粗飼料生物發(fā)酵劑研究及進(jìn)展

粗飼料生物發(fā)酵劑研究及進(jìn)展

摘要：本文主要闡述微生物發(fā)酵粗飼料的機(jī)理、微生物菌種的選擇、微生物發(fā)酵秸稈飼喂動(dòng)物情況、影響微生物發(fā)酵的因素、存在的問題及研究熱點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：粗飼料；微生物發(fā)酵劑

    地球上最豐富的多糖物質(zhì)是纖維素，世界上50%的生物量來自天然纖維素，估計(jì)年產(chǎn)量在100～500億t左右（李信，2000）。我國的纖維素資源極為豐富，每年秸稈產(chǎn)量在5.7億t，占世界秸稈總產(chǎn)量的20%～30%，然而用作飼料的不足10%（李日強(qiáng)，2001）。如果能充分、有效的利用這些資源，將成為緩解當(dāng)今人類面臨的'糧食、能源、環(huán)境'三大危機(jī)，及實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。但由于秸稈飼料粗纖維含量高，蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)含量低，畜禽消化率低，適口性差，從而限制了它的應(yīng)用。在飼喂動(dòng)物時(shí)必須進(jìn)行預(yù)處理，以提高營養(yǎng)價(jià)值和適口性。預(yù)處理包括物理、化學(xué)、生物方法。目前，對(duì)纖維素的降解利用主要采用生物手段，即采用能分泌有效酶類的微生物來降解纖維素。

    1　微生物發(fā)酵粗飼料的機(jī)理

    作物秸稈等低質(zhì)粗飼料的主要成分是纖維物質(zhì)，中性洗滌纖維（NDF）約占干物質(zhì)的70%～80%;酸性洗滌纖維（ADF）約占干物質(zhì)的50%～60%，而粗蛋白的含量很少，僅含3%～6%。NDF包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素，是植物細(xì)胞壁的主要組成部分，隨著植物細(xì)胞的老化，細(xì)胞壁變厚，NDF就成為秸稈的主要組成。純的纖維素能較容易地被瘤胃微生物降解（Cheason,1993），但由于木質(zhì)素密實(shí)的結(jié)構(gòu)很難被瘤胃微生物降解，同時(shí)上述老化的細(xì)胞壁主要成分之間存在很強(qiáng)的結(jié)合鍵抵

    抗微生物的消化，使纖維素在瘤胃中的消化率很低（Grent,1991）。

    因此，要提高秸稈的消化率，關(guān)鍵是降解木質(zhì)素，保留纖維素。在發(fā)酵過程中，微生物大量生長繁殖，分泌出各種酶。這些酶通過降解多糖和木質(zhì)素，破壞其連接的共價(jià)鍵，一方面破壞了秸稈難消化的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，使與木質(zhì)素交聯(lián)在一起的纖維素和半纖維素游離出來；另一方面又使秸稈細(xì)胞壁內(nèi)可利用的碳水化合物和其它營養(yǎng)物質(zhì)暴露出來增加與消化液接觸的機(jī)會(huì)，從而提高秸稈消化率或瘤胃干物質(zhì)降解率（閔曉梅，2000）。而菌體自身生物量的增長又可以提高蛋白含量。

    當(dāng)用微生物發(fā)酵以求提高秸稈消化率時(shí)，應(yīng)選擇能降解木質(zhì)素的微生物，以真菌效果較好。當(dāng)用農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白時(shí)，應(yīng)選擇能降解纖維素和半纖維素的微生物，因?yàn)檗r(nóng)作物秸稈內(nèi)纖維素和半纖維素的含量高，生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白時(shí)提供的能量多（陳翠微等，2000）。

    2 　微生物菌種的選擇

    因發(fā)酵料的營養(yǎng)要求、發(fā)酵工藝和原料的不同而有差異。

    2.1　菌種的要求

    最初多采用單菌種發(fā)酵，后來有研究者發(fā)現(xiàn)多菌種混合發(fā)酵，效率更高，但對(duì)相應(yīng)的菌種提出了更高的要求。

    2.1.1　能夠分解纖維素

    2.1.2　能夠利用有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為菌體蛋白，合成和分泌更多的營養(yǎng)物質(zhì)。

    2.1.3　能夠改變?cè)�料的適口性

    2.1.4　能夠產(chǎn)生多種分解酶

    2.1.5　不產(chǎn)生有毒物質(zhì)

