木質(zhì)素與多糖之間的酯鍵，并將其轉(zhuǎn)化成銨鹽。羅立娜等研究了不同尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和不同預(yù)處理溫度對(duì)稻秸木質(zhì)纖維素降解情況和對(duì)稻秸厭氧產(chǎn)氣特性的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，尿素預(yù)處理能有效破壞木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)，對(duì)產(chǎn)氣量有20.67％～38.20％的提高。 2.3 高錳酸鉀處理 劉梅等考察了不同濃度的酸性高錳酸鉀溶液對(duì)玉米秸稈中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素及灰分的降解情況的影響。試驗(yàn)表明，酸性高錳酸鉀溶液能使秸稈中木質(zhì)素含量降低。 2.4 氧化劑處理 氧化劑處理采用的氧化劑有臭氧(O3)、二氧化硫(SO2)、堿性過(guò)氧化氫(AHP)等。其處理原理是氧化劑能破壞木質(zhì)纖維素之間的共價(jià)鍵、使部分木質(zhì)纖維素溶解，從而增大酶及酶制劑與細(xì)胞壁的接觸反應(yīng)面積，提高飼料的消化率。 2.5 復(fù)合化學(xué)處理 對(duì)于木質(zhì)化程度高，有機(jī)物消化率低的秸稈如甘蔗渣，棉花稈等，利用堿法和酸法結(jié)合使用能較大幅度提高此類秸稈的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。徐清華等采用尿素、氧化鈣、氯化鈉符合處理麥秸、玉米秸稈等，處理后的秸稈能明顯提高綿羊的生長(zhǎng)性能。 生物法處理秸稈的方法有青貯、微生物處理等。 3.1 青貯 青貯是指將新鮮的植物秸稈經(jīng)切短、填入、壓實(shí)于青貯窖中，在隔絕空氣的條件下，經(jīng)厭氧菌發(fā)酵將糖類轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸而得的一種柔軟多汁、氣味酸香、營(yíng)養(yǎng)豐富、易消化的粗飼料。青貯易受氣候的影響，且青貯需要建青貯窖，而青貯窖的投資較大，故在一定程度上制約了青貯的應(yīng)用。 3.2 微生物處理 微生物處理是以有益微生物、復(fù)合酶為生物發(fā)酵劑，通過(guò)微生物作用將木聚糖鏈和木質(zhì)素聚合物酯鏈酶解，使秸稈軟化，體積膨脹。這種將植物秸稈轉(zhuǎn)化成微生物菌體蛋白、氨基酸、活性益生菌、復(fù)合酶制劑為一體的生物發(fā)酵法能提高動(dòng)物對(duì)粗纖維的消化、吸收和利用率，拓寬了秸稈的飼喂范圍，從而從根本上解決了飼料原料問(wèn)題。微生物發(fā)酵菌常用的有真菌、纖維素分解菌、酵母菌、乳酸菌、細(xì)菌等。 3.2.1 不同成分的降解 木質(zhì)素的降解：能降解木質(zhì)素的微生物包括真菌、細(xì)菌、放線菌中的多種微生物，其中以真菌中的白腐真菌降解木質(zhì)素及其衍生物的能力最強(qiáng)，白腐真菌能徹底降解木質(zhì)素為CO2和H2O。細(xì)菌中放線菌的降解能力也不錯(cuò)，絲狀細(xì)菌降解木質(zhì)素降解率最高能達(dá)到20％。將細(xì)菌和真菌聯(lián)合作用，先用細(xì)菌將木質(zhì)纖維物質(zhì)改性，在用真菌降解，可顯著提高木質(zhì)素的降解率。 木質(zhì)素的降解主要通過(guò)多種胞外酶的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)，木質(zhì)素降解酶研究最多的是木質(zhì)素過(guò)氧化物酶(Lignin Peroxidase，LiP)、錳過(guò)氧化物酶(Manganese Pemxidase MnP)、漆酶(Laccase)；葡糖糖氧化酶、乙二醛氧化酶、芳醇氧化酶等對(duì)木質(zhì)素的降解也能起到一定的作用。 纖維素的降解：纖維素酶種類繁多，來(lái)源很廣。 一般可分為三類：C1酶、Cx酶和β葡糖苷酶。C1酶最先對(duì)纖維素起作用，它能破壞纖維素鏈的結(jié)晶結(jié)構(gòu)；Cx酶從多糖鏈的還原端或非還原端切下纖維二糖單位；然后伊葡糖苷酶將纖維二糖水解為葡萄糖。真菌纖維素酶產(chǎn)量高、活性大，在畜牧業(yè)和飼料工業(yè)中應(yīng)用較廣。 纖維素酶制劑的研制已較成熟，有液態(tài)和固體2種。酶制劑較能產(chǎn)生纖維素酶的菌來(lái)說(shuō)，保存和使用都很方便。 半纖維素的降解：半纖維素包含木聚糖、甘露聚糖、阿拉伯聚糖、阿拉伯半乳聚糖和木葡聚糖等多種組分。半纖維素酶解需要多種酶的協(xié)同作用，其降解機(jī)理和纖維素相似。無(wú)論是化學(xué)法還是生物法都能很輕易地降解半纖維素，且一般纖維素酶菌都能產(chǎn)半纖維素酶，故在除去半纖維素時(shí)，無(wú)需專門(mén)選用特定的降解酶。 