混合菌種發(fā)酵秸稈生產(chǎn)蛋白飼料的研究進(jìn)展

張 堯　仝 蒙　胡旭旭　章 云　胡鵬舉

(江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院,江蘇泰州　225300)

混合菌種發(fā)酵秸稈生產(chǎn)蛋白飼料的研究進(jìn)展

張 堯仝 蒙胡旭旭章 云胡鵬舉

(江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院,江蘇泰州225300)

我國農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量高，但秸稈的飼料利用技術(shù)較低。利用微生物對秸稈中纖維素、木質(zhì)素等成分進(jìn)行降解，提高其利用率，改善營養(yǎng)價值，生產(chǎn)秸稈生物飼料，是秸稈綜合利用的一條有效途徑。本文綜述了開發(fā)利用秸稈飼料所具有的社會和經(jīng)濟(jì)效益，詳細(xì)闡述了混合菌種發(fā)酵秸稈的優(yōu)勢和研究進(jìn)展。

秸稈飼料混合菌種發(fā)酵蛋白飼料加工工藝

農(nóng)作物秸稈是自然界中最為豐富的可再生資源之一，是潛在的動物飼料資源。作物秸稈中所含的纖維素是地球上最豐富的可再生資源，其年產(chǎn)量高達(dá)數(shù)十億噸。在地球的化石能源越來越少的情況下，開發(fā)利用秸稈資源越來越受到重視，研究人員正在積極探索尋找利用微生物來降解秸稈，提高秸稈的利用率的方法。

目前我國農(nóng)作物秸稈的綜合利用技術(shù)正朝著多元化的方向發(fā)展，主要的利用途徑有秸稈還田利用技術(shù)、秸稈飼料利用技術(shù)、秸稈原料利用技術(shù)以及秸稈能源利用技術(shù)等。秸稈還田是秸稈綜合利用的一條主要途徑，但秸稈還田存在很多問題。由于人均耕地少，機(jī)械化程度較低，耕地復(fù)種指數(shù)高，倒茬時間短，秸稈還田后不能有效降解，而且秸稈碳氮比高，還田費用過高，給秸稈還田帶來困難，嚴(yán)重影響農(nóng)民積極性；每年還有大量的秸稈沒有被充分利用，大量被焚燒，大量被拋入水體，造成環(huán)境污染，形成了一大社會公害。

秸稈飼料利用技術(shù)可以緩解畜牧業(yè)對糧食的過分依賴，為畜牧業(yè)提供大量的廉價原料，在全球糧食和資源緊缺的今天具有重大的生態(tài)價值和經(jīng)濟(jì)利益。常用的秸稈飼料化方法有3種，即物理法、化學(xué)法和生物法。相比較而言，生物法具有操作簡易、環(huán)保無污染、降解效果好等優(yōu)點，所以受到越來越多的學(xué)者關(guān)注。利用微生物產(chǎn)生的各種酶系對秸稈中纖維素、木質(zhì)素等成分進(jìn)行降解，提高其利用率，改善營養(yǎng)價值，生產(chǎn)秸稈生物飼料，是秸稈綜合利用的一條生態(tài)、低碳、高效循環(huán)利用有效途徑。利用微生物秸稈發(fā)酵飼料發(fā)展牛羊養(yǎng)殖，增加農(nóng)民的收入，具有廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景。

1 秸稈的生物處理方法

秸稈的生物處理方法就是利用某些微生物來處理秸稈飼料。常用的方法有青貯、微貯發(fā)酵、酶解等。

1.1 青貯

青貯是在厭氧環(huán)境中，通過乳酸菌繁殖發(fā)酵，將秸稈中的淀粉和可溶性糖合成乳酸，當(dāng)乳酸積累到一定濃度時會抑制腐敗菌的生長，秸稈得以長期保存。秸稈青貯以后，營養(yǎng)成分損失較少，適口性有很大提高。但青貯飼料，為了保障乳酸菌發(fā)酵，必須有一定的可溶性糖存在，含糖較多的原料如青草、玉米秸等容易青貯成功，稻草、麥秸等就比較難以青貯。此外，青貯飼料中微生物一般是被動進(jìn)入的，并且飼料中維生素D和蛋白質(zhì)含量偏低，酸度重，甜味不足，制作時受氣候影響等缺點，一定程度上制約了青貯的應(yīng)用。

1.2 酶解

酶解法是將酶溶于水后噴灑在秸稈上，先進(jìn)行酶解處理，然后再利用微生物發(fā)酵秸稈生產(chǎn)蛋白飼料。常用的酶制劑有纖維素酶、木質(zhì)素酶、葡聚糖酶等。此種方法雖然酶制劑有利于秸稈的降解，但往往成本較高不利推廣應(yīng)用。