    2.1.6　具有促生長快的優(yōu)勢特性

    2.1.7　菌體耐性高，不容易自溶分解

    2.1.8　如果用固體好氧發(fā)酵，注意選用耐高溫的菌株（李彩霞，2000）。

    2.2　菌種的組合

    菌種在組合上應(yīng)包括纖維素分解菌、氮素轉(zhuǎn)化菌、增加適口性的菌。木質(zhì)素分解菌有側(cè)孢霉、白腐真菌等。目前國內(nèi)外報(bào)道產(chǎn)纖維素酶的優(yōu)良菌株多為木霉屬，如木霉、康寧木霉、綠色木霉、長柄木霉，也有用曲霉、白曲霉、黑曲霉、宇佐美曲霉。蛋白的提高用酵母如近平滑假絲酵母、產(chǎn)朊假絲酵母或白地霉、熱帶假絲酵母、啤酒酵母、釀酒酵母。添加乳酸菌可抑制雜菌生長并改變適口性（李大鵬，2001）。如果原料中使用了動(dòng)物加工下腳料，還應(yīng)加入產(chǎn)蛋白酶活力較高的菌種。如果使用餅粕類，必須加入脫毒菌株。但必須注意菌種之間的相容性。

    2.3　菌種的改良

    一般采用紫外誘變，選育出高酶活或轉(zhuǎn)化能力強(qiáng)的菌株作為生產(chǎn)菌種。陳敏（2000）曾采用紫外線、甲基磺酸乙酯交替和復(fù)合誘變康氏木霉，獲得能較好降解纖維素的突變株。對(duì)分離、誘變的菌株必須進(jìn)行毒性試驗(yàn)，確定不產(chǎn)生有毒物質(zhì)后方可使用。

    3 　微生物發(fā)酵秸稈飼喂動(dòng)物情況

    潘鋒等（2001）采用真菌、酵母和白地霉共發(fā)酵稻草，可使粗蛋白提高224.98%，纖維素、半纖維素降解率分別為29.49%、17.58%。李日強(qiáng)（2001）用青霉、白地霉等發(fā)酵玉米秸稈后粗蛋白提高259.6%，纖維素、粗纖維素降解率由38.17%

    下降到36.07%。陳敏（1999）試驗(yàn)證明康氏木霉和熱帶假絲酵母發(fā)酵稻草，產(chǎn)物的粗蛋白增加量（絕干）達(dá)到18.86%，同時(shí)粗纖維含量下降14.6%。

    宋金昌等（2000）報(bào)道秸稈生化培養(yǎng)劑發(fā)酵稻草，蛋白質(zhì)可提高2.60%.～3.5%，粗纖維可降低12%～16%,飼喂肉牛后日增重達(dá)到 500~1833g。王汝富（2001）曾用發(fā)酵活干菌處理秸稈，其粗蛋白提高2.4%，飼喂肉牛日增重提高73.5%。王立新（2000）用多種菌株雙重發(fā)酵花生殼和麥草，發(fā)現(xiàn)粗纖維降解率達(dá)46.21%，粗蛋白提高16.93%，用其喂育肥豬，可使生長速度提高16.2%（P<0.05）,飼料轉(zhuǎn)化率提高7.86%。但飼喂育肥豬時(shí)秸稈添加量不宜過大（李驊，1998）。生物處理玉米秸稈飼喂綿羊，可使其表現(xiàn)消化率提高35.3%，采食量增加（P<0.05），同時(shí)提高羊的增重（P<0.01）（李秋玫，2000）

    4　影響微生物發(fā)酵的因素

    4.1 　原料的處理

    首先是秸稈的粉碎，其目的是提高微生物和原料的接觸面積、釋放原料中的營養(yǎng)物質(zhì)、使動(dòng)物容易消化。但若粉碎過細(xì)，不僅增加動(dòng)能消耗、使工作環(huán)境的粉塵難于處理，而且發(fā)酵過程中因通風(fēng)不足容易引起酸敗菌大量繁殖。若粒度過大，纖維降解菌無法越過植物秸稈表面的蠟質(zhì)或硅質(zhì)接觸纖維素使纖維降解率降低，秸稈中的營養(yǎng)物質(zhì)也無法釋放，微生物生長緩慢，嚴(yán)重影響發(fā)酵過程，動(dòng)物無法利用（李彩霞，2000）。

