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          媒體報道

          一家專注于微生物領域的現代化高新科技企業

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          梁運祥教授:利用生物技術,加快秸稈“高值飼料化”轉化, 促進草食畜牧業發展
             發布時間:2022-06-13       瀏覽量:2377


          梁運祥,1982年華中農學院農業微生物專業本科畢業,1985年中國農業科學院研究生院土壤微生物專業畢業?,F任華中農業大學生命科學技術學院二級崗教授,博士生導師,農業微生物學國家重點實驗室和微生物農藥國家工程研究中心固定研究人員。曾兼任微生物農藥國家工程研究中心主任,農業農村部微生物產品質量監督檢驗測試中心常務副主任。武漢市城市合伙人,國家畜禽養殖污染治理創新聯盟專家委員會委員。主要研究領域為微生物技術與產品的開發及其在資源利用、環境治理、節能減排的應用、在水污染治理、微生物發酵飼料、秸稈生物轉化/生物肥料等方面工作形成了特色,產生了影響。


          導讀:近年來,隨著我國動物性產品消費比重的快速增加,飼料用糧成為我國糧食安全的主要壓力。牛羊肉產業是節糧型畜牧業,發展牛羊肉產業有利于減緩我國的人畜爭糧局面,在維護我國食物安全中具有重要的戰略作用。同時牛羊肉產業的發展還能充分利用我國各類粗飼料與非常規農業資源,變廢為寶,減少處理過程中的環境污染。我國是一個農業大國,小麥、玉米、水稻等作物的種植面積非常大,每年都會產生大量的農作物秸稈。大力推進秸稈飼料化利用,不僅對拓展飼料來源、降低糧食消耗、推動牛羊等草食家畜發展具有不可替代的作用,而且對減少秸稈露天焚燒、改善空氣質量、發展綠色循環農業具有重要意義。本期特邀華中農業大學梁運祥教授以“利用生物技術,加快秸稈‘高值飼料化’轉化,促進草食畜牧業發展”為題,結合團隊多年的研究工作,論述了在秸稈飼料化過程中,如何利用生物技術手段,并結合其他技術方法,突破秸稈消化率低等難題,為大力推進秸稈飼料化利用提供思路,供行業同仁學習參考。全文已在《飼料工業》2022年第12期刊出。


          我國居民日常膳食中動物性食品占比逐年增加,由此帶來飼料用糧比例不斷提高,成為我國糧食安全的主要壓力。牛羊肉蛋白質含量高,富含必需氨基酸及礦物質、脂肪和膽固醇含量低,易于被人體吸收,相較于豬肉、雞肉更利于健康。生產牛羊肉和奶等畜產品的草食畜牧業是節糧型畜牧業,發展牛羊肉產業有利于減緩我國人畜爭糧的局面,對保障我國糧食安全具有重要的戰略作用[1]。然而,我國飼草產量難以滿足逐年增長的草食畜牧業需求,飼草供給出現了嚴重短缺,亟需開發新的粗飼料資源支撐草食畜牧業的可持續發展。我國有豐富的秸稈資源,雖然不是草食動物優質飼料,但通過合適的技術加工,有望替代飼草成為草食動物的“主糧”。

          1、我國肉食消費結構和變化

          1.1 我國養殖業規模與結構

          我國養殖業從改革開放以來持續快速增長,隨著專業化生產水平的不斷提高,各種畜禽養殖規模也不斷擴大。如圖1所示,肉類產量由1980年的1 205.4萬噸快速增加至2014年的8 817.9萬噸,增加了6.315倍,年均復合增長率達5.38%,其中豬肉和牛羊肉產量分別增加了5.13倍和14.63倍;此后的5年間肉類產量又緩慢下降至2018年的8 624.6萬噸,這主要源于豬肉產量的小幅降低;2018—2020年間,由于非洲豬瘟使豬肉產量下降23.88%,導致肉類總產量下降至7 748.38萬噸,降幅達10.16%;而在此期間,其他畜產品產量仍維持增長趨勢。

          2020年,我國的豬肉、牛肉、羊肉、牛奶、禽蛋和禽肉的年產量分別為4 113.33、672.45、492.31、3 440.14、3 467.76萬噸和2 370.29萬噸。2021年預計豬肉年產量將恢復至非瘟前的5 400萬噸水平。以此來看,現階段我國養殖業以食糧畜種(豬雞等單胃動物)為主,肉類年產量達7 700萬噸,約占肉類總產量的86%,以食草畜種(牛羊等反芻動物)為輔,牛羊肉年產量約1 160萬噸,約占肉類總產量的13%。單胃動物養殖業消耗工業飼料約2.3億噸,約占工業飼料總產量的86%;草食畜牧業消耗工業飼料約0.13億噸,占工業飼料總產量約5%。我國飼料用糧已超過了糧食總產量的50%。整體上我國目前糧食安全度較高,口糧(稻谷和小麥)的自給率為98.7%以上[2],進口約1億噸大豆,主要用途是作為飼料原料。