1.3 微貯

微貯發(fā)酵即農(nóng)作物秸稈微生物發(fā)酵貯存技術(shù)，是農(nóng)作物秸稈提高其營養(yǎng)價值的秸稈處理方法。通過加入對木質(zhì)素、纖維素有較強(qiáng)降解能力的菌種，在一定的條件下發(fā)酵，從而促進(jìn)秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的分解，改善秸稈的適口性，提高其消化率，并增加營養(yǎng)。其作用機(jī)理一是使半纖維素-木聚糖鏈和木質(zhì)素聚合物的酯鏈降解，增加了秸稈的柔軟性和膨脹度，使瘤胃微生物能直接與纖維素接觸，有利于消化；二是在發(fā)酵過程中，部分木質(zhì)纖維素類物質(zhì)被轉(zhuǎn)化為糖類；三是由于微貯飼料中所含酶和其他生物活性物質(zhì)的作用，提高了反芻動物瘤胃微生物區(qū)系的纖維酶和降解酶的活性，從而提高了對秸稈的消化能力。通過微生物發(fā)酵生產(chǎn)秸稈飼料具有以下優(yōu)點：（1）成本低、效益高。因微生物生長繁殖速度快，發(fā)酵秸稈對微生物的接種量所需甚微，且降解作用良好。（2）適口性好，采食量增加，秸稈消化利用率高。金加明等用纖維素酶和酵母菌處理玉米秸稈飼喂育肥羊，日增重達(dá)到145.3g，較飼喂普通玉米秸稈提高了51%；顧擁建等利用微貯稻草秸稈飼料飼喂羊，羊的日采食量為1.4kg，顯著高于飼喂普通稻草組的羊日采食量（0.95kg）；任大明等用發(fā)酵劑處理玉米秸稈飼喂肉鵝，微生物發(fā)酵使玉米秸稈風(fēng)干樣品消化率提高15.77%，絕干樣品消化率提高15.26%。（3）原料來源廣?；旧纤修r(nóng)作物秸稈都可用作微貯發(fā)酵飼料的原料。（4）技術(shù)操作簡單快捷?；旧先甓伎缮a(chǎn)，且所需設(shè)備簡單，操作步驟簡便快捷?？傊?，微生物發(fā)酵與其他秸稈飼料處理方法相比，制作費用低，同時發(fā)酵過程中還能產(chǎn)生并積累對畜禽有益的代謝產(chǎn)物如氨基酸、有機(jī)酸、醇、醛、酯、維生素等，不僅使飼料適口性增加，而且具有增強(qiáng)動物抗病力及促進(jìn)其生長發(fā)育的作用。因此，微貯發(fā)酵具備良好的可操作性及市場價值，是目前秸稈飼料化的主要研究方向。

2 霉菌降解纖維素的研究進(jìn)展

微生物降解纖維素主要依靠其產(chǎn)生的纖維素酶。纖維素酶來源較廣泛，如原生動物、軟體動物、昆蟲、細(xì)菌、真菌等都能產(chǎn)生纖維素酶。來源于真菌的纖維素酶酶系較全，活性強(qiáng)。目前用于生產(chǎn)纖維素酶的微生物大多屬于霉菌，研究較多的有木霉屬、曲霉屬、根霉屬和漆斑霉屬。特別是綠色木霉及其近緣菌株最佳，國內(nèi)外普遍認(rèn)為綠色木霉的纖維素酶產(chǎn)率最高，酶系最全。

目前，人們對霉菌的降解過程提出了多種理論，而最讓人們廣泛接受的是協(xié)同理論。即霉菌所產(chǎn)生的纖維素酶通過各組分間進(jìn)行協(xié)同作用，這是其他酶類沒有的特點。霉菌是一類比較復(fù)雜的復(fù)合酶，它包括3種水解酶：第一種是內(nèi)切β-1，4-葡聚糖苷酶（簡稱C1酶），它的主要作用是在纖維素酶分子的內(nèi)部任意切斷纖維素酶的β-1，4糖苷鍵分子；第二種是外切β-1，4-葡聚糖酶（簡稱Cx酶），它的主要作用是從纖維素分子的非還原端依次切斷β-1，4糖苷鍵釋放出纖維二糖分子；第三種是β-葡萄糖苷酶（簡稱βG），它的主要作用是將Cx酶和C1酶切下來的纖維二糖分子轉(zhuǎn)變成葡萄糖。我國對纖維素酶的研究有幾十年的歷史，1968年北京選育出一批產(chǎn)纖維素酶的菌種，1970年，中國科學(xué)院上海植物生理研究所等單位利用誘變方法獲得了產(chǎn)酶能力較高的變異株，并進(jìn)行了生產(chǎn)試驗。1975年，廣東省微生物研究所分離篩選出纖維素酶產(chǎn)生菌株——長梗木霉。1976年，Stemberg 和Nystr報道了用綠色木霉生產(chǎn)纖維素酶的發(fā)酵條件及中試情況。1980年開始，研究的方向則集中于利用基因工程的方法對纖維素酶的基因進(jìn)行克隆，和一級序列的測定。近20年，根據(jù)結(jié)構(gòu)生物學(xué)與蛋白質(zhì)工程的方法研究酶的結(jié)構(gòu)與功能成為纖維素酶研究的熱點，并且選育出了一些纖維素酶高產(chǎn)菌種。