    其次要求發(fā)酵底物應(yīng)有合理的CN比和生物因子，以及長效和短效物質(zhì)的比例。碳源物質(zhì)除來源于原料中提供的小分子物質(zhì)外，剩下的主要來自纖維素的降解，其最初的降解產(chǎn)物并不能滿足生長菌迅速生長的需要，何況纖維素降解菌最初也需要營養(yǎng)物質(zhì)，所以發(fā)酵初期要加入容易利用的物質(zhì)作為發(fā)酵的啟動(dòng)初始因子。氮源物質(zhì)大多使用尿素、硫酸銨、磷酸銨、硝酸銨或氯化銨。對(duì)康寧木霉、綠色木霉、木霉、黑曲霉適合的氮源是磷酸胺，宇佐美曲霉適合的氮源是尿素（潘鋒， 2000）。尿素和硫酸胺的添加量與發(fā)酵產(chǎn)物的真蛋白含量呈拋物線的關(guān)系，且以尿素效果較好。當(dāng)尿素添加量為2%時(shí)，發(fā)酵產(chǎn)物的真蛋白含量最高（李日強(qiáng)， 2001）。但趙守仁（1997）試驗(yàn)表明，加氮量與粗蛋白提高幅度呈正相關(guān)，卻與白腐真菌的生長呈負(fù)相關(guān)，尿素添加量不宜高于秸稈干物重的1%。陳慶森（1999）試驗(yàn)表明康寧木霉和長柄木霉對(duì)氨的耐受性分別為0.33%和0.48%（以硫酸銨計(jì)）。

    除了以上的比例外，還要注意生長刺激物質(zhì)和生長因子的使用，另外如果菌種拌合不均勻，尤其是無機(jī)添加物拌合不均勻，就會(huì)使局部燒料而其它地方營養(yǎng)不足。

    4.2 　生產(chǎn)方式的選擇

    發(fā)酵的方法有厭氧發(fā)酵和好氧發(fā)酵兩種，生物秸稈的厭氧發(fā)酵多見于用人工瘤胃微生物發(fā)酵法和青貯法，現(xiàn)在的生產(chǎn)以好氧發(fā)酵者居多，且采用絲狀真菌固態(tài)發(fā)酵。固體發(fā)酵設(shè)備投資少，無廢水產(chǎn)生，發(fā)酵后的產(chǎn)物既富含酶類，又富集了菌體蛋白，可全部用于飼料，后處理簡單，且無環(huán)境污染，但適口性較差（楊雪霞， 2000）。采用好氧固體發(fā)酵的生物秸稈飼料，要在60℃干燥，以及時(shí)固定蛋白質(zhì)，防止?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)流失。顆粒度不符合飼料要求的，須進(jìn)行粉碎。

    4.3　 發(fā)酵條件的控制

    溫度、時(shí)間、水分等因素及其交互作用對(duì)玉米秸稈發(fā)酵有顯著影響，而溫度是首要因素（王立群，1999）。一方面隨溫度上升，細(xì)胞中的生物化學(xué)反應(yīng)速率和生長速率加快；另一方面機(jī)體的重要組分，如蛋白質(zhì)、核酸等對(duì)溫度都較敏感，若溫度升高，它們可能遭受不可逆的破壞（周亞樵，2000）。溫度過高會(huì)降低秸稈木質(zhì)素的降解率和瘤胃干物質(zhì)消化率；溫度過低，會(huì)導(dǎo)致固體發(fā)酵進(jìn)度緩慢。根據(jù)報(bào)道，絕大多數(shù)真菌的發(fā)酵溫度為25～35℃。

    如果用真菌固體發(fā)酵，最好原料的pH值調(diào)為酸性環(huán)境，這樣有利于真菌的生長而抑制細(xì)菌的滋生。實(shí)際生產(chǎn)中固體發(fā)酵接種時(shí)不必考慮秸稈基料的pH值，因?yàn)槠淇稍诎l(fā)酵早期產(chǎn)生大量的有機(jī)酸，使秸稈的pH值降低，為后期發(fā)酵創(chuàng)造適宜

