木質(zhì)纖維素青貯研究現(xiàn)狀與展望

張慧芳，孔祥婕，趙淑忻，薛慧婷，李冠華1,

(1.內(nèi)蒙古大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院省部共建草原家畜生殖調(diào)控與繁育國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070； 2.內(nèi)蒙古大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院牧草與特色作物生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070； 3.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

反芻動(dòng)物市場(chǎng)需求逐年增加，價(jià)格持續(xù)走高，市場(chǎng)需求和價(jià)格的“雙高”推動(dòng)著飼料工業(yè)的快速發(fā)展。青貯已有3 000多年的應(yīng)用歷史，19世紀(jì)以來(lái)，研究、建立現(xiàn)代化的飼料青貯工藝體系受到各國(guó)政府的廣泛關(guān)注。青貯是以乳酸菌為優(yōu)勢(shì)菌種的自然或部分人工控制的發(fā)酵過(guò)程，產(chǎn)生的有機(jī)酸能夠顯著抑制有害微生物生長(zhǎng)，減少飼料營(yíng)養(yǎng)損失，提高家畜采食率，調(diào)節(jié)動(dòng)物腸道菌群，改善舍飼環(huán)境，是制備反芻動(dòng)物飼料的重要方法。目前，青貯研究重點(diǎn)圍繞微生物篩選和菌群動(dòng)態(tài)變化展開(kāi)，對(duì)于原料和反應(yīng)器報(bào)道較少，這阻礙了青貯發(fā)展。本研究將青貯原料、添加劑和反應(yīng)器三者有機(jī)結(jié)合，系統(tǒng)綜述了最新研究概況，并結(jié)合相關(guān)新技術(shù)和新理念，提出了青貯發(fā)展新方向。

1 木質(zhì)纖維素原料

木質(zhì)纖維素原料來(lái)源廣泛，種類多樣，可分為農(nóng)業(yè)原料、工業(yè)原料和牧草原料。青貯可以減少飼料營(yíng)養(yǎng)損失，促進(jìn)本地植物飼用轉(zhuǎn)化。農(nóng)業(yè)原料具有產(chǎn)量大、收集半徑小的優(yōu)點(diǎn)，大部分農(nóng)業(yè)原料屬于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)剩余物，開(kāi)發(fā)成青貯飼料可實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用，避免焚燒污染，促進(jìn)生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展。玉米、小麥和水稻是世界3大糧食作物，纖維素含量豐富、生物量大、種植面積廣。水稻和小麥主要利用籽粒收獲后的剩余莖稈制成青貯飼料；全株玉米或其脫穗的莖桿是青貯最主要的原料；向日葵、豆秸等富含植物蛋白，是優(yōu)質(zhì)的高蛋白質(zhì)青貯原料；大麥、高粱抗逆性強(qiáng)，是農(nóng)牧交錯(cuò)的低溫干旱地區(qū)的理想青貯原料。工業(yè)原料屬于工業(yè)生產(chǎn)剩余物，具有形態(tài)均一、分布集中、便于加工、部分產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、活性成分可以調(diào)節(jié)腸道菌群、利于動(dòng)物健康等優(yōu)點(diǎn)，青貯有助于實(shí)現(xiàn)工業(yè)原料綜合利用，增加產(chǎn)品附加值，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。甜菜渣、甘蔗渣和馬鈴薯渣的可溶性碳水化合物含量豐富，茶葉廢棄物和中藥剩渣富含多種氨基酸、維生素和黃酮類活性成分，酒糟富含有機(jī)氮且具有獨(dú)特酒香味益于動(dòng)物采食，均可作為優(yōu)質(zhì)的青貯原料。牧草原料來(lái)自天然或人工草場(chǎng)。紫花苜蓿粗蛋白質(zhì)含量豐富是第一大人工牧草；黑麥草可以在低溫環(huán)境下生長(zhǎng)，羊草是溫帶草原的優(yōu)良牧草，蘇丹草質(zhì)地柔軟、鮮嫩多汁，象草產(chǎn)量高、適口性好。青貯原料化學(xué)成分差異顯著，多種原料混合青貯有助于提高青貯效率，均衡營(yíng)養(yǎng)，促進(jìn)家畜生長(zhǎng)。辣木葉和水稻秸稈混合青貯時(shí)乳酸菌豐度提高37.86%[1]，紫花苜蓿和紅三葉草混合青貯利于減少紫花苜蓿粗蛋白質(zhì)損失[2]，奶牛采食黑麥草和紅三葉草混合青貯飼料后產(chǎn)奶量提高30.68%[3]。