3 白腐真菌降解木質(zhì)素的研究進(jìn)展

白腐真菌（White rot fungi）是一種絲狀真菌，它可以侵入木頭的細(xì)胞腔內(nèi)，釋放降解木質(zhì)素和其他木質(zhì)組分的酶，導(dǎo)致木頭腐爛，故因此而得名。白腐真菌在分類學(xué)上絕大多數(shù)屬于真菌門、擔(dān)子菌亞門，少數(shù)為子囊菌大綱。有糙皮側(cè)耳、樺多孔菌、擬革蓋菌、漏斗狀側(cè)耳、粉狀側(cè)孢霉等200余個品系。其主要作用機(jī)理是通過分泌非專一性的木素降解酶系進(jìn)行木質(zhì)素的降解活動。白腐真菌的木質(zhì)素降解酶系主要有錳過氧化物酶、木質(zhì)素過氧化物酶和漆酶。先是美國科學(xué)家Tier和Kirk從黃孢原毛平革菌中發(fā)現(xiàn)了木質(zhì)素過氧化物酶（Lignin peroxidase，簡稱 Lip）。第2年，Co1d等又發(fā)現(xiàn)了錳過氧化物酶（mangnaseperoxidase，簡稱 MnP）和后來的日本科學(xué)家吉田第一次在生漆中發(fā)現(xiàn)的漆酶（Laccase，簡稱 Lac）。

限制秸稈降解的主要因素是木質(zhì)素，木質(zhì)素的完全降解是微生物群落共同作用的結(jié)果，其中白腐真菌特別是大型擔(dān)子真菌是最為重要的一類。20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外許多學(xué)者和研究人員致力于白腐真菌的研究。Sharma等發(fā)現(xiàn)白腐真菌能夠顯著地提高木質(zhì)素的降解率，提高秸稈在瘤胃中干物質(zhì)消化率，并且能改善秸稈的適口性。另有試驗報道，用白腐真菌發(fā)酵切碎的麥秸5～6周后，不僅粗蛋白含量有所提高，而且秸稈消化率也提高了2～3倍。利用白腐真菌處理秸稈一方面可以大幅度的提高秸稈的適口性和營養(yǎng)價值，另一方面部分用于食用菌生產(chǎn)的白腐真菌還具有成本低、無化學(xué)污染、飼喂家畜后無毒副作用等優(yōu)點，是秸稈制作發(fā)酵飼料的優(yōu)良菌種。楊國金等將多種混合菌種接種到稻草、小麥秸、玉米芯粉上，發(fā)酵后的秸稈的粗纖維降解率提高了19%～38%，粗蛋白含量增加了接近 1 倍，同時菌種發(fā)酵過程中還產(chǎn)生一些氨基酸和維生素等代謝產(chǎn)物。鐘德山等，用秸稈作為食用菌的培養(yǎng)基，采菇后菌糠的粗纖維降解60%～70%，粗蛋白增加接近1倍。