    的酸性環(huán)境。

    水分含量過低會(huì)使菌絲的生長受到抑制；周亞樵（2000）試驗(yàn)表明增加水量，蛋白質(zhì)產(chǎn)率增大。但水分含量過高會(huì)影響O2通入和產(chǎn)生的CO2排除以及熱量的散失，對(duì)菌株的生長也不利。真菌固體發(fā)酵秸稈的總水分應(yīng)控制在65%～70%左右。并且含水量過大不但制曲時(shí)容易污染細(xì)菌而使料溫急劇上升，造成種曲不純，而且菌絲吃料緩慢不易形成孢子，種曲制成后不易干燥，嚴(yán)重影響了種曲保藏。

    要縮短發(fā)酵周期，就要考慮所用的發(fā)酵菌種和發(fā)酵工藝。陳慶森（1999）研究認(rèn)為：混合菌接種時(shí)間對(duì)菌種的產(chǎn)酶效率具有明顯影響，從而導(dǎo)致玉米秸稈中纖維素利用率的提高。用顯微鏡觀察、細(xì)胞計(jì)數(shù)發(fā)現(xiàn)微生物的生長處于穩(wěn)定期時(shí)，應(yīng)及時(shí)的出料，防止微生物自溶使蛋白降解，降低產(chǎn)品質(zhì)量。據(jù)報(bào)道粗酶15～20d（楊文平，1999）；側(cè)孢霉4～5d（李信，2000）；真菌大多數(shù)為好氧或兼性厭氧菌，因此無需密封秸稈，發(fā)酵期為10d左右。而潘鋒等（2001）試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：木霉、康寧木霉、綠色木霉在60～72h達(dá)產(chǎn)酶高峰，宇佐美曲霉、黑曲霉產(chǎn)酶高峰約在72～84h。李彩霞（2000）試驗(yàn)確定白地霉、熱帶假絲酵母、長柄木霉及曲霉的最佳發(fā)酵時(shí)間為72h。

    5 微生物發(fā)酵農(nóng)作物秸稈存在的問題及研究熱點(diǎn)

    陳翠微等（2000）認(rèn)為微生物發(fā)酵秸稈面臨三大困難：一是秸稈的纖維素、本質(zhì)素與蠟質(zhì)緊密結(jié)合在一起，防止和降低了各種酶的活性；二是難以選育纖維素酶產(chǎn)量高的菌種；三是必須解決發(fā)酵過程中降解終產(chǎn)物對(duì)酶的合成及其活性產(chǎn)生反饋抑制的問題。馮仰廉（2001）研究發(fā)現(xiàn)：如果菌種選擇不當(dāng)，會(huì)造成瘤胃微生物菌群的紊亂；由于干枯秸稈中不含胡蘿卜素，所以會(huì)造成維生素A缺乏癥，使牛的生長速度變慢和母牛的繁殖率下降，因此應(yīng)在日糧中添加維生素A；同時(shí)秸稈在瘤胃中被消化后的終產(chǎn)物主要是乙酸。但從可供小腸吸收的葡萄糖量分析，仍不能滿足能量和日增重的需要，因此還應(yīng)在日糧中保證有一定數(shù)量的精料，在有條件的牛場可采用對(duì)玉米等高淀粉精料進(jìn)行過瘤胃保護(hù)的技術(shù)，以降低淀粉在瘤胃中的降解率，增加進(jìn)入小腸的淀粉量。

    6　微生物發(fā)酵農(nóng)作物秸稈主產(chǎn)蛋白飼料的應(yīng)用前景及展望

    從秸稈生物轉(zhuǎn)化的目的性看，半纖維素和木質(zhì)素的降解比纖維素的降解更有意義。基于上述研究進(jìn)展及現(xiàn)狀；有關(guān)微生物發(fā)酵秸稈的近期研究開發(fā)重點(diǎn)擬側(cè)重于如下方面：

    6.1 　對(duì)木質(zhì)素、纖維素酶基因的結(jié)構(gòu)組成及調(diào)節(jié)機(jī)制的研究

    6.2 　對(duì)木質(zhì)素、纖維素酶的分子結(jié)構(gòu)及作用機(jī)理的研究

    6.3 　對(duì)熱纖梭菌及熱解糖梭菌的分離、改造及開發(fā)研究

    6.4　 采用分子生物學(xué)方法構(gòu)建具有木質(zhì)素解聚糖酶基因和纖維素酶基因的工程菌

    6.5 　有關(guān)微生物發(fā)酵農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)蛋白飼料生產(chǎn)配套工藝的研究（陳翠微等，2000）。 （來源：中國飼料科技網(wǎng)）