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植物秸秆饲料化技术研究进展

2017-02-27 17:16:39 点击：

导读

目前秸秆的世界产量为20～30亿t/年，我国秸秆年产量超过6亿t，约为北方草原打草量的50倍，约占世界秸秆总量的百分之二十到三十。目前，大部分农作物秸秆或是焚烧、或被直接还田，仅有少量用于造纸、纺织等行业。这种处理方式不仅污染环境，破坏土壤结构，还造成了资源的大大浪费。在能源日益紧张的今天，合理利用资源丰富、价格低廉的植物秸秆显得尤为重要。

植物秸秆主要由植物细胞壁组成，基本成分是纤维素、半纤维素、木质素、硅酸盐以及少量蛋白质等，是一种可循环利用的物质资源。纤维素是由D-吡喃型葡萄糖残基经β-1，4糖苷键联结成的聚合物。半纤维素是由葡萄糖、木糖、戊糖、己糖、多糖醛酸及其甲酯缩合而成，不溶于热水，溶于稀酸。木质素是一种广泛存在于植物体中由苯丙烷及其相应衍生物通过碳一碳键、二芳基键、烷醚键等连接而成的无定型的、分子结构中含有氧代苯丙醇或其衍生物结构单元的芳香性高聚物，它是动物吸收各种养分的主要限制因素。木质素填充于纤维素构架中，与纤维素、半纤维素紧密结合、相互缠绕构成粗纤维。粗纤维中营养含量少，适口性差，吸水易润胀，不易消化。

植物秸秆若直接作为饲料，从营养的角度分析，其粗纤维含量高、蛋白质、矿物质、可溶性碳水化合物和胡萝卜素等含量低、营养价值低；从口感的角度分析，其质地坚硬、口感不好；因而家畜采食量小，消化率低。但若对植物秸秆进行适当的合理的加工处理，降低秸秆中木质纤维素的含量，增加蛋白质的含量，改善其适口性，提高营养价值，便可在一定程度上提高动物对秸秆的采食量、消化率。从而提高植物秸秆的利用率，缓解能源紧缺的现状，提高饲料报酬及经济效益。

植物秸秆饲料化的方法有物理法、化学法和生物法等。

1物理法

秸秆饲料的物理处理法较为简单，方便。有粉碎、浸泡、切短、压块、蒸煮、辐射等方法，但多为其它方法的前处理。粉碎、切短能在一定程度上分离纤维素、半纤维素、木质素的结合，破坏木质纤维素的晶体结构，以便于动物的采食和适当的提高消化率，但这种处理方法不能提高植物秸秆的营养价值。

高压蒸汽处理、膨化处理是近年来秸秆饲料化常用的物理处理方法，它是将秸秆中的木质素进行软化并部分水解，这种方法对设备和能量的要求高，成本大。据用大于2.0×10⁷焦耳的辐射处理秸秆的报道显示，辐射技术能促使秸秆的木质纤维素含量降低，体外消化率增高。苏秀侠等研究了对玉米秸秆采用不同物理处理法后的饲料对肉牛增重效果的影响，结果显示，除铡碎型外，制剂、压块和挤压成棒状等方法对于育肥牛的增重效果都很明显。

2化学法

化学处理法主是通过化学试剂与秸秆内分子结构相互作用，使其内部分子发生化学变化，生成的产物易于动物消化、吸收的一种提高秸秆消化率的方法。化学法可分为碱处理法、氨处理法、酸处理法、高锰酸钾处理法、氧化剂处理法、复合化学法等。这些方法都能改变植物秸秆的化学组成，增加秸秆饲料的可利用性，但不能从根本上改善微生物的生存环境和营养条件，并且在处理过程中使用的酸、碱如不能合理的回收利用，就会对环境造成污染。

2.1 碱处理法

碱处理常用的试剂有NaOH、CaO、Ca(OH)₂等。碱处理可使秸秆纤维素内部氢键结合力变弱，酯键和醚键被破坏，使得木质素、纤维素、半纤维素之间的联系减弱，纤维素分子膨胀，半纤维素和部分木质素溶解川。但碱处理法用碱量大，处理后需用大量的水冲洗，易造成水的浪费以及环境的污染。