          1.2 我國肉類消費發展趨勢分析

          改革開放以來,隨著收入增加,人民的膳食結構中植物性飲食比例逐漸減少,動物性產品比例逐漸增加。近10年來,我國人均肉類年消費量總體基本穩定,維持在60~63 kg,而牛羊肉的人均消費量從7.5 kg增加至9.8 kg,提高了30%。2010—2019年我國牛羊肉的產量僅增長9.8%,遠低于30%的牛羊肉消費增長速率,其間巨大的缺口主要由進口滿足。因為非洲豬瘟疫情引起豬肉消費量下降和牛羊肉等消費量的替代性增長,2020年我國進口牛羊肉248萬噸,較2019年增加了21%,進口量相當于我國牛羊肉產量的21.3%,使牛羊肉在肉類消費中的比重從11.7%提高到17%(見圖2)。我國奶業情況與此類似,10年間人均牛奶的消費量增加了42.7%,而牛奶產量僅增長了5.3%,遠低于消費需求的增長。2020年,我國進口乳制品(折合生鮮乳)1 875萬噸,較2019年增加了8.3%,進口量相當于我國牛奶產量的54.5%[2]。2020年9月,國務院辦公廳印發《關于促進畜牧業高質量發展的意見》(國辦發[2020]31號),在發展目標中明確提出“牛羊肉自給率保持在85%左右,奶源自給率保持在70%以上”,這對我國草食畜牧業提出了明確的發展要求,同時也意味著草食畜牧業還有巨大的發展空間。


          目前我國牛羊肉呈現戶外消費比重大、城鄉差異大、正向全民消費轉變的特點,但隨著經濟發展、城市化進程與消費觀念轉變等因素的促進,可以預見未來我國牛羊肉和牛奶等高品質食草動物畜產品的需求將持續快速增加,而禽肉和豬肉的消費量會趨穩[3]。此外,在牛羊肉消費中,我國與世界的消費差距以牛肉消費量差距為主,羊肉在肉類消費量中的占比已與世界羊肉消費比重的平均水平一致,未來增長空間要小于牛肉的增長空間。綜上所述,今后我國草食畜牧業的發展將以奶業和肉牛產業發展為主[4-5]。

          2、食草動物養殖和消化特點

          豬雞等單胃動物自身及消化道內微生物不產生纖維素酶,所以單胃動物無法利用干草及秸稈等粗飼料。牛羊等食草的反芻動物不同于單胃動物的最大特點在于反芻動物擁有消化功能強大的瘤胃,使其能夠消化利用粗飼料中的木質纖維素獲取生產凈能,供反芻動物生長發育。此外,反芻動物獨特的瘤胃還具有如下幾個特點和功能。

          ① 瘤胃容積大,采食量大,粗飼料在瘤胃中消化時間長,消化率高。反芻動物具有瘤胃、網胃、瓣胃、皺胃4個胃,成年牛瘤胃可占胃總容積的近80%,一頭600 kg重的牛的瘤胃體積可達80 L。反芻動物每日采食的干物質量可達體重的3%~5%,大量采食的粗飼料大都未經充分咀嚼就進入瘤胃,經過瘤胃液浸泡軟化后再逆嘔回口腔緩慢咀嚼,并再次混入唾液進入瘤胃中消化。瘤胃食糜小于1 mm才能通過網胃-瓣胃出口流入后部消化道,有些物料在瘤胃內停留時間可長達72 h,流出網胃的食糜依次進入瓣胃、皺胃、小腸和大腸進行消化,故粗飼料在消化道停留時間長,粗飼料消化率高[6]。

          ② 瘤胃中微生物種類多且數量龐大,瘤胃內環境穩定。瘤胃是一個精巧復雜的生態系統,內部棲息著復雜多樣的微生物群,主要包括細菌、古菌、瘤胃原蟲、厭氧真菌及少量噬菌體,每毫升瘤胃液含1.0×1010~1.0×1011個細菌、1.0×108~1.0×109個古菌、1.0×105~1.0×106個瘤胃原蟲,厭氧真菌數量較少,約1.0×103~1.0×104個。其中絕大多數微生物都專性厭氧,彼此間既有協同又有競爭,共同承擔分解復雜有機物的工作,為微生物自身和宿主提供營養[7]。但瘤胃內微生物的種類和數量會受包括年齡、季節、添加劑使用以及日糧結構在內的多種因素影響而發生明顯變化。瘤胃又像一個厭氧發酵罐,給微生物提供穩定的pH(5.3~6.7)、滲透壓(260~340 mmol/L)、溫度(38~41 ℃)和氧化還原電位(-450~-250 mV)等條件,使內部的微生物可以持續降解纖維等各種飼料成分[5]。

