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玉米秸稈生物發酵飼料的最新研究進展

2017-01-06 22:05:20 點擊：

導讀

我國是農業大國，秸稈資源非常豐富，尤其是玉米秸稈位居全國各種作物秸稈產量之首，年產量高達2.5 億t 左右（左旭等，2015）。因為干枯的玉米秸稈質地粗糙、適口性差，且粗蛋白質含量低、粗纖維含量高，導致其利用率極低（史海濤等，2012）。近年來，隨著玉米秸稈產量的逐年增加和不合理處理如焚燒等帶來的環境危害，以及人畜爭糧現象的加劇，人們已廣泛認識到合理處理玉米秸稈的重要性，并針對其養分低、質地粗糙、可口性差、粗纖維含量高、粗蛋白質含量低的特點進行科學的加工處理，已顯著提高了玉米秸稈飼料的可口性和營養價值。

1玉米秸稈營養特點

玉米秸稈一直都被用作牲畜的主要粗飼料。纖維素、半纖維素和木質素為其主要成分，其中纖維素含量占36.5% ～ 38.6%、半纖維素含量占38.0% ～ 38.8%、木質素含量占12.3% ～ 17.6%（李丹丹等，2011）。作為農業生產的重要資源，還含有豐富的微量元素氮、磷、鉀等有機質（申源源等，2009）。與其他秸稈飼料對比，玉米秸稈的粗蛋白質含量更高，特別是經過青貯、黃貯、氨化及糖化等加工處理后的玉米秸稈，不但可改善其適口性、提高利用率，而且可顯著提高粗蛋白質含量，其效益將更加可觀（成斌，2011）。目前大量研究已表明若能夠對玉米秸稈進行科學的加工處理，制成高營養性的牲畜飼料，不但益于發展畜牧業，而且通過牲畜過腹還田的方式可使玉米秸稈的生態效益和經濟效益得到顯著提高。陳鵬等（2008）研究證明，玉米秸稈中所含的消化能高達2235.8 kJ/kg，且營養豐富，其總能量與牧草的總能量不相上下。

2玉米秸稈生物發酵處理方法

近幾年來用生物技術對玉米秸稈進行降解的研究主要集中在預處理（李建等，2016；Zeng 等，2007；Kaar 等，2000），包括玉米秸稈產酶條件（楊瓊等，2012）、纖維素酶的降解（Horn 等，2012；余興蓮等，2007；高培基等，2003）、復合酶的降解等預處理，以及混合菌種固體發酵、酶菌共處理玉米秸稈生產蛋白質飼料（李日強等，2001；陳翠微等，2000；Lonsane 等，1990）等方面，并取得了顯著的效果。

2.1 酶處理

酶制劑作為一種新型秸稈發酵添加劑已被人們高度關注。當前研究較多的是淀粉酶、纖維素酶、半纖維素酶，它們作為主要的玉米秸稈發酵酶，能把秸稈中的纖維素、半纖維素、淀粉等多糖降解成為單糖，使秸稈飼料利用率和動物的生產性能達到可觀的水平。

大量研究表明，對酶解條件進行優化的預處理可以顯著提高酶解速度。徐友海等（2015）用氧化甲基嗎啉（NMMO）預處理玉米秸稈不僅得到了較高的秸稈回收率而且得到了較好的水解糖化效果。朱圓圓等（2015）采用稀硫酸-氫氧化鈣聯合法預處理玉米秸稈使得纖維素酶水解率為84.92%。王芳等（2015）使用流化床熱解反應器在200 ℃下對玉米秸稈進行熱化學預處理，木質素去除率達32.57%。李誠等（2015）用臭氧預處理玉米秸稈也有效地提高了玉米秸稈的酶解效率。張強等（2004）采用蒸汽爆破法預處理玉米秸稈，現已有研究證明，若采取酶復配技術優化蒸汽爆破處理玉米秸稈的酶水解工藝條件，可顯著提高纖維素的轉化率（王奇等，2016）。

研究表明在纖維素酶及稀酸或稀堿的共同作用下，玉米秸稈水解速率會有較大提高。蔡靈燕等（2016）采取復合酶耦合酶解酸處理玉米秸稈，先經過2%硫酸預處理后，再利用果膠酶、β-葡萄糖苷酶、纖維素酶三種酶進行協同酶解，可顯著增加玉米秸稈的酶解產糖量。吳丹等（2016）對玉米秸稈首先進行堿性雙氧水預處理，確定NaOH 投加量為4 g/L，H₂O₂投加量為17 g/L，固液比1∶40，預處理時間4 h 時纖維素酶降解效果更為明顯。

劉慶玉等（2012）采用響應曲面法對玉米秸稈的酶解反應條件進行優化，確定當酶濃度55.45 U/g，酶比例2∶1，溫度44.39 ℃，pH 值5.0，固液比1∶10.3，轉速140 r/min，酶解時間72 h，Mg²⁺濃度0.01%為最優條件，此時還原糖最大產率為42.97%。這種方法更好地優化了玉米秸稈酶解反應的初始條件。

對玉米秸稈進行酶處理時如采取流化床熱解、蒸汽爆破法及超聲波等預處理，雖理論上能夠提高纖維素的轉化率，但是成本較高，難推廣，可行性小。如果將酸或堿和酶結合使用，則能大大提高水解率，但關鍵是要掌握好其比例。