飼用植物在自然進(jìn)化過(guò)程中形成的抵抗微生物及酶作用的天然結(jié)構(gòu)稱為抗降解屏障。天然抗降解屏障的存在顯著降低了青貯效率，導(dǎo)致飼用植物難以被動(dòng)物充分消化利用。綜合考慮區(qū)域特點(diǎn)和飼用需求，圍繞地區(qū)農(nóng)牧業(yè)特色，根據(jù)原料差異，建立與之相對(duì)應(yīng)的預(yù)處理工藝是推動(dòng)青貯飼料產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的有效舉措。物理、化學(xué)預(yù)處理能夠破壞木質(zhì)素、降解半纖維素、暴露纖維結(jié)晶區(qū)、增大比表面積并促進(jìn)青貯微生物生長(zhǎng)[4-5]。粉碎和剪切是常見(jiàn)的預(yù)處理方法，另外甲酸預(yù)處理能改善飼料適口性，氨水預(yù)處理能提高飼料氮含量[6-7]，因而也是常用的預(yù)處理方法。

2 青貯添加劑

2.1 微生物添加劑

青貯微生物種類多樣，不同環(huán)境、不同原料表面的微生物組成差異顯著，已報(bào)道種類達(dá)幾百種。青貯不同階段微生物種類和數(shù)量高度動(dòng)態(tài)變化，發(fā)酵初期參與的微生物主要有Lactococci、Leuconostoc、Pediococcus和Weissella屬，中后期的主體發(fā)酵由Lactobacilli屬主導(dǎo)[8-9]。乳酸菌是青貯過(guò)程的優(yōu)勢(shì)菌群[10]，主要來(lái)自于Lactobacillus、Streptococcus、Pediococcus、Enterococcus、Lactococcus和Leuconostoc6個(gè)屬，可分為同型發(fā)酵乳酸菌和專性異型發(fā)酵乳酸菌兩類。同型發(fā)酵乳酸菌將可溶性碳水化合物發(fā)酵為乳酸，在青貯初期占據(jù)主導(dǎo)地位[11]；專性異型發(fā)酵乳酸菌的產(chǎn)物除乳酸外還會(huì)生成乙酸、二氧化碳等，能夠抑制酵母菌和霉菌生長(zhǎng)繁殖[12]。

溫度是影響青貯微生物種類和數(shù)量的重要因素，表現(xiàn)為對(duì)青貯微生物生長(zhǎng)的抑制或促進(jìn)作用，以及引起同型乳酸菌與專性異型乳酸菌間的轉(zhuǎn)化[13]。篩選耐受高溫或寒冷環(huán)境的區(qū)域適應(yīng)性乳酸菌，是青貯乳酸菌添加劑的重要研究方向。Doi等[14]篩選到能夠在30～43℃環(huán)境生長(zhǎng)的Lactobacillusplantarum，L.rhamonsus,L.rapi,Pediococcuspentosaceus和P.lolii；關(guān)皓等[15]篩選到能夠在45℃生長(zhǎng)且產(chǎn)乳酸能力較強(qiáng)的L.rhamnosus和L.salivarius；Tanizawa等[16]篩選到可在4℃生長(zhǎng)且產(chǎn)乳酸的L.hokkaidonensis；張?jiān)降萚17]篩選到能夠在10℃生長(zhǎng)產(chǎn)乳酸的L.plantarum和Leuconostocmesenteroides。開(kāi)發(fā)同型和專性異型乳酸菌的復(fù)合添加劑能夠有效提高青貯效率。Ding等[18]發(fā)現(xiàn)添加L.plantarum和L.brevis混合菌劑，能夠使可溶性碳水化合物含量降低71.91%，乳酸含量增加77.59%；Si等[19]研究發(fā)現(xiàn)添加L.plantarum和L.buchneri混合菌劑，能夠使乳酸含量增加116.67%；Arriola等[20]研究發(fā)現(xiàn)添加P.pentosaceus和L.buchneri混合菌劑，能夠使乳酸含量增加200.69%。非乳酸菌添加劑功能多樣，能夠抑制雜菌生長(zhǎng)，同時(shí)發(fā)揮益生作用。Lara等[21]發(fā)現(xiàn)接種Bacillussubtilis可使霉菌數(shù)量降低39.39%；Zanine等[22]發(fā)現(xiàn)接種Streptococcusbovis后青貯飼料的氨氮含量降低7.25%，pH值更低；Duniere等[23]發(fā)現(xiàn)接種Saccharomycescerevisiae有益于反芻動(dòng)物腸道健康。充分認(rèn)知青貯微生物菌群的動(dòng)態(tài)變化及相互作用，根據(jù)原料組成和環(huán)境條件差異，開(kāi)發(fā)乳酸菌和非乳酸菌的復(fù)合菌劑是改善動(dòng)物腸道菌群、提高飼料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的重要途徑。Xu等[24]研究表明，同時(shí)接種S.cerevisiae和L.buchneri能夠增加青貯飼料中的有益菌，利于動(dòng)物健康；Lara等[25]發(fā)現(xiàn)接種B.subtilis和L.plantarum，霉菌數(shù)量減少，體外干物質(zhì)表觀消化率提高23.75%。