          ③ 粗飼料在瘤胃內被微生物代謝成揮發性脂肪酸并吸收。食草動物采食粗飼料后通過反芻過程將秸稈顆粒進一步縮小并混入唾液調節瘤胃環境,再次進入瘤胃后多種微生物會附著在秸稈表面。這些細胞表面分泌的纖維素酶復合體將木質纖維素降解,降解產物被產纖維素酶微生物及其他微生物進一步分解利用變成小分子,產物不是糖而是短鏈揮發性脂肪酸(以乙酸、丙酸和丁酸為主,約占總量95%)、CH4和CO2[8]。經過長期進化,復雜的瘤胃微生物系統可以消化除了木質素外的所有木質纖維素組分。產生的揮發性脂肪酸通過瘤胃壁細胞吸收后氧化供能或者在肝臟內通過糖異生合成葡萄糖或脂肪。

          ④ 瘤胃微生物可利用氨合成微生物蛋白。飼料中的蛋白質進入瘤胃后大部分經過微生物的代謝降解成小肽和氨基酸,剩余20%~40%的過瘤胃蛋白和微生物蛋白一起進入后部的消化道被消化吸收。還有部分小肽和氨基酸會被瘤胃細菌進一步降解成氨,小部分被直接吸收并形成尿素排出,大部分氨被瘤胃微生物同化合成微生物蛋白。瘤胃細菌所需總氮量的60%以上為氨,當氨態氮濃度為60~90 mg/L時,瘤胃微生物生長最快,當濃度低于60 mg/L時,微生物蛋白合成受限。因為瘤胃微生物具有利用氨的能力,在肉牛日糧中可以添加尿素或無機氮以增加氮源供應,減少蛋白飼料消耗,同時還能顯著提高秸稈的消化率[6]。

          ⑤ 瘤胃會發生酸中毒現象。粗纖維等結構性碳水化合物的消化凈能低于玉米等非結構性碳水化合物,為增加能量供應以保證快速育肥,反芻動物飼養時日糧中會添加大量玉米等精飼料。但如果精飼料添加量高,淀粉易被瘤胃微生物快速分解產生大量揮發性脂肪酸以及乳酸,使瘤胃pH迅速降低,而且粗纖維攝入不足會導致反芻減少,使調節瘤胃pH的唾液分泌減少,從而導致瘤胃酸中毒。瘤胃長期處于低pH狀態,內部的生態系統崩潰,微生物不能發揮正常功能,對飼料的分解轉化能力下降,導致動物生產水平降低,甚至會影響正常生理功能,出現中毒癥狀。所以反芻動物日糧中需一定比例的粗飼料以維持瘤胃的正常生理功能,另外添加碳酸氫鈉等添加劑也可以一定程度緩解瘤胃酸中毒現象。

          得益于瘤胃的獨特生理作用和強大的粗飼料消化能力,反芻動物日糧中粗飼料占比可超過50%。瘤胃內的微生物系統具有強大的纖維降解能力和合成微生物蛋白的能力,能夠消化利用粗飼料中的木質纖維素獲取生產凈能,也能在低蛋白日糧(補充無機氮)飼喂時生長,這使得反芻動物具有耐粗飼料和蛋白飼料需求低的特點。

          3、我國飼草生產和草食畜牧業現狀

          我國是世界羊肉生產第一大國,牛肉生產第三大國,2020年底牛存欄量9 562萬頭,羊存欄量30 654萬只,2019年牛出欄量4 565萬頭,羊出欄量約3.2億只。我國牛羊肉產業的總產值近6 000億元、約占畜牧業總產值的20%,已成為增加農民收入,繁榮農村經濟的重要產業。但由于我國草場不足,人工牧草產量低,草食畜牧業發展面臨優質粗飼料資源短缺的制約,發展受限,產量難以滿足國內日益增長的消費需求。

          3.1 我國草場、草地面積和飼草生產能力

          飼草是草食畜牧業發展的前提,是反芻動物生產的重要基礎保障。優質的飼草可以滿足動物生產的營養需求,進而產生優質的畜產品供人類使用。我國是草地資源大國,草原面積廣闊,自然資源豐富,草地面積近4億公頃,占國土總面積41.7%,但大部分是天然草地,牧草生產能力低,每公頃草地年產草量僅為0.9~3.0 t,不適于放牧和收集,無法用于草食畜牧業。20世紀90年代中后期我國飼草產業興起,其資源包括天然草場、人工草地、林間草場、飼用作物及農作物秸稈等,其中天然和人工草地的總產草量約3.7億噸,2018年,全國食草家畜動物飼養量39 339.0萬頭(只),折合羊單位約77 942.2萬頭(只),按每只羊所需飼草量400 kg計,年飼草需求量約3.2億噸?,F在天然草地大部分禁牧,但所產牧草產量低,難以收集利用,所以我國飼草有巨大缺口[9]。受氣候和生態變化影響,我國的草地面積受自然因素和人為破壞兩方面的影響而逐年減少,其中過度放牧導致每年約67萬公頃的草地發生退化、沙化及鹽堿化,而我國草地總的“三化”面積已達9 000萬公頃。