2.2 氨化法

氨化法采用的试剂一般为氨气、液氨和尿素。氨化法在起到碱化处理方法的同时，可以与秸秆中的有机物质发生反应，破坏木质素与多糖之间的酯键，并将其转化成铵盐。罗立娜等研究了不同尿素质量分数和不同预处理温度对稻秸木质纤维素降解情况和对稻秸厌氧产气特性的影响，试验结果表明，尿素预处理能有效破坏木质纤维素的结构，对产气量有20.67％～38.20％的提高。

2.3 高锰酸钾处理

刘梅等考察了不同浓度的酸性高锰酸钾溶液对玉米秸秆中纤维素、半纤维素、木质素及灰分的降解情况的影响。试验表明，酸性高锰酸钾溶液能使秸秆中木质素含量降低。

2.4 氧化剂处理

氧化剂处理采用的氧化剂有臭氧(O₃)、二氧化硫(SO₂)、碱性过氧化氢(AHP)等。其处理原理是氧化剂能破坏木质纤维素之间的共价键、使部分木质纤维素溶解，从而增大酶及酶制剂与细胞壁的接触反应面积，提高饲料的消化率。

2.5 复合化学处理

对于木质化程度高，有机物消化率低的秸秆如甘蔗渣，棉花秆等，利用碱法和酸法结合使用能较大幅度提高此类秸秆的营养价值。徐清华等采用尿素、氧化钙、氯化钠符合处理麦秸、玉米秸秆等，处理后的秸秆能明显提高绵羊的生长性能。

3生物法

生物法处理秸秆的方法有青贮、微生物处理等。

3.1 青贮

青贮是指将新鲜的植物秸秆经切短、填入、压实于青贮窖中，在隔绝空气的条件下，经厌氧菌发酵将糖类转化为有机酸而得的一种柔软多汁、气味酸香、营养丰富、易消化的粗饲料。青贮易受气候的影响，且青贮需要建青贮窖，而青贮窖的投资较大，故在一定程度上制约了青贮的应用。

3.2 微生物处理

微生物处理是以有益微生物、复合酶为生物发酵剂，通过微生物作用将木聚糖链和木质素聚合物酯链酶解，使秸秆软化，体积膨胀。这种将植物秸秆转化成微生物菌体蛋白、氨基酸、活性益生菌、复合酶制剂为一体的生物发酵法能提高动物对粗纤维的消化、吸收和利用率，拓宽了秸秆的饲喂范围，从而从根本上解决了饲料原料问题。微生物发酵菌常用的有真菌、纤维素分解菌、酵母菌、乳酸菌、细菌等。

3.2.1 不同成分的降解

木质素的降解：能降解木质素的微生物包括真菌、细菌、放线菌中的多种微生物，其中以真菌中的白腐真菌降解木质素及其衍生物的能力最强，白腐真菌能彻底降解木质素为CO₂和H₂O。细菌中放线菌的降解能力也不错，丝状细菌降解木质素降解率最高能达到20％。将细菌和真菌联合作用，先用细菌将木质纤维物质改性，在用真菌降解，可显著提高木质素的降解率。

木质素的降解主要通过多种胞外酶的协同作用实现，木质素降解酶研究最多的是木质素过氧化物酶(Lignin Peroxidase，LiP)、锰过氧化物酶(Manganese Pemxidase MnP)、漆酶(Laccase)；葡糖糖氧化酶、乙二醛氧化酶、芳醇氧化酶等对木质素的降解也能起到一定的作用。

纤维素的降解：纤维素酶种类繁多，来源很广。

一般可分为三类：C1酶、Cx酶和β葡糖苷酶。C1酶最先对纤维素起作用，它能破坏纤维素链的结晶结构；Cx酶从多糖链的还原端或非还原端切下纤维二糖单位；然后伊葡糖苷酶将纤维二糖水解为葡萄糖。真菌纤维素酶产量高、活性大，在畜牧业和饲料工业中应用较广。