4 混合菌種發(fā)酵秸稈的研究進(jìn)展

利用微生物處理秸稈生產(chǎn)秸稈飼料，主要是利用高活性微生物菌劑首先將秸稈中的木質(zhì)素、纖維素及果膠等轉(zhuǎn)化為各種易被動物消化利用的糖類，其次通過微生物的生長代謝還會進(jìn)一步合成營養(yǎng)價值較高或適口性較好的物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、維生素、氨基酸、生長因子等。在選擇發(fā)酵農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)飼料的微生物菌種方面，最初多采用單菌種發(fā)酵，往往發(fā)酵效果較差，現(xiàn)在越來越傾向于采用混合菌發(fā)酵體系，在雙菌或多菌混合發(fā)酵中，酶促作用生成的糖立即被發(fā)酵糖的微生物所利用，這樣就維持了降解物的濃度，消除了酶合成作用受到的降解物的阻遏作用，同時，也解除了反應(yīng)終產(chǎn)物對酶的反饋抑制。要滿足以上特性，菌種在搭配組合上最好包括纖維分解菌、木質(zhì)素分解菌、提供蛋白的菌以及增加適口性的菌。為達(dá)到分解并利用秸稈纖維質(zhì)的目的，一般選用對纖維質(zhì)的分解起著重要作用的真菌。杭怡瓊等研究表明白腐真菌對木質(zhì)素的降解率平均可達(dá)37.76%，效果極為顯著。木霉、黑曲霉、綠色木霉和康氏木霉有較強(qiáng)的分解纖維素的能力，并可分解半纖維素和果膠物質(zhì)。它們通過產(chǎn)生一系列的纖維分解酶來分解纖維素為簡單易消化糖。為達(dá)到氮素轉(zhuǎn)化目的一般在秸稈中加入能生產(chǎn)單胞蛋白的酵母菌，將秸稈中的營養(yǎng)物轉(zhuǎn)到酵母體內(nèi)，成為優(yōu)質(zhì)的菌體蛋白。增加適口性主要依靠乳酸菌發(fā)酵，其發(fā)酵過程會產(chǎn)生一種酸香味，能夠增加采食量，從而提高畜禽對秸稈飼料的利用率。乳酸菌發(fā)酵過程產(chǎn)酸，會使飼料的pH下降，并抑制有害菌的繁殖，從而達(dá)到保存秸稈的目的。

理論上可以利用白腐真菌、褐腐真菌等來降解秸稈飼料中的木質(zhì)素；利用木霉、根霉等來降解秸稈飼料中的纖維組分；利用酵母的菌體蛋白來提高秸稈飼料中的蛋白含量；利用乳酸菌發(fā)酵來改善秸稈飼料的適口性。但多種微生物混合發(fā)酵秸稈技術(shù)，并不是單純地把具有各種功能的菌隨意拼湊組合，因為各種微生物之間有可能產(chǎn)生拮抗作用，它們相互間會搶奪養(yǎng)分甚至抑制對方的生長。同時還要注意不同菌之間的互補性和協(xié)同性，讓其總體發(fā)揮出正組合效應(yīng)，這就需要在具體實踐中進(jìn)行摸索。徐堅平等采用綠色木霉菌和產(chǎn)脘假絲酵母固體混合發(fā)酵方式制作秸稈飼料，結(jié)果表明，秸稈中纖維素轉(zhuǎn)化率達(dá)51%，蛋白質(zhì)的含量提高到了20%～25%，另外飼料中還富含多種酶類、氨基酸及維生素。

玉米秸稈經(jīng)活干菌發(fā)酵后，轉(zhuǎn)變?yōu)檫m口性好、消化率高的優(yōu)質(zhì)飼料。黃世強(qiáng)等將玉米秸稈添加發(fā)酵活干菌劑后進(jìn)行微貯，再利用微貯玉米秸稈對羊進(jìn)行夜間補飼。結(jié)果表明：兩試驗組羊日均增重，比對照組分別提高256%、216%（P＜0.01）。陳學(xué)文等在南方亞熱帶炎熱季節(jié)條件下，利用自制的微貯飼料發(fā)酵劑（主要含乳酸菌、酵母菌、相關(guān)酶制劑等多種益生菌添加劑）對乳熟期收獲甜玉米后的高水分（含水量78%以上）秸稈進(jìn)行厭氧發(fā)酵處理，結(jié)果表明，試驗各組微貯飼料中的中性洗滌纖維含量都低于對照組，酸性洗滌纖維含量降低的最多達(dá)26.10%，微貯玉米秸稈中粗蛋白含量比常規(guī)青貯玉米秸稈分別增加了11.04%左右。孫耀華等利用纖維素復(fù)合酶處理半干貯的玉米秸稈，并進(jìn)行飼喂肉牛的試驗，結(jié)果表明處理后的秸稈對肉牛的增重效果顯著，日增重達(dá)2.5 kg，較對照組提高了20%，經(jīng)濟(jì)效益增加了42%。馬效林等通過試驗發(fā)現(xiàn)，用氨化飼料與微貯飼料育肥肉羊能獲得較高的日增重，飼喂微貯飼料的羊日增重達(dá)到143.33g，較飼喂氨化飼料組提高了10.40%，較飼喂普通麥秸組提高了30%。各項試驗證明，粗飼料經(jīng)微生物處理后飼喂反芻動物，飼料報酬明顯提高。

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江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目：高效秸稈降解菌生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)粗飼料混合發(fā)酵模式的構(gòu)建（201512806031X）