          人工草地牧草產量和質量均遠高于天然草場,可較大程度促進草食畜牧業的發展,苜蓿人工草的年產量可達22.5 t/hm2,是天然草地的11倍;青貯玉米的干物質年產量可達45 t/hm2,是天然草地的23倍。據測算每增加1%人工草地面積,可提高4%食草動物生產水平[10]。因此,大力發展優質人工草地生產牧草對緩解我國飼草資源短缺、發展草食畜牧業和通過“以小保大”對草原進行生態保護都具有重要作用[2]。近些年,我國大力推進“糧改飼”政策,通過推廣青貯玉米、苜蓿草和燕麥草等飼草作物品種的種植,提高飼草產量,按照《全國種植業結構調整規劃(2016—2020年)》要求,我國青貯玉米種植面積達到167萬公頃,在一定程度上可加大農區食草動物優質粗飼料供給,提高生產水平。然而養殖業快速發展導致牧草需求仍舊旺盛,國內商品牧草自給率還不到1/3,每年進口大量的苜蓿草、燕麥草等優質牧草以滿足需求[11]。

          3.2 “耗糧”型中國草食畜牧業

          我國北方的多數牧區僅依靠天然草地的飼草進行畜牧生產,這導致夏秋季飼草供應充足時牛羊膘肥體壯,而冬春季草枯時牛羊瘦弱甚至死亡,食草家畜陷入“夏肥、秋壯、冬瘦、春亡”的循環,畜牧業生產效率還有很大的提升空間。而在西南和中原產區以及廣大的北方農區,牛羊對優質飼草的需求較難得到滿足,通常以“秸稈+精料”的模式進行飼養,小型化粗放式的養殖方式常使用高比例纖維含量高的秸稈等粗飼料和低質量蛋白飼料的錯位日糧結構,導致牛羊無法得到均衡營養,嚴重影響了養殖業的效益[12]。而由于秸稈營養價值低,提供的營養有限,動物生產主要靠精料維持,使我國形成了大規?!昂募Z”型的草食畜牧業。為解決草地“三化”問題,我國實施了退耕還林還草以及封山禁牧等政策保護生態環境,將自然放牧轉成圈養舍飼,我國的草食畜牧業因此正向集約化、規?;同F代化方向邁進,更是提高了“耗糧”型草食畜牧業比例。

          我國是一個農業自然稟賦相對不足的國家,人均耕地面積不足0.1 hm2,人均年糧食產量470 kg,僅略高于國際安全水平的400 kg。在現今保證糧食供應及生態環境的前提下,一方面沒有更多土地可供發展草食畜牧業,另一方面以糧食消耗為主的畜牧業在發展中勢必會因“人畜爭糧”的矛盾而陷入發展瓶頸。因此,調整畜牧業結構并開發新的粗飼料資源,加速發展草食畜牧業,走“耗糧型”與“節糧型”并重的發展道路,這對我國養殖業的長久穩定發展具有重要的戰略意義。

          4、秸稈飼料利用現狀

          在長期的禁牧政策下,圈養舍飼將是草食畜牧業的主要生產方式,秸稈將是滿足粗飼料缺口的主要來源之一。如此將一方面緩解我國草食畜牧業發展受粗飼料原料不足的限制,另一方面將促進我國廢棄秸稈的資源化利用。農作物光合作用產物一半以上存在于秸稈中,因此秸稈是最豐富的可再生農業資源。我國是世界上的農業大國,秸稈產量居世界第一,年產量超9億噸。目前秸稈飼料化利用率不足20%,秸稈飼料化的利用方式主要是干秸稈直接飼喂,青貯秸稈和黃貯秸稈占比較少,主要在妊娠牛羊和哺乳牛羊以及奶牛中使用。

          4.1 秸稈的營養與結構特點

          秸稈等木質纖維素主要由纖維素、半纖維素、木質素、蛋白質和灰分組成,其中大多數秸稈的纖維素含量30%~45%,半纖維素含量20%~30%,木質素含量15%~30%,灰分等其他物質含量15%~20%[13]。對秸稈的利用受限于其惰性的木質纖維素結構,該結構主要特征是纖維素、半纖維素和木質素相互鑲嵌,三者共占秸稈干重60%~70%,其中木質素與半纖維素通過氫鍵和共價鍵結合形成網狀結構,將纖維素包埋在內部,纖維素和半纖維素及木質素通過氫鍵結合[14]。木質素化學結構復雜,具有非水溶性、難被分解的特點,纖維素被這種天然屏障包裹,無論高溫高壓、酸堿處理或生物酶作用,其都保持結構穩定,難以被降解。