3.2.2 菌種的選用 在秸稈發(fā)酵飼料方面，混合菌種或復(fù)合菌制劑較單一菌劑發(fā)酵效果更為顯著，一般選用的發(fā)酵菌種要求能分解纖維素或木質(zhì)素，合成和分泌更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，能改變秸稈的適口性，且不產(chǎn)生毒副作用。對(duì)此國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。 3.2.3 蛋白飼料 微生物發(fā)酵秸稈生產(chǎn)蛋白飼料的研究是一個(gè)世界性的課題，目前已取得了重大的進(jìn)展。不同菌種作用于不同植物秸稈，在不同工藝下，蛋白質(zhì)的提高也不盡相同。 在發(fā)酵秸稈產(chǎn)蛋白飼料菌種的選用方面，人們越來(lái)越傾向于選用混合菌種發(fā)酵體系，在多菌種混合或酶菌聯(lián)合發(fā)酵中，酶能使纖維素分解轉(zhuǎn)化成單糖，糖又被發(fā)酵菌利用。這樣既可以維持降解物的濃度，又能消除降解物對(duì)酶合成作用的抑制作用。李大鵬、高玉榮等在玉米秸稈中加入一定量的玉米粉、尿素、水混合均勻后接種一定量曲霉菌、綠色霉菌、酵母菌，經(jīng)發(fā)酵后，玉米秸稈中粗蛋白由2.8％增加到28.8％、纖維素含量由40.2％降低到13.6％，發(fā)酵好的飼料有一定的酸味、適口性好。 近年來(lái)酶制劑也被廣泛的應(yīng)用到發(fā)酵中來(lái)，常用的酶制劑有纖維素酶、半纖維素酶、果膠酸酶、β-葡聚糖酶、植酸酶等。馬彩梅等陋1以稀酸預(yù)處理的甘草渣為發(fā)酵底物，采用固體復(fù)合酶制劑與酵母分步接種聯(lián)合發(fā)酵的方法發(fā)酵預(yù)處理甘草渣，所得產(chǎn)物蛋白質(zhì)含量較低，但木質(zhì)纖維素有一定程度的降解。 在多菌種發(fā)酵產(chǎn)蛋白飼料中，可以把多種菌按一定比例混合，同時(shí)接種。汪倫記等采用馬克斯克魯維酵母、白地霉和產(chǎn)朊假絲酵母組合發(fā)酵菊芋渣產(chǎn)蛋白飼料，其粗蛋白含量提高了90％以上。也可以先采用纖維素酶制劑或能釋放高活性纖維素酶的菌株水解纖維素成單糖或低糖，然后再接種酵母等微生物，這樣就可以在各菌種最佳條件下進(jìn)行發(fā)酵。王慧杰等采用多菌種混合發(fā)酵方式，將玉米秸稈先氨化預(yù)處理后分步接種高活性的黑曲霉、康氏木霉、瘤胃細(xì)菌、酵母共發(fā)酵8d后，纖維素降解率為2.67％，粗蛋白含量達(dá)到29.41％。 在秸稈飼料化的各種技術(shù)中，物理處理雖污染小，但處理效果沒(méi)有化學(xué)、生物處理效果好；化學(xué)處理技術(shù)可以在一定程度上破壞木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)，提高動(dòng)物的消化率，但不能增加飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，且處理過(guò)程中，試劑的回收將增大能耗；生物處理法不僅能破壞木質(zhì)纖維素的包裹結(jié)構(gòu)，如處理方法得當(dāng)，還能增加飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。 目前，我國(guó)推廣使用了青貯、微貯等飼料加工技術(shù)，取得了一定的成效，但也存在貯存量小，占用空間大等缺點(diǎn)。而微生物發(fā)酵秸稈轉(zhuǎn)換蛋白飼料的研究越來(lái)越受到大家的關(guān)注，物理法和化學(xué)法常作為生物發(fā)酵蛋白飼料的前處理過(guò)程被應(yīng)用。同時(shí)，生物法應(yīng)用過(guò)程中篩選高產(chǎn)纖維素菌株、選育能降解木質(zhì)素的高效微生物菌種、菌種的搭配使用及酶制劑的應(yīng)用等將成為秸稈飼料化研究的熱點(diǎn)。 在糧食短缺、能源緊張和環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的今天，合理有效地利用再生能源，通過(guò)將植物秸稈飼料化能有效緩解人畜爭(zhēng)糧矛盾，減少環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。相信，隨著研究的不斷深入，秸稈飼料化技術(shù)會(huì)越來(lái)越成熟，其對(duì)農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)持續(xù)、健康發(fā)展具有十分深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和戰(zhàn)略意義。 相關(guān)鏈接： 專業(yè)復(fù)合微生物發(fā)酵劑——加強(qiáng)型活力99生酵劑1物理法
2化學(xué)法
3生物法
4結(jié)語(yǔ)與展望
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