2.2 化學(xué)添加劑

甲酸、乙酸和丙酸等有機(jī)酸能夠改變?cè)侠砘再|(zhì)，抑制雜菌生長(zhǎng)。青貯前添加適量甲酸能夠降低干物質(zhì)損失，提高可溶性碳水化合物含量，抑制好氧菌生長(zhǎng)，減少丁酸和氨態(tài)氮生成量。Zhang等[26]發(fā)現(xiàn)加入3.3 g/kg甲酸可使青貯黑麥草的氨態(tài)氮含量降低82.14%；乙酸和丙酸的主要作用是抑制霉菌和酵母菌，防止后期出現(xiàn)二次發(fā)酵；Chen等[27]發(fā)現(xiàn)丙酸可抑制腸桿菌生長(zhǎng)，增加乳酸菌數(shù)量，特別是能夠顯著提高有氧階段乳酸含量，增強(qiáng)產(chǎn)品穩(wěn)定性。

營(yíng)養(yǎng)物添加劑具有促進(jìn)微生物生長(zhǎng)，改善動(dòng)物膳食營(yíng)養(yǎng)的優(yōu)點(diǎn)。不同種類、不同生長(zhǎng)和生理階段的家畜營(yíng)養(yǎng)需求差異顯著，單一的青貯飼料往往難以滿足家畜生長(zhǎng)需要，基于營(yíng)養(yǎng)均衡的原則，合理搭配，按需復(fù)配不同營(yíng)養(yǎng)物對(duì)提高青貯效率和改善動(dòng)物健康具有重要意義。制糖工業(yè)副產(chǎn)品糖蜜能夠提供大量的可發(fā)酵糖，促進(jìn)微生物生長(zhǎng)，增加乳酸含量。Zhao等[28]研究表明，添加糖蜜后青貯稻草的乳酸含量增加了77.38%。尿素和氨水可以調(diào)節(jié)飼料碳氮比，同時(shí)發(fā)揮抑菌作用。Santos等[29]研究表明添加尿素使青貯高粱的乳酸菌數(shù)量增加4.58%，并降低了干物質(zhì)損失量。

2.3 酶添加劑

纖維素酶、半纖維素酶、蛋白酶和淀粉酶等酶制劑能夠促進(jìn)飼料營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解，提高家畜對(duì)飼料的利用率。Han等[30]發(fā)現(xiàn)添加纖維素酶能夠使青貯玉米的可溶性碳水化合物增加28.87%；He等[31]發(fā)現(xiàn)添加纖維素酶可使青貯桑葉的乳酸含量增加25.24%；Nawaz等[32]發(fā)現(xiàn)水牛采食添加纖溶酶的青貯燕麥后體重增長(zhǎng)率提高13.00%；Zhao等[33]發(fā)現(xiàn)添加半纖維素酶，青貯水稻的半纖維素含量降低17.48%，乳酸濃度增加15.05%，干物質(zhì)利用率提高23.43%；Oliveira等[34]發(fā)現(xiàn)添加淀粉酶使青貯玉米的乳酸菌含量增加48.19%。

通過(guò)基因工程的方法使益生菌獲得功能明確、產(chǎn)量較高的酶蛋白，是未來(lái)研究酶制劑的重要發(fā)展方向。Liu等[35]將纖維素酶基因?qū)隠.lactisHT2，青貯苜蓿的可溶性碳水化合物含量提高47.00%；Guo等[36]將多功能糖苷水解酶的基因?qū)隠.plantarum，可有效降解半纖維素和纖維素，青貯苜蓿的可溶性碳水化合物含量顯著增加；Hu等[37]將纖維二糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和β-葡萄糖苷酶基因?qū)隨.cerevisiae中，纖維二糖消耗率提高180%；Wang等[38]將淀粉脫支酶基因?qū)隑.subtilis中，所產(chǎn)酶的活性提高100.69%。