          秸稈含有反芻動物所需的多種養分,如玉米秸稈含碳水化合物50%以上,蛋白質3%~5%,脂肪0.5%~1.0%,為飼料化利用奠定了物質基礎。但是干秸稈適口性差、采食量低、消化率也低,無法作為反芻動物單一能量來源,原因主要有以下5個方面。①營養價值低,粗蛋白僅含3%~5%,遠低于反芻動物生長需求,不足以為瘤胃微生物提供足夠氮源,瘤胃微生物活力差,對秸稈的消化利用能力減弱[15];消化能凈能低,消化能僅為2~4 MJ/kg,只相當于牧草的一半;維生素缺乏,維生素含量僅2~5 mg/kg;鈣磷含量低而硅酸鹽含量高,其中高硅酸鹽會降低其他營養物質的吸收,而鈣磷比例失調也會造成營養代謝病。②木質素和半纖維素以酯鍵、醚鍵、糖苷鍵和醛縮鍵等共價鍵連接形成的鑲嵌結構復合體對纖維素形成“保護”屏障,阻礙瘤胃微生物和消化酶對秸稈中纖維組分及其他細胞內容物的利用[16]。③秸稈中纖維素分子有“結晶型”和“不定型”兩種?!安欢ㄐ汀崩w維排列散亂,酶解位點多且暴露在外,易被纖維素酶水解?!敖Y晶型”纖維排列規整,分子間依靠相互作用形成穩定抗蝕結構,酶解位點包裹在內部,纖維素酶難以接觸發揮水解功能,而秸稈中的纖維素多為“結晶型”。④秸稈在瘤胃內消化時附著的菌群易受秸稈中酚醛類化合物的影響,這些分解纖維素能力較強的微生物含量的減少致使秸稈消化速率減慢,整體消化率降低。⑤秸稈表皮外覆蓋有一層難降解的蠟質,限制了瘤胃微生物對秸稈內部營養物質的分解,降低了秸稈利用率。

          4.2 瘤胃對秸稈的消化能力

          秸稈在瘤胃中的消化率一般都不到50%,木質化程度高的秸稈消化率甚至不足30%。經測算稻草秸稈、小麥秸稈和玉米秸稈對肉牛的綜合凈能分別為2.68、2.29、3.61 MJ/kg,而苜蓿干草的綜合凈能為4.51 MJ/kg,遠高于秸稈;玉米等谷物籽實的綜合凈能為7~8 MJ/kg,反芻動物采食2~3.5 kg秸稈才可獲得相當于1 kg谷物籽實的消化能。秸稈蓬松且消化速率慢,在瘤胃內停留時間較長,如僅飼喂秸稈,反芻動物獲得的消化凈能嚴重不足,從飼料中獲得的能量和其他營養都難以滿足快速生長的需求,畜產品生產能力低下。

          反芻動物采食的飼料顆粒大小降至1 mm以下才能離開瘤胃,秸稈本身消化速率慢、體積大,在瘤胃內滯留時間長,動物持續存在飽腹感,導致采食量降低,生產效率上不去。通常中性洗滌纖維含量越高,纖維成分比例就越大,在瘤胃中占的體積就越大。

          4.3 青貯秸稈

          青貯秸稈是將新鮮的秸稈壓實堆積密封厭氧發酵,利用乳酸菌將原料所含糖分轉化為以乳酸為主的有機酸,使秸稈pH降低至4.2以下抑制包括乳酸菌在內所有微生物活動,達到長期保存和提高適口性及營養價值的目的[17]。青貯發酵時必須含有較高的水分(70%左右)和充足的可溶性碳水化合物(2%以上),否則pH無法快速降至足夠低(4.2以下),可能導致耐酸能力較強的梭菌等微生物生長,引起碳水化合物和蛋白質水解,產生丁酸、氨態氮及胺,降低青貯秸稈品質甚至導致秸稈腐敗無法使用[16]。為提高青貯秸稈品質,秸稈青貯時可添加微生物菌劑、酶制劑、無機鹽和防霉劑等添加劑以縮短青貯時間,增加乳酸含量,降低pH,減小丁酸菌生長概率,提高青貯品質以及有氧穩定性[18]。用于青貯的乳酸菌有兩類:同型發酵乳酸菌,其碳水化合物的分解產物主要為乳酸,如植物乳桿菌、干酪乳桿菌、糞腸球菌、乳酸片球菌等;異型發酵乳酸菌,如布氏乳桿菌,其分解產物除乳酸外還有乙酸、乙醇、丙二醇和CO2[19]。