2.2 菌處理

菌處理簡言之就是在玉米秸稈中加入微生物活性菌種（目前比較優良的發酵劑有南寧微瑞生物科技有限公司生產的“加強型粗飼料降解劑”），讓其進行發酵，使秸稈釀成含有酸味、香味的家畜喜歡采食的粗飼料的方法。秸稈發酵中多為單菌接種，如接種同型發酵乳酸菌如植物乳桿菌（L.plantarum）或干酪乳桿菌（L.casei）或異型發酵乳桿菌如布氏乳桿菌（L.buchneri）或短乳桿菌（L.brevis），或者將兩者簡單結合發酵。

在長期的試驗和生產實踐中人們研究發現發酵過程中單純接種一種微生物的接種效果通常差強人意，很多發酵過程必需依靠2種或2種以上微生物來完成（徐穎宣等，2008）。如單純接種植物乳桿菌（L.plantarum）或干酪乳桿菌（L.casei）（Filya 等2003；Pandey 等，2000），雖然可提高發酵飼料中的乳酸含量，但不能改善其有氧穩定性效果；而單純接種布氏乳桿菌（L.buchneri）或短乳桿菌（L.brevis）（Gao 等2008；Filya 等，2006），雖提高了有氧穩定性，但乳酸含量較低，缺乏營養；若是將2 種菌混合發酵，不但可以保證營養并一定程度上可保證其有氧穩定性（Mensah 等，1991）。

大量試驗證明，酶菌的接種類型、菌群間相互作用關系等都在很大程度上影響著酶的活性。白春燕等（2016）研究歸納后，將綠色木霉綠2與芽孢桿菌S3 確定為混合菌中產纖維素酶酶活最高的組合。纖維素酶的降解率還會受到酶菌的接種順序及接種比例的影響。魏如騰等（2016）構建了復合菌系（芽孢桿菌T 7.0、黑曲霉Z34 和里氏木霉三株菌），結果表明，當復合菌的接種順序為：同時接種黑曲霉Z34 與里氏木霉，12 h 后再接種芽孢桿菌T 7.0；接種比例是：黑曲霉Z34∶里氏木霉∶芽孢桿菌T 7.0 為2∶1∶2 時，纖維素酶活達到404.28 U/mL。由于木質素的特殊結構導致其很難降解，郭建斌等（2015）采用云芝變色栓菌（T.versicolor）、色精木霉菌（T.chromospermum）、深綠木霉菌（T.atroviride），云芝變色栓菌分別與色精木霉、深綠木霉的混合菌對干黃玉米秸稈進行真菌預處，使得木質素的降解率分別為34.0%、38.1%、38.1%、39.1%、40.3%。

由此可見，使用混菌發酵的方法處理玉米秸稈，其產酶能力大大高于單一菌株，這是由于有差異的菌株組合后，利用它們之間的差異相互補償、互利共棲。但目前對于大多數混合菌體系中菌間的相互作用機制和作用關系的研究尚不足，所以要注意發酵中間產物對發酵產物產生的不利影響。推薦使用含復合酶制劑的秸稈發酵劑產品——南寧微瑞生物科技有限公司生產的“加強型粗飼料降解劑”

2.3 酶菌共處理

盡管單獨加入酶或菌時都可以降解并轉化秸稈中的纖維素成分，從而提高秸稈的利用價值，但都存在或多或少的不足，如果利用酶和菌之間的互相作用協同處理秸稈則能夠取得更佳的效果。陳合等（2008）采用黃孢原毛平革菌結合外源纖維素酶和木聚糖酶共同降解玉米秸稈，顯著提高了其還原糖含量。李新社等（2011）已利用纖維素酶和康寧木霉菌共處理玉米秸稈將其轉化為可發酵糖，并從玉米秸稈降解物中獲得了4.852g/L 的還原糖。菌酶共降解工藝為高效利用秸稈提供了一種新的研究方法，現已立足于玉米秸稈的生物發酵領域并成為其中的一個研究熱點。

3玉米秸稈生物發酵處理的優缺點

3.1 玉米秸稈生物發酵處理的優點

與常規處理相比，生物發酵處理技術具有改善適口性、提高粗蛋白質含量，從而提高玉米秸稈營養價值以及降低生產成本和減小污染的優點，并且發酵處理后的玉米秸稈飼料中含有大量的菌體蛋白、酶類、抑菌因子、各類維生素及促生長因子等菌體代謝發酵產物，能給牲畜帶來益生保健的作用（Yang 等，2001）。

3.2 玉米秸稈生物發酵處理的缺點

在秸稈生物發酵添加劑中，依舊存在一些未知的或有爭議的問題，譬如兩個或多個不同的微生物添加劑結合發酵時，微生物之間可能會產生拮抗作用；對于大多數混合菌體系中間菌的相互作用關系及其作用機理的研究尚不完善，對于菌株的篩選和組合在方法上還不健全；其次酶制劑與菌混合發酵時，之間是否存在拮抗作用尚不明確還有待研究。對于以上問題，還需要從生理、代謝的角度深入研究菌株降解秸稈的作用機理和發酵產酶工藝以及菌株與發酵產物及菌株與發酵底物之間的相互作用關系和作用機制，使得玉米秸稈資源的使用更科學、高效。