玉米秸秆生物发酵饲料的研究进展hmdc.docx
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1、玉米秸秆秆发酵饲饲料的研研究进展展韩明鹏收稿日期:基金项目:现代农业产业技术体系建设专项资金(Supported by the earmarked fund for Modern Agro-industry Technology Research System)和河南省农业成果转化项(082201110001)资助作者简介:韩明鹏(1986-),男,河南南阳人,在读硕士研究生,研究方向为草业科学牧草营养。E-mail:mingpeng999 联系地址:河南省郑州市文化路95号河南农业大学牧医工程学院王成章教授收转韩明鹏 邮编:450002 联系电话:13663007631*通讯作者:王成章(1
2、955-),男,河南南阳人,博士,教授,研究方向为牧草营养,E-mail:wangchengzhang,高永革革2,王成章章1*,王彦华华2,张晓霞霞1(1.河河南农业业大学牧牧医工程程学院,河河南郑州州 45500002;22.河南南省饲草草饲料站站,河南南 郑州州 45500008)摘要:我我国玉米米秸秆资资源非常常丰富,但收获后的玉米秸秆养分较低,质地粗糙,适口性差。玉米秸秆发酵可有效提高其营养价值,改善其适口性,制作玉米秸秆发酵饲料是开发玉米秸秆资源、解决畜牧业饲料不足的有效途径之一。本文综述了玉米秸秆利用现状,生物发酵饲料的研究方法和在畜禽中的应用效果,分析了存在的问题及对策,并对开
3、发利用前景进行了展望,以期为加快玉米秸秆饲料化进程提供参考。关键词:玉米秸秸秆;生生物发酵酵;发酵酵饲料我国是农农业大国国,玉米米是主要要的栽培培作物之之一,是是数量较较大的粗粗饲料之之一,但但应用于于饲料的的部分很很少,大大部分秸秸秆资源源都被白白白浪费费掉;另另一方面面,由于于我国饲饲用粮短短缺,人人畜争粮粮现象进进一步加加剧,严严重威胁胁我国的的粮食安安全。玉玉米秸秆秆是具有有巨大潜潜力而尚尚未被充充分开发发利用的的资源,将将其进行行生物发发酵用做做牲畜饲饲粮,将将对缓解解我国畜畜牧业饲饲粮压力力具有积积极意义义,微生生物又是是尚未被被充分开开发利用用的三大大生物资资源之一一,而秸秸秆生
4、物物发酵饲饲料能将将上述两两方面有有机结合合起来。开开发新的的饲料资资源是解解决畜牧牧业饲料料不足的的有效途途径之一一。因此此,加强强其基础础理论研研究和应应用研究究,将为为玉米秸秸秆资源源和微生生物资源源的开发发利用提提供广阔阔的前景景。1、玉米米秸秆的的利用现现状世界秸秆秆的年产产量为220330亿tt,中国国年产各各类农作作物秸秆秆约7亿亿t,其其数量相相当于北北方草原原打草量量的500多倍,占占全世界界秸秆总总产量的的2030011。目目前,我我国各类类农作物物秸秆约约有700的秸秸秆作为为生活能能源的燃燃料,还还有一部部分就地地燃烧还还田或直直接翻人人土中还还田,仅仅 288左右右作
5、为草草食家畜畜的饲料料,另约有有2作为为造纸工工业及手手工业的的原料,与与国外利利用方式式基本一一致2,如果果能充分分有效的的利用这这些资源源,将成成为缓解解当今人人类面临临的“粮食、能能源、环环境”三大危危机,实实现农业业可持续续发展的的重要途途径之一一。玉米是我我国种植植的主要要农作物物之一,其其秸秆是是数量较较大的粗粗饲料之之一,年年产量约约为2亿亿t左右右3。20008年河河南省的的玉米种种植面积积为2822万hmm2,玉米米秸秆224222万吨,但但应用于于饲料的的量仅为为10440万吨吨,占玉玉米秸秆秆总量的的42.9%4。玉米秸秆秆的有效效能较低低,消化化能仅有有4.660110
6、.888MJJ/kgg,主要要原因是是粗纤维维含量比比较高,其其中,纤纤维素含含量为331%400%,半半纤维素素和其他他多糖含含量为335%488%,木木质素含含量为115%255%,并且纤纤维素的的化学结结构是由由许多pp-1,44糖苷键键联结而而成的葡葡萄糖单单位的聚聚合体,在在葡萄糖糖单位上上的第六六碳原子子呈反式式联接,从从而导致致整个纤纤维之间间结构呈呈稳定的的扁带状状的微纤纤维,除除此以外外,在微微纤维之之间还有有牢固的的氢键联联接,从从而导致致纤维素素基本上上不可溶溶,对各各种酶的的作用有有极大的的抵抗力力5,从而大大大降低低了瘤胃胃微生物物对秸秆秆中纤维维素和半半纤维素素的消