          青貯所用秸稈為未完全成熟的農作物秸稈,其木質化程度低,水溶性營養物質含量高,實際上是保鮮的青綠飼料,可看作是種植的青貯飼草。青貯玉米秸稈的原料為專門種植用于全株青貯的品種,籽粒未完全成熟就收割青貯。而對于普通的糧食玉米籽粒收獲后的秸稈,木質化程度高,水溶性物質低,無法作為青貯原料。

          4.4 黃貯秸稈

          黃貯秸稈即微貯秸稈,指在密閉的適宜條件下,通過微生物發酵將秸稈轉變為柔軟多汁、氣味酸香、適口性好的粗飼料。黃貯秸稈發酵過程及原理與青貯秸稈相似,但因為干秸稈可溶性糖含量低,所以需要加入糖蜜等可溶性碳水化合物或纖維素酶以保證有足夠多可生成乳酸的碳源,否則物料pH難以降低至足夠抑菌程度,同時也需添加乳酸菌為保證快速發酵營造酸性環境。稻草黃貯時添加乳酸菌可以提高乳酸、乙酸和粗蛋白含量,降低pH并減少丁酸產生,同時還能降低酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維的含量,并提高干物質和中性洗滌纖維的消化率[20]。秸稈黃貯時還可以添加其他農產品加工副產物(如豆腐渣、土豆渣、果渣、果皮、爛菜葉等)和其他飼料原料(如莧菜、構樹枝葉、甜菜渣、甘蔗渣等)混合發酵以增強營養價值并達到長期保存目的。如將鮮莧菜和水稻干秸稈按干重2:9混合后接種植物乳桿菌并添加纖維素酶厭氧發酵,較自然發酵后pH更低,乳酸含量更高,氨態氮含量更低,且發酵后的有氧穩定性提高,甚至還可以降低發酵物料中腸桿菌含量[21]。黃貯秸稈所用原料為作物收獲籽實后的干秸稈,經發酵后秸稈吸水軟化并產生誘食香味,能提高采食量,但秸稈結構基本沒有變化,即使添加纖維素酶,也不能明顯提高瘤胃消化率[22]。

          4.5 轉化率低限制了秸稈的飼料化利用

          秸稈作為飼料原料,從營養和消化角度看,存在明顯不足:蛋白質含量低、粗纖維含量高、單胃基本不能轉化利用,即便反芻動物消化利用率也不高,一般只有30%~50%。因此,以秸稈飼喂牛羊,養殖周期長、經濟效益差。

          適當的預處理(酸堿處理、高溫高壓蒸煮、熱噴爆破等)能夠打破秸稈纖維素、半纖維素和木質素之間的交聯狀態,使纖維素外部的木質素和半纖維素分解成小片段,破壞纖維素的結晶結構,增大表面積,暴露并溶脹內部的纖維素分子,使纖維素酶的可及性增強,從而提高木質纖維素的水解利用率,經過適當處理后的秸稈在瘤胃內的消化降解率可以提高到70%以上。一些預處理方法能夠取得較好的效果,但較高的經濟成本和實施過程中存在的安全、工程化問題使其難以推廣應用。

          5、利用生物技術推動秸稈飼料化

          自然界中秸稈等有機物質的分解轉化主要靠微生物完成,在溫和條件下,微生物可以將秸稈分解殆盡,但需要較長的分解周期。以生物技術為主,結合一定的預處理技術,通過在菌種、酶制劑及發酵工藝等諸多方面優化組合,是可以達成將秸稈轉化為優質飼料原料目的的。

          5.1 苜蓿草的價值與秸稈“苜?;?/p>

          苜蓿草被稱為“牧草之王”,其適口性好,蛋白質含量高(16%~22%),氨基酸種類豐富且平衡性好,粗纖維含量適宜,富含維生素、微量元素、胡蘿卜素等營養物質及消化率高。苜蓿草是豆科植物,可以和根瘤菌互利共生,因此可以減少肥料施用,其中紫花苜蓿是種植最廣泛的栽培品種,每公頃鮮草產量60~140 t,干草產量15~32 t[23]。優質苜蓿草中必需氨基酸占粗蛋白比例達40%以上,中性洗滌纖維含量低于40%,可消化養分含量高于60%,是奶牛最好的粗飼料,也是實現奶牛高效產奶的必要條件。研究和生產已證實,奶牛飼喂苜蓿青干草可改善瘤胃健康狀況,增強瘤胃微生物活力,減少奶牛疾病和淘汰率,促進對飼料的轉化和利用,最終提高產奶量和乳品質量[24]。苜蓿草粉在妊娠母豬飼料中添加可以顯著提高胰島素樣生長因子-Ⅰ(IGF-Ⅰ)水平,提高初乳的乳脂率和乳固形物含量,還可以使初生頭數、產仔數和活仔率上升[25]。苜蓿中的黃酮具有提高家禽抗氧化的能力[26],苜蓿皂苷有降低動物血壓和促進免疫的效果[27]。苜蓿干草粉等量替代肉牛精料15%~20%,可以提高增重2.4%~3.3%并降低飼養成本[28];在家禽日糧中添加苜蓿草粉可顯著提高其消化吸收率,減少脂肪和膽固醇含量,提高瘦肉率[29]。

