秸稈發(fā)酵飼料添加劑研究進(jìn)展

李國(guó)祥，萬(wàn)發(fā)春，沈維軍，閆景彩，王 祚

湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410125

我國(guó)秸稈資源豐富，2019 年我國(guó)秸稈產(chǎn)量達(dá)到8.5 億t[1]，其中2.07 億t 被廢棄或焚燒，只有1.96億t 被飼用，未得到有效利用。目前我國(guó)飼草年缺口約5.42 億t[2]，飼料短缺和價(jià)格上漲超過(guò)了農(nóng)民的承受能力，從而限制了畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展。秸稈飼用是我國(guó)草食動(dòng)物養(yǎng)殖之無(wú)奈選擇，同時(shí)也是符合國(guó)情的必然選擇。秸稈飼料化目前面對(duì)的難題，一是木質(zhì)素降解困難，秸稈是由纖維素（30%～50%）、半纖維素(15%～35%)和木質(zhì)素（10%～30%）通過(guò)共價(jià)鍵、氫鍵和蠟鍵等多種分子作用力連接組成的不溶于水的高分子化合物[3]，秸稈中木質(zhì)素在最外層，其次是半纖維素，最里層是纖維素，纖維素被木質(zhì)素和半纖維素緊密包裹，草食動(dòng)物難以消化吸收；二是秸稈中的粗蛋白含量低，難以滿足草食動(dòng)物粗蛋白需要量。生物發(fā)酵技術(shù)與動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)領(lǐng)域的聯(lián)系越來(lái)越緊密，在秸稈發(fā)酵時(shí)添加一定量特定的高活性微生物，微生物及其產(chǎn)生的酶和代謝產(chǎn)物，可以實(shí)現(xiàn)體外降解秸稈中的木質(zhì)素、提高粗蛋白含量、體內(nèi)吸收利用的現(xiàn)代畜牧業(yè)養(yǎng)殖模式。目前被廣泛用于秸稈發(fā)酵中降解木質(zhì)素、提高秸稈消化率的高活性微生物有真菌制劑、細(xì)菌制劑、酶制劑，與細(xì)菌相比，真菌抗干燥能力強(qiáng)，菌絲能夠機(jī)械穿插難降解的木質(zhì)素蠟質(zhì)層，胞外酶的分泌使其對(duì)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素都有很強(qiáng)的分解作用，是降解秸稈效率最高的微生物菌群，也是目前研究最多的降解秸稈的菌種。單一菌劑降解秸稈存在較多弊端，近幾年篩選出的PCL-8、GF-20、LDC 等新型復(fù)合菌劑，其對(duì)秸稈的降解率分別達(dá)到43.65%、37.58%、44.4%[4-6]，這幾種復(fù)合制劑能夠提高秸稈降解率，也可以提高秸稈發(fā)酵飼料粗蛋白含量，比單一菌劑降解效果更好。水稻秸稈中的粗蛋白含量只有2.9%，玉米秸稈中的粗蛋白含量為5.0%，而草食動(dòng)物粗蛋白需要量在7%[7]左右，在秸稈發(fā)酵中添加微生物、尿素可以提高粗蛋白含量，棉秸稈發(fā)酵添加產(chǎn)朊假絲酵母CU-3 可顯著提高粗蛋白含量，最高可達(dá)9.14%[8-9]。本文將從木質(zhì)素降解添加劑、纖維素降解添加劑、增加粗蛋白含量添加劑等方面進(jìn)行分析。

1 秸稈發(fā)酵添加劑

1.1 木質(zhì)素降解添加劑

木質(zhì)素是秸稈的主要成分之一，與纖維素和半纖維素等物質(zhì)緊密結(jié)合，約占總干物質(zhì)的15%～30%[10]，它是由愈創(chuàng)木基丙烷結(jié)構(gòu)單體（G）、紫丁香基丙烷結(jié)構(gòu)單體（S）、對(duì)羥基苯基丙烷結(jié)構(gòu)單體（H）通過(guò)不同類型的醚鍵和C-C 鍵連接組成的一種復(fù)雜的高分子聚合物（如圖1 所示），其中以5-5’和β-5 為代表的共價(jià)鍵不易水解[11]。因此木質(zhì)素很難被降解。目前應(yīng)用的秸稈發(fā)酵劑中具有降解木質(zhì)素功能的添加劑主要有真菌制劑、細(xì)菌制劑、酶制劑。