3 青貯反應(yīng)器

青貯反應(yīng)器包括青貯窖、青貯塔、青貯堆和青貯袋。應(yīng)根據(jù)環(huán)境條件、青貯原料和生產(chǎn)實(shí)際采用不同的青貯工藝。青貯窖多為長(zhǎng)方形，建于土壤堅(jiān)硬、地勢(shì)偏高的地方，灌裝原料后通過(guò)密封達(dá)到厭氧目的，分為地下式、地上式和半地下式。青貯塔是一種由不銹鋼、磚和水泥等材料構(gòu)成的圓筒狀永久性反應(yīng)器，頂部填原料，產(chǎn)品經(jīng)底部或頂部取出。青貯塔占地面積小，便于機(jī)械化操作，但建造與維護(hù)成本高，只適用于規(guī)模較大的農(nóng)場(chǎng)儲(chǔ)存飼料。青貯堆是一種將原料置于平坦地面，堆疊成垛后覆蓋塑料布膜壓實(shí)而成的方法。該方法操作簡(jiǎn)單、成本較低且貯存靈活，但存在好氧暴露的風(fēng)險(xiǎn)。

青貯袋是指利用塑料膜包裝原料，營(yíng)造厭氧環(huán)境后進(jìn)行的青貯發(fā)酵，每個(gè)包裝袋相當(dāng)于一個(gè)單獨(dú)的反應(yīng)器。青貯袋具有制作簡(jiǎn)便、營(yíng)養(yǎng)損失低、易于貯存、運(yùn)輸方便靈活的特點(diǎn)，但受農(nóng)場(chǎng)機(jī)械化程度影響較大，且對(duì)原料要求較高，外部膜損壞也易使青貯受到污染。為了解決此問(wèn)題，也可將原料切碎、壓實(shí)、捆裝，利用薄膜密封制成小型青貯袋，該方法操作更簡(jiǎn)單，成本更低。青貯袋已成為青貯反應(yīng)器的首選，開(kāi)發(fā)隔氧性能好、綠色環(huán)保、低殘留的生物基材料的青貯袋已成為當(dāng)前研究重點(diǎn)。Szterk等[39]制備出淀粉基可生物降解的隔氧膜，滿足青貯要求的同時(shí)，可避免混入的薄膜對(duì)奶牛產(chǎn)生危害；Borreani和Tabacco[40]研究表明，淀粉基可生物降解薄膜有望成為聚乙烯薄膜經(jīng)濟(jì)環(huán)保的替代品投入青貯生產(chǎn)。

4 展望

反芻動(dòng)物對(duì)青貯原料的利用表現(xiàn)為對(duì)細(xì)胞壁纖維素的降解，從植物本征結(jié)構(gòu)出發(fā)，系統(tǒng)解析細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)與可消化性的內(nèi)在聯(lián)系，提高細(xì)胞壁營(yíng)養(yǎng)成分的利用效率是青貯工藝研究的核心。因地制宜，選擇理想的青貯原料，開(kāi)發(fā)基于地方特色植物的混合青貯；青貯前建立合適的預(yù)處理工藝，提高原料可消化性；青貯過(guò)程中復(fù)配多種酶制劑，提高青貯效率；青貯后添加營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑，均衡飼料營(yíng)養(yǎng)；是推動(dòng)青貯產(chǎn)業(yè)規(guī)?；?biāo)準(zhǔn)化和集約化發(fā)展的基礎(chǔ)。

微生物是影響青貯品質(zhì)的決定因素。充分認(rèn)識(shí)青貯微生物組成及動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，基于地方特色植物資源，篩選區(qū)域適應(yīng)性乳酸菌；利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)特別是合成生物學(xué)方法定向、高效、安全地改造乳酸菌，獲得具有優(yōu)良性狀，特別是對(duì)反芻動(dòng)物甚至人體有益的乳酸菌株；了解青貯微生物組成，明確不同微生物的功能及其相互作用機(jī)制，制備多菌種協(xié)同作用的菌劑；加強(qiáng)微生物檢測(cè)，抑制真菌生長(zhǎng)，減少毒素生成；是推動(dòng)青貯產(chǎn)業(yè)規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化和集約化發(fā)展的核心。

青貯反應(yīng)器是青貯工藝落地、發(fā)展的前提。根據(jù)工藝要求和生產(chǎn)實(shí)際情況，開(kāi)展與經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益相適應(yīng)的反應(yīng)器研制工作；深入研究青貯過(guò)程的熱、質(zhì)傳遞難題，建立發(fā)酵強(qiáng)化技術(shù)，提高青貯效率；結(jié)合數(shù)字化成像與圖形處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)青貯過(guò)程的可視化和青貯品質(zhì)的可控化；充分挖掘現(xiàn)有技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多技術(shù)集成創(chuàng)新，推進(jìn)青貯生產(chǎn)的機(jī)械化進(jìn)程；加強(qiáng)新材料研究，制備綠色、低殘留的新型可生物降解材料；是推動(dòng)青貯產(chǎn)業(yè)規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化和集約化發(fā)展的保障。