          不同氣候地區根據實際情況在苜蓿草集中收獲后選擇青貯或干草方式加工貯藏,然后在舍飼條件下作為奶牛粗飼料與精飼料混合進行飼喂。目前我國自產苜蓿草在產量和質量上都遠遠不能滿足奶業的發展需求,需求量的1/3依賴進口,且缺口仍在逐年加大,優質粗飼料資源匱乏嚴重制約我國奶業發展。

          秸稈“苜?;痹O想是利用生物技術將秸稈加工成秸稈單細胞蛋白(發酵秸稈),主要通過酵母等微生物為菌種,利用秸稈自身化學能,將外加無機氮同化成菌體蛋白。發酵過程中秸稈纖維中的纖維素和半纖維素被分解利用(可降低至原來的一半),酵母細胞大量增殖的同時,合成多種B族維生素、甘露聚糖及未知生長因子等益生物質。最終,可以生產出真蛋白含量16%以上、物質組成和飼喂效果與苜蓿草接近的“苜?;斩挕?。

          5.2 秸稈“高值飼料化”實施路徑

          秸稈“高值飼料化”產業化進展緩慢,但其產業前景吸引了不少研究。秸稈單細胞蛋白生產方式有液態發酵和固態發酵兩種,液態發酵利用秸稈等處理后的水解液培養菌體然后再回收干燥制成飼料原料或添加劑,Rao等[30]和Wu等[31]的研究都是用秸稈預處理后的酶解液發酵產菌體蛋白,但相較而言,固態發酵更適合秸稈飼料化。固態發酵直接在固態秸稈基質上培養菌體,發酵后的菌體與秸稈基質共同作為飼料。如在2%氫氧化鈉處理后的麥秸固態基質中培養平菇,可收獲蛋白含量62.8%的菌體,其必需氨基酸含量達65.6%[32];潘峰[33]用多種霉菌和酵母混合固態發酵5%氨處理的稻草96 h,分解了33.23%的纖維素和21.63%的半纖維素,將產物粗蛋白含量由5.96%提高至11.32%;王儀明[8]研究發現啤酒酵母:產朊假絲酵母:白地霉為1:1:1時混合發酵小麥秸稈,纖維素和半纖維素降解率分別可達28.2%和27.5%,粗蛋白含量可提高到15.43%。

          從上述案例可以看出秸稈好氧發酵飼料的研究思路是利用秸稈中的纖維素和半纖維素為碳源,同化無機氮生成菌體蛋白,提高秸稈中蛋白含量。為有效降解木質纖維素組分,一般先用霉菌(木霉、曲霉或擔子菌等產纖維素酶和漆酶能力較強的菌種)處理秸稈,降解木質素并破壞木質纖維素結構,然后再接種酵母等菌種發酵,或者添加纖維素酶進行分步或同步糖化發酵,將無機氮轉化為菌體蛋白,提高秸稈飼料營養價值。

          秸稈“高值飼料化”的工藝流程如圖3所示,收集的秸稈需先粉碎,然后經物理、化學或者生物法進行預處理,之后對預處理產生的發酵抑制物進行脫毒處理,接下來添加輔料、酶制劑并接種微生物進行發酵,最后將發酵飼料干燥成商品或者直接進行飼喂。


          為提高秸稈生物轉化效率,往往需對秸稈進行有效預處理,釋放木質纖維素結構中的纖維素和半纖維素,使纖維素酶高效水解纖維素和半纖維素成小分子糖,微生物能夠利用這些降解產物作為碳源進行生物轉化。在秸稈預處理方法中,物理處理方法簡單易行,切短、揉搓、加熱軟化等已經廣泛使用,這些方法可以有效解決動物口感問題,但對秸稈利用率低的問題改善有限?;瘜W處理可以動搖秸稈纖維素的結晶狀態,斷裂纖維素與半纖維素和木質素之間的部分化學鍵,從而破解了秸稈中纖維素分解轉化的難題。但化學處理帶來的酸堿性需要中和,且化學處理往往產生有機酸及酚醛等副產物,阻礙后續的生物利用。通常越好的預處理效果,處理條件越苛刻,酚醛等抑制物產生越多,這又極大制約了化學方法的應用。

          預處理抑制物含量高會對微生物產生細胞毒性,也會降低纖維素酶的酶活,需進行脫毒處理。水洗、萃取、化學試劑中和減毒、增大接種量、篩選耐性強的菌種以及微生物脫毒都是提高發酵效率的可行策略,但也都各有利弊[34]。水洗可以有效去除各種抑制物但會產生污染廢水;萃取試劑及設備費用高,也會產生處理廢液;增大接種量時,如果不能對菌種回收利用,會導致成本上升;生物脫毒效果好但是速度慢且營養物質消耗多,有時還需滅菌發酵,增加工藝復雜度;化學試劑速度快且效果好,但不太適用于固態物料。