1）真菌制劑。目前研究最多的是白腐真菌、褐腐菌、軟腐菌[12]。白腐真菌分泌出過(guò)氧化物酶、錳過(guò)氧化物酶以及木質(zhì)素過(guò)氧化物酶，通過(guò)啟動(dòng)一系列自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)將木質(zhì)素類高聚物之間的連接鍵斷裂，使木質(zhì)素解聚成一些分散的分子片段，再經(jīng)過(guò)酶的催化作用徹底將其降解成二氧化碳和水分[13]，從而被菌體物質(zhì)吸收。但是當(dāng)微生物對(duì)木質(zhì)素解聚作用飽和，再添加過(guò)量的降解物，也難以將木質(zhì)素完全降解和轉(zhuǎn)化，并且真菌價(jià)格偏貴，大規(guī)模用于生產(chǎn)成本高，從而生產(chǎn)上應(yīng)用少。國(guó)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)用真菌Fomessp. EUM1 預(yù)處理可以縮短發(fā)酵時(shí)間，從而有效降解木質(zhì)素[14]。

2）細(xì)菌制劑。細(xì)菌價(jià)格便宜成本低，生產(chǎn)上的應(yīng)用比較多，目前普遍用于木質(zhì)素降解細(xì)菌制劑有變形菌門、厚壁菌門、放線菌門，其中厚壁菌門中的地衣芽孢桿菌和解淀粉芽孢桿菌的木質(zhì)素降解率達(dá)24%[15]，近期發(fā)現(xiàn)的菌種Comamonas serinivorans C35[16]和菌種CCZU-WJ6[17]是優(yōu)良細(xì)菌菌株，分別能分解44.4%和32.1%的玉米秸稈木質(zhì)素，菌株通過(guò)攻擊木質(zhì)素分子中的苯環(huán)結(jié)構(gòu)、測(cè)鏈結(jié)構(gòu)、醚鍵以及C=O 等使其分解成細(xì)小片段，降解秸稈木質(zhì)素。但細(xì)菌降解秸稈需要高溫高濕的環(huán)境，室溫下難以及時(shí)降解秸稈木質(zhì)素。

3）酶制劑。木質(zhì)素降解的酶制劑中最為重要的酶有漆酶、錳過(guò)氧化物酶、木質(zhì)素過(guò)氧化物酶、多功能過(guò)氧化物酶和染料脫色過(guò)氧化物酶。其中的漆酶被認(rèn)為是最有效的降解木質(zhì)素酶，漆酶已在朱紅密孔菌[18]等真菌中發(fā)現(xiàn)，對(duì)木質(zhì)素降解率達(dá)44.72%。過(guò)氧化物酶從苯環(huán)上得到一個(gè)電子產(chǎn)生苯氧自由基，再通過(guò)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生其他類型的自由基，從而使木質(zhì)素的主要化學(xué)鍵斷裂，起到降解木質(zhì)素的作用。市場(chǎng)上酶制劑價(jià)格20 元/kg 左右，適宜用于實(shí)際生產(chǎn)中。

研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合菌劑比單一菌劑的木質(zhì)素降解效果要好，秦雪麗[19]利用重組里氏木霉、彩絨革蓋菌和黑曲霉進(jìn)行協(xié)同發(fā)酵測(cè)試，水稻秸稈木質(zhì)素分解率高達(dá)78.49%，但是漆霉活性單一發(fā)酵比混合發(fā)酵低，這可能是其他菌種的發(fā)酵限制了漆酶的活性。由2 種及以上的微生物復(fù)合培養(yǎng)的復(fù)合菌系也可以有效降解秸稈木質(zhì)素，由放線菌（24.06%）、變形菌（36.98%）、酸桿菌（9.71%）、綠彎菌（10.64%）、擬桿菌（6.94%）、芽單胞菌（5.74%）等組成的GF-20 復(fù)合菌系10 ℃下的秸稈木質(zhì)素降解率達(dá)30%[20]。由Clostridiales，Geovibrio thiopilus，Desulfomicrobium，Pseudomonas，Azoarcus，Thauera和Paenibacillus等復(fù)合成的LDC 復(fù)合菌系對(duì)木質(zhì)素降解率達(dá)到36%～50%[21]。因此復(fù)合菌系已成為秸稈木質(zhì)素降解的主流添加劑，未來(lái)的研究方向應(yīng)該更多轉(zhuǎn)向復(fù)合添加劑，研制出更經(jīng)濟(jì)實(shí)用的復(fù)合添加劑，在生產(chǎn)中根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的添加劑種類。