纤维素酶制剂的研制已较成熟，有液态和固体2种。酶制剂较能产生纤维素酶的菌来说，保存和使用都很方便。

半纤维素的降解：半纤维素包含木聚糖、甘露聚糖、阿拉伯聚糖、阿拉伯半乳聚糖和木葡聚糖等多种组分。半纤维素酶解需要多种酶的协同作用，其降解机理和纤维素相似。无论是化学法还是生物法都能很轻易地降解半纤维素，且一般纤维素酶菌都能产半纤维素酶，故在除去半纤维素时，无需专门选用特定的降解酶。

3.2.2 菌种的选用

在秸秆发酵饲料方面，混合菌种或复合菌制剂较单一菌剂发酵效果更为显著，一般选用的发酵菌种要求能分解纤维素或木质素，合成和分泌更多的营养物质，能改变秸秆的适口性，且不产生毒副作用。对此国内外学者做了大量的研究。

3.2.3 蛋白饲料

微生物发酵秸秆生产蛋白饲料的研究是一个世界性的课题，目前已取得了重大的进展。不同菌种作用于不同植物秸秆，在不同工艺下，蛋白质的提高也不尽相同。

在发酵秸秆产蛋白饲料菌种的选用方面，人们越来越倾向于选用混合菌种发酵体系，在多菌种混合或酶菌联合发酵中，酶能使纤维素分解转化成单糖，糖又被发酵菌利用。这样既可以维持降解物的浓度，又能消除降解物对酶合成作用的抑制作用。李大鹏、高玉荣等在玉米秸秆中加入一定量的玉米粉、尿素、水混合均匀后接种一定量曲霉菌、绿色霉菌、酵母菌，经发酵后，玉米秸秆中粗蛋白由2.8％增加到28.8％、纤维素含量由40.2％降低到13.6％，发酵好的饲料有一定的酸味、适口性好。

近年来酶制剂也被广泛的应用到发酵中来，常用的酶制剂有纤维素酶、半纤维素酶、果胶酸酶、β-葡聚糖酶、植酸酶等。马彩梅等陋1以稀酸预处理的甘草渣为发酵底物，采用固体复合酶制剂与酵母分步接种联合发酵的方法发酵预处理甘草渣，所得产物蛋白质含量较低，但木质纤维素有一定程度的降解。

在多菌种发酵产蛋白饲料中，可以把多种菌按一定比例混合，同时接种。汪伦记等采用马克斯克鲁维酵母、白地霉和产朊假丝酵母组合发酵菊芋渣产蛋白饲料，其粗蛋白含量提高了90％以上。也可以先采用纤维素酶制剂或能释放高活性纤维素酶的菌株水解纤维素成单糖或低糖，然后再接种酵母等微生物，这样就可以在各菌种最佳条件下进行发酵。王慧杰等采用多菌种混合发酵方式，将玉米秸秆先氨化预处理后分步接种高活性的黑曲霉、康氏木霉、瘤胃细菌、酵母共发酵8d后，纤维素降解率为2.67％，粗蛋白含量达到29.41％。

4结语与展望

在秸秆饲料化的各种技术中，物理处理虽污染小，但处理效果没有化学、生物处理效果好；化学处理技术可以在一定程度上破坏木质纤维素的结构，提高动物的消化率，但不能增加饲料的营养价值，且处理过程中，试剂的回收将增大能耗；生物处理法不仅能破坏木质纤维素的包裹结构，如处理方法得当，还能增加饲料的营养价值。

目前，我国推广使用了青贮、微贮等饲料加工技术，取得了一定的成效，但也存在贮存量小，占用空间大等缺点。而微生物发酵秸秆转换蛋白饲料的研究越来越受到大家的关注，物理法和化学法常作为生物发酵蛋白饲料的前处理过程被应用。同时，生物法应用过程中筛选高产纤维素菌株、选育能降解木质素的高效微生物菌种、菌种的搭配使用及酶制剂的应用等将成为秸秆饲料化研究的热点。

在粮食短缺、能源紧张和环境污染日趋严重的今天，合理有效地利用再生能源，通过将植物秸秆饲料化能有效缓解人畜争粮矛盾，减少环境污染和资源浪费。相信，随着研究的不断深入，秸秆饲料化技术会越来越成熟，其对农业和畜牧业持续、健康发展具有十分深远的经济价值和战略意义。