          單一物理處理、化學處理或生物處理都難以達到處理效果與經濟可行的兼顧,物理、化學、生物方法的結合則能夠取長補短。物理法推動秸稈的質地變化,化學法推動秸稈結構變化,生物法推動秸稈針對性物質轉化。將物理方法的簡、化學處理方法的快和生物方法的專一融合在一起,即可形成技術與經濟統一的高效處理方法。因此,物理-化學-生物聯合方法是秸稈飼料技術的主要發展方向。

          5.3 秸稈“高值飼料化”的前景和意義

          豆科植物和反芻動物是大自然給予人類的兩大恩賜,前者為人類生產豐富的植物蛋白,后者將人類不能直接食用的植物纖維轉化為動物蛋白。隨著我國全面脫貧的實現和數億國人收入的持續增長,食草動物畜產品消費需求還有巨大的增長空間。面對地少人多、資源稟賦的先天不足,如何在保障糧食安全和生態可持續發展的前提下,發展草食畜牧業,彌補我國畜牧業發展的短板,增加牛羊肉和牛奶等優質畜產品供給,是畜牧業需要解決的一個主要矛盾。而充分且高效地利用各種糟渣和農業廢棄物將是緩解這種矛盾主要且有效的方式,通過提升秸稈營養價值和消化利用率,將廢棄秸稈變為優質粗飼料,甚至達到媲美苜蓿草的效果,將有望跨越優質牧草對草食畜牧業造成的巨大障礙,助力我國反芻動物養殖業發展。秸稈高值飼料化的推進,勢必會在秸稈預處理、纖維素酶生產、微生物菌種等方面獲得技術進步,其技術溢出效應,還將推動纖維素乙醇、秸稈生物煉制等方面的發展,帶動秸稈資源化綜合利用。

          6、有關秸稈“高值飼料化”政策建議

          ① 增加“高值飼料化”秸稈利用補貼等政策,引導企業前期投入開發,待技術和市場成熟,具備盈利水平后逐漸市場化。關于秸稈飼料化利用的研究有很多,但至今還沒有成熟方案在兼顧技術可行和經濟可行的同時提高秸稈消化利用率,主要原因是沒有找到一種適合規?;a的秸稈預處理方式及配套的后續處理工藝,而酶制劑和發酵菌種上高成本也限制“高值飼料化”秸稈的產業化。通過政策扶持,將秸稈綜合利用和糧改飼的補貼轉移給當前秸稈飼料化利用企業,并進一步給予一定獎勵,引導企業從將秸稈簡單粉碎加工向“高值飼料化”方向發展,通過一段時間的發展和技術積累,在全國扶植起一批技術成熟,具備市場競爭力的秸稈“高值飼料化”企業,如星星之火一樣,帶動我國秸稈飼料高技術轉化的產業發展。

          ② 加大“高值飼料化”秸稈生物轉化研發支持,加快秸稈綠色高效預處理技術、發酵菌種選育、纖維素酶等關鍵技術的研發。秸稈“高值飼料化”的生產技術涉及秸稈預處理、抑制物去除、發酵菌種選育、酶制劑研發、發酵工藝研發等生產環節的諸多技術問題,加大技術研發的支持力度,可以在預處理、酶制劑和發酵菌種等主要環節取得重大技術進步,能大大提升生產效率并降低生產成本,使發酵秸稈與牧草相比,在同樣飼喂效果下,具備成本優勢。

          ③ 加快配套裝備技術研制及反芻動物營養學研究,給發酵秸稈提供使用指導。秸稈“高值飼料化”是一個系統性工程,規?;a還需要配套裝備研制,以實現秸稈收儲、預處理、發酵等環節的連續自動化和智能化,同時還要著力解決秸稈流動性差、傳質不均勻、生產速率低等問題,為產業化提供裝備支撐。針對秸稈高值化飼料在反芻動物中的使用,還需進行營養學研究,以指導食草動物不同品種和不同生長階段的合理飼喂,實現畜產品的高效產出。

          ④ 鼓勵科技人才深入大企業,以實際生產問題為研究課題,以技術促發展。由政府或大型科研機構主導,以飼料龍頭企業需求為中心,匯聚多學科專業人才,尤其是發酵工程、酶工程、基因工程、微生物學、動物營養、農業機械化及其自動化和信息化管理等多學科人才,建設一支“有知識、有技術、有抱負、有拼勁”的科技隊伍,實現產學研的緊密結合,大力解決阻遏秸稈“高值飼料化”的一系列技術瓶頸,實現新技術促進企業及產業發展。

          本文來源:《飼料工業》2022年第12期






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