7、化化降解。2、玉米米秸秆常常规处理理的弊端端及生物物发酵利用用的优点点2.1玉玉米秸秆秆及其它它作物秸秸秆的营营养成分分玉米秸秆秆是一种种非常规规饲料资资源,其其特点是是质地粗粗糙、适适口性差差、消化化率低、营营养价值值不高。秸秸秆饲料料营养价价值取决决于其化化学物质质含量、可可消化物物质的进进食量和和已消化化物质的的利用效效率。目目前部分分作物秸秸秆的营营养成份份表见表表16。表1 作物秸秸秆的营营养成分分Tablle 11 Nuutriientt coompoosittionns off crrop staalkss秸秆NEL /MJJ.kg-1DM/%CP/%EE/%CF/%CW/%Ca
8、/%P/%玉米秸5.23391.886.52.726.2270.440.4330.255小麦秸3.27796.113.11.344.7773.000.2880.033稻草4.11183.333.71.631.0064.440.1110.055大麦秸3.69988.445.53.238.2280.110.0660.077大豆秸3.85589.773.60.552.1174.000.6880.033注:NEEL奶牛生生产净能能;DMM干物质质;CPP粗蛋白白;EEE粗脂肪肪;CFF粗纤维维;CWW细胞壁壁或NDDF;CCa钙;PP磷Notee: NNEL-coow pprodducttionn o
9、ff neet eenerrgy; DMM-drry mmattter; CPP-crrudee prroteein; EEE-crrudee faat; CF-cruude fibber; CWW-ceell walll oor NNDF; Caa-caalciium; P-phoosphhoruus从表1可可以看出出:虽然然上述作作物秸秆秆因种类类不同,营营养成分分有所差差异,但但各种秸秸秆具有有共同的的营养特特点,即即粗蛋白质质含量低低,粗纤纤维含量量高。玉玉米秸秆秆比其他他作物秸秸秆粗蛋蛋白质含量高高,粗纤纤维含量量低。针对对玉米秸秸秆的上上述特点点,对其其进行科科学的加加工处理理,提
10、高高秸秆饲饲料的适适口性和和营养价价值,将将是开发发其作为为饲料资资源的关关键环节节。2.2玉玉米秸秆秆常规处处理的弊弊端由于玉米米秸秆的的营养价价值不高高,生产产上常在在饲喂动动物时进进行必要要的预处处理,以以提高营营养价值值和适口口性。预预处理方方法有:物理方方法(如如粉碎、热热压等);化学学方法(碱碱、氨、酸酸、其他他药剂处处理)。其中物理理方法处处理秸秆秆只是对对玉米秸秆秆的外形形及结构构进行改改变,如如热压、膨膨化等,不不改变玉玉米秸秆秆的化学学组成,不能提高玉米秸秆的营养成分,而且对设备,能耗的要求较高,进而使得生产成本过高,不易推广。化学方法处理,如传统碱化处理、酸化处理或其它药
11、剂处理,虽然可以部分改变玉米秸秆的化学组成,提高玉米秸秆的消化率,但是化学法处理带来的污染和高成本使这一技术不能很好地推广;其中,氨化饲料经常有中毒情况的发生,另外,对设备的要求较高,环境污染严重,氨的损失率大,这一系列问题都成了化学法处理玉米秸秆饲料技术的瓶颈。2.3玉玉米秸秆秆生物处处理的优点生物方法法处理主主要是使使用微生生物进行行混合发发酵或厌厌氧发酵酵等方法法7.8。有关使使用微生生物的酶酶类如纤纤维素酶酶作为秸秸秆发酵酵添加剂剂的研究究近几年年来开展展较多9-12,纤维维素酶可可以水解解植物细细胞壁为为游离单单糖,减减少了细细胞壁物物质的含含量,改改善了玉玉米秸秆秆饲料的的营养价价