1.2 纖維素降解添加劑

秸稈中的纖維素是一種白色的纖維狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，由D-嗶喃型葡萄糖分子通過(guò)β（1,4）-糖苷鍵連接而成的高分子鏈通過(guò)氫鍵組合成的大分子糖，如圖2 所示[22]。每個(gè)葡糖糖分子含有5 個(gè)氫基，2 個(gè)用來(lái)脫水縮合，另外3 個(gè)為活潑的自由氫基，可發(fā)生酯化和醚化。重復(fù)的β-1，4-糖苷鍵與氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得纖維素很難溶解并發(fā)生反應(yīng)，因此降解纖維素非常困難[23]。

1）酶制劑。目前纖維素酶廣泛用于秸稈纖維素降解中，它存在于微生物、動(dòng)物、植物體內(nèi)，能將纖維素降解為單糖或寡糖的蛋白質(zhì)。纖維素酶根據(jù)作用方式分為內(nèi)切葡萄糖苷酶、外切葡萄糖苷酶與β-葡萄糖苷酶，如圖3 所示[24]，內(nèi)切葡萄糖苷酶作用于纖維素鏈的非結(jié)晶區(qū)，水解纖維素長(zhǎng)鏈中的β-1,4糖苷鍵, 把纖維素大鏈分解成大量不同聚合程度的并且還帶有非還原端的纖維素短鏈，少量?jī)?nèi)切酶發(fā)現(xiàn)于白蟻的體內(nèi)。外切葡萄糖苷酶在大多數(shù)生物體內(nèi)都存在，它在結(jié)晶區(qū)繼續(xù)分解β-1,4-糖苷鍵，每次酶切下一個(gè)纖維二糖單位，β-葡萄糖苷酶最終將纖維二糖、纖維三糖及其他低分子纖維糊精分解為葡萄糖[25]。

2）細(xì)菌制劑。研究發(fā)現(xiàn)秸稈降解纖維素細(xì)菌主要包括芽孢桿菌屬、短桿菌屬、類芽孢桿菌屬等，真菌的添加數(shù)量和發(fā)酵時(shí)間也有一定的要求。葛慈斌等[26]發(fā)現(xiàn)當(dāng)枯草芽孢桿菌接種量達(dá)1%時(shí)，可有效降解纖維素，在玉米秸稈發(fā)酵中添加解淀粉芽胞桿菌FJAT-8754，纖維素降解率為30.5%。從黑山羊瘤胃中篩選出蒼白桿菌、克雷伯氏菌、萵苣不動(dòng)桿菌、肺炎克雷伯氏菌，加入稻稈發(fā)酵10 d 后，纖維素降解率分別為23.4%、20.2%、11.0%、37.7%[27]。對(duì)于不同的細(xì)菌制劑，我們需在實(shí)驗(yàn)時(shí)控制好添加劑量和發(fā)酵時(shí)間。

3）真菌制劑。主要有里氏木霉，適宜溫度在24～32 ℃，顧斌濤等[28]在稻草秸稈中添加里氏木霉固態(tài)發(fā)酵，纖維素的酶解可達(dá)68.2%。馬欣雨等[29]從腐爛的秸稈堆、牛糞中篩選出2 株細(xì)菌NX9、JX4，2 株放線菌NF6、JF3，1 株真菌JZ8，發(fā)酵玉米秸稈纖維素降解率分別達(dá)到30.7%、31.5%、49.7%、52.1%、30.7%，其中細(xì)菌NX9 是篩選出的秸稈降解能力最強(qiáng)、存活時(shí)間最長(zhǎng)的菌種，其中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解率分別為49.7%、48.0%和35.3%。真菌制劑在其他農(nóng)業(yè)廢棄物降解上也有很好的應(yīng)用前景。