12、值。玉玉米秸秆秆的粗蛋蛋白质含含量一般般在3.66之之间,并并且品质质不佳,只只能满足足家畜维维持需要要的655左右右;能量量消化率率只有44050,单一一秸秆自自由采食食时甚至至不能满满足反刍刍动物的的维持能能量需要要13。玉米秸秸秆经过过生物发发酵后,可可以显著著增加其其营养成成分,缩短玉玉米秸秆秆饲料青青贮、黄黄贮时间间,延长长贮存保保质期,还还能够改改善秸秆秆饲料的的适口性性,提高高牲畜的的采食量量和采食食速度,提提高秸秆秆饲料转转化率,并并可以提提高牲畜畜的机体体免疫能能力,预预防并治治疗肠道道疾病,抑抑制氨和和胺的产产生,减减少粪便便污染,改改善饲养养环境,改改善牲畜畜的肉、奶奶质
13、量。用青霉、白地霉等发酵玉米秸秆后粗蛋白质含量由3.80%提高到10.07%,比原料本身的粗蛋白质含量高了259.6%,纤维素、粗纤维素降解后含量由38.17%下降到36.07%,氨基酸总量由2.1%增加到5.75%,比原料本身高171.4%,且氨基酸种类齐全14。3、玉米米秸秆发发酵饲料料的研究究方法近年来,利利用生物物技术对对玉米秸秸秆进行行降解是是秸秆饲饲料的热热点研究究课题。国国内外学学者对玉玉米秸秆秆的生物物利用研研究主要要集中在在:预处处理方法法的研究究155-188,以以玉米秸秸秆为原原料进行行产酶条条件的研研究119,纤纤维素酶酶降解条条件的研研究220-222,以以及多菌菌种
14、固体体发酵生生产蛋白白饲料的的研究等等方面,并并且取得得了显著著的效果果233-244。3.1加加入酶处处理秸秆秆随着酶工工程技术术的不断断发展,一一种新型型秸秆发发酵添加加剂-酶酶制剂的的应用越越来越受受到人们们的重视视,目前,玉玉米秸秆秆发酵中中使用的的酶制剂剂主要有有淀粉酶酶、纤维维素酶、半半纤维素素酶等,能能降解秸秆秆中的纤纤维素、半半纤维素素、淀粉粉等多糖糖成分为为单糖,有有效提高高秸秆饲料料利用率率及动物物的生产性性能。张张强等将将玉米秸秸秆先采采用蒸汽汽爆破法法或温氧氧法预处处理,使使木质素素和纤维维分离,然然后再添添加纤维维素酶进行水解解,可使使纤维素素转化率率达85525。研
15、究究发现超超声波能能有效地地提高玉玉米秸秆秆的纤维维素酶水水解得率率,减少少酶用量量。在超超声频率率20kkHz,功功率300w、作作用时间间10mmin的的超声场场下,纤纤维素酶酶的最适适滤纸酶酶活用量量为200IU/g,最最适水解解温度为为50,最适适pH为为4.88,其448h酶酶解得率率达到227.33%,比比未加超超声波时时酶解得得率提高高了488.3%26。而韩韩继福等等在室温温为255条件下下,应用用甲酸、复复合乳酸酸菌、纤纤维素酶酶、固体体调制剂剂及液体体调制剂剂处理玉玉米秸,对对玉米秸秸发酵质质量、组组成成分分及瘤胃胃降解情况况进行了了评价,结结果表明明:纤维维素酶和和复合乳
16、乳酸菌对对玉米秸秸pH值值、组成成成分、瘤瘤胃降解解无显著著影响,但但可以提高乳酸酸含量;固体调调制剂(复复合乳酸酸菌酶酶制剂)和和液体调调制剂(益益生菌)显显著提高高了玉米米秸快速速降解的的DM、NNDF成成份27。杨永永明等发发现,温温度可显显著加强强外源纤纤维复合合酶对黄黄贮玉米米秸纤维维物质的的降解效效果,440 时的降降解效果果优于220 ;加大大酶量时时纤维物物质的降降解效果果好28。玉米秸秆秆在纤维维素酶及及稀酸共共同作用用下,其水解率率有很大大的提高高29。张继泉泉等利用用纤维素素酶水解解以稀硫硫酸预处处理了的的玉米秸秸秆,确确定纤维维素酶的的用量为为25IIFPUU/g(秸杆
17、),水解解温度为为50,水解解时间为为24hh,pHH值为44.6为为水解玉玉米秸秆秆的最适适条件30。如果采用用响应曲曲面法对对玉米秸秸秆酶水水解反应应进行评评价,则则能更好好的确定定玉米秸秸秆酶水水解反应应的优化化条件为为底物中中酶浓度度57.5FPPU/gg,底物物质量浓浓度644.7gg/L,温温度488,pHH值4.8,反反应时间间49hh。在此此条件下下,每1100 g底物物还原糖糖产量为为46.34 g,与与单因子子实验相相比,酶酶浓度降降低了22.5FFPU/g,底底物质量量浓度提提高了114.77g/LL,反应应时间缩缩短了223h,还还原糖产产量提高高10.41%31。在对
18、玉米米秸秆进进行酶处处理时,如如采用蒸蒸汽爆破破法、外外加超声声场条件件等预处处理,虽虽纤维素素理论上上能有较较高的转转化率,但但是成本本较高,不不易推广广;如将将酸和酶酶结合,则则能使水水解率有有很大提提高,但但重要的的是能够够很好的的掌握比比例的配配合;在在酶水解解玉米秸秸秆中应应用响应应曲面法法能较好好的优化化反应条条件,提提高玉米米秸秆的的转化率率。3.2加加入菌处处理秸秆秆玉米秸秆秆加菌处处理也称称为秸秆秆微贮,是在秸秸秆中加加入微生生物活性性菌种,放放入一定定的容器器中进行行发酵,使使秸秆变变成带有有酸、香香味的家家畜喜食食的粗饲饲料。在在秸秆发发酵中,大大多是单单菌接种种,如接接
19、种同型型发酵乳乳酸菌LL . plaantaarumm32.33 或者L . ccaseei34,异型型发酵乳乳杆菌如如 L . bbuchhnerri 或或者L . bbrevvis32-34 ,或者者将两者者简单结结合33 。单纯纯接种LL . plaantaarumm虽然可可使发酵酵饲料最最终pHH降低,乳乳酸含量量高,但但对改善善其有氧氧稳定性性效果不不明显,而而单纯接接种 LL . bucchneeri 或L . bbrevvis ,虽提提高了有有氧稳定定性,抑抑制了有有氧条件件下的有有机质损损失,但但乳酸含含量较低低,缺乏乏营养,将将2种菌菌混合发发酵,一一定程度度上可以以保证营营
20、养和提提高有氧氧稳定性性33。李日强强等从分分离到的的5株能能分解纤纤维素的的真菌菌菌株中,发现FF-255菌株对对滤纸的的分解能能力最强强,不到到12hh滤纸全全成糊状状;同时时羧甲基基纤维素素酶活力力、滤纸纸糖化力力和天然然纤维素素酶活力力也最高高35。在以水解解纤维素素性能优优良的AAniggerHHS-116菌株株为生产产菌,利利用厚层层通风固固体发酵酵法糖化化玉米秸秸秆纤维维素,其其发酵作作用的最最适pHH是5.5,最最适温度度是355,发酵酵完成后后的还原原糖生成成率可达达26%。用上上述玉米米秸秆糖糖化粉制制备的还还原糖液液做碳源源,通过过摇瓶培培养生产产酵母蛋蛋白(SSCP),
21、每100mL糖化液(含还原糖2)的酵母细胞产量(干重)可达1.2g,干酵母细胞蛋白质含量为45.6%36。张红莲等等采用阶阶段处理理和多菌菌种固态态发酵玉玉米秸杆杆,利用用氨化法法和白腐腐真菌LLx对玉玉米秸秆秆进行前前处理,将将康宁木木霉和选选育出的的高活性性黑曲霉霉Sy、瘤胃细细菌X44、酵母YY2,接接种于前前处理过过的玉米米秸杆上上进行多多菌种共共发酵,结结果在发发酵温度度30、pH55的条件件下,发发酵9dd后,粗粗蛋白质质含量达达24.61%,粗纤纤维降解解率为448.337%37。李日日强等利利用244株能够够降解纤纤维素和和木质素素的菌种种对玉米米秸秆粉粉进行单单菌株发发酵、多
22、多菌株组组合发酵酵以及不不同氮源源发酵生生产饲料料蛋白的的比较研研究,结结果表明明:244株单菌菌株发酵酵中暗孢孢毛壳的的发酵产产物真蛋蛋白质含量最最高(平平均为77.644),以以青霉、白白地霉等等组成的的多菌株株发酵体体系,经经3d发发酵后,发发酵产物物粗蛋白白质含量由由2.880提提高到110.007,比原料料本身的的粗蛋白白质含量提高2559.66;粗粗纤维含含量由338.117降降低到336.007,氨氨基酸总总量由22.1增加到到5.77%,比比原料本本身高1171.4%,且且氮基酸酸种类齐齐全,尿尿素和(NNH4)2SO4的添加量与发酵产物真蛋白质含量的关系呈抛物线,对相同添加量
23、以尿素效果较好,而在尿素中,2%的添加量为最好14。然而利用用纤维素素诺卡氏氏菌对天天然纤维维素材料料玉米秸秸秆进行行降解研研究,纤纤维素诺诺卡氏菌菌可利用用纤维素素作为唯唯一碳源源和能源源生长,同同时对玉玉米秸秆秆具有很很强的降降解能力力,经110d固体培培养,纤纤维素诺诺卡氏菌菌对玉米米秸秆的的降解率率达到554.778%38。若在玉米米秸秆黄黄贮过程程中接种种乳酸菌菌可以使使秸秆的的纤维含含量由原原来的335.33%降低低到255.3%,并增增加可溶溶性碳水水化合物物含量;若同时时使用酵酵母菌,可可使粗蛋蛋白质含量提提高100%39。3.3加加入酶和和菌共同同处理秸秸秆玉米秸秆秆生物发发
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