1.3 增加粗蛋白含量添加劑

1）微生物。秸稈飼料中粗蛋白含量不足，添加微生物添加劑能夠提高補(bǔ)充粗蛋白含量。李娟等[30]在玉米秸稈發(fā)酵中,以康寧木霉121、木霉167、綠色木霉11、假絲酵母菌混合發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)粗蛋白含量提高3.15%～35.65%，其中混合發(fā)酵粗蛋白含量比單一添加粗蛋白含量提高31.49%。劉鑫陽(yáng)[31]發(fā)現(xiàn)復(fù)合菌劑（甲基營(yíng)養(yǎng)芽孢桿菌＋植物乳桿菌包埋球）在玉米秸桿發(fā)酵中粗蛋白含量較對(duì)照組提高了23.1%。郭萌萌[32]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)不同比例乳酸菌、酵母菌、芽孢桿菌和黑曲霉復(fù)合菌劑粗蛋白含量增加。當(dāng)添加微生物，發(fā)酵后期由于菌種的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系導(dǎo)致菌種死亡，釋放菌體蛋白，導(dǎo)致蛋白質(zhì)含量升高。王騰浩等[33]添加糞腸球菌和產(chǎn)阮假絲酵母2 種乳酸菌和酵母菌混合菌之后，發(fā)酵到48 h 之后粗蛋白含量達(dá)到峰值。一些研究中接種植物乳桿菌LC27906，降低pH 值、丁酸和氨氮濃度來(lái)提高發(fā)酵品質(zhì)，提高乳酸和乙酸濃度，提高粗蛋白含量。雖然蛋白質(zhì)需求量相對(duì)較少，但是從研究中可以看出復(fù)合菌系比單一菌種對(duì)提高粗蛋白含量更有效。

2）非蛋白氮。非蛋白氮是除蛋白質(zhì)外一切含氮化合物的總稱，其作用只是供給瘤胃微生物合成蛋白質(zhì)所需的氮源，但并不能為動(dòng)物直接供應(yīng)生長(zhǎng)代謝所需的能量。添加杜仲粉和尿素，可以提高玉米秸稈的粗蛋白含量，杜仲粉含量為3%時(shí)，非蛋白氮含量最高，尿素含量為0.6%時(shí)，非蛋白氮含量效果最優(yōu)[34]。聶柱山等[35]發(fā)現(xiàn)尿素、硫酸銨、碳酸銨3 種非蛋白氮對(duì)玉米秸稈發(fā)酵可以增加蛋白氮含量。在添加高蛋白含量的尿素和杜仲粉時(shí)要注意添加劑量，這點(diǎn)極為重要。

2 秸稈發(fā)酵飼料添加劑存在的問(wèn)題及展望

飼料添加劑的廣泛使用提高了秸稈的消化率、適口性，增加了秸稈的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，使其物盡其用。但我國(guó)自主篩選或選育秸稈發(fā)酵添加劑品種少、商品化低，添加劑只能從研究所或國(guó)外購(gòu)買。目前已探明復(fù)合添加劑比單一添加劑發(fā)酵效果好，新型復(fù)合秸稈發(fā)酵添加劑已經(jīng)成為主流，如復(fù)合添加PCL-8既能有效降解木質(zhì)素又能降解纖維素。但復(fù)合菌制劑對(duì)發(fā)酵條件要求比較高，工藝繁瑣，生產(chǎn)成本高，且復(fù)合發(fā)酵是否存在不同單一菌制劑之間的競(jìng)爭(zhēng)、拮抗、抑制等問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。我國(guó)的秸稈發(fā)酵添加劑大多只是停留在實(shí)驗(yàn)研究中，未能廣泛用于實(shí)際生產(chǎn)中的秸稈發(fā)酵，還需進(jìn)一步與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合，解決實(shí)際問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于秸稈腐解菌劑的研究主要集中在篩選和構(gòu)建具有協(xié)同高效降解能力的混合菌群、產(chǎn)酶條件優(yōu)化、微生物固定化等方面。我們可以篩選優(yōu)良微生物菌種，進(jìn)一步研究復(fù)合添加劑、酸化劑、酶制劑的使用效果，確定添加含量、時(shí)間、溫度、復(fù)合類型等，豐富我國(guó)秸稈發(fā)酵添加劑品種，為添加劑的生產(chǎn)應(yīng)用打好基礎(chǔ)。在廣大科研人員的努力下，我國(guó)秸稈飼料添加劑的類型將更豐富、效果會(huì)更好，秸稈飼料化會(huì)取得更大的成果。