■劉 娜 王 炳 刁其玉 屠 焰

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所奶牛營養(yǎng)學(xué)北京市重點實驗室，北京100081）

粗飼料是畜牧業(yè)發(fā)展必不可少的部分。我國的草原面積雖然很大，但由于自然和人為等方面的因素，草原退化、沙化、鹽化現(xiàn)象逐年加劇。而農(nóng)作物秸稈資源豐富，富含粗纖維，可以作為粗飼料資源用于反芻動物日糧中，在反芻動物營養(yǎng)中具有非常重要的作用。然而，由于秸稈質(zhì)地粗糙、適口性差、營養(yǎng)價值和消化利用率低等性質(zhì)，有很多的限制性。單胃動物一般不能利用秸稈，反芻動物對秸稈的消化率也只有20%～30%。如何提高秸稈飼料利用是國內(nèi)外學(xué)者長期以來研究的重要課題。

1 玉米秸稈理化性質(zhì)

玉米秸稈中細(xì)胞壁所占的比例一般在80%以上。細(xì)胞壁主要由纖維素、半纖維素、蛋白質(zhì)和木質(zhì)素組成。玉米秸稈飼料的主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，其含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為32%、27.8%和15.4%。細(xì)胞內(nèi)容物主要是一些可溶性的碳水化合物、部分蛋白質(zhì)等。纖維素由葡萄糖單位之間以糖苷鍵連接而成的無數(shù)分支聚合體，以反式連接成化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的扁帶狀的微纖維狀。其在高溫高壓和酸性的條件下，可以水解為葡萄糖。半纖維素在細(xì)胞壁中含量僅次于纖維素，其主要成分是聚木聚糖類，通過β-1,4木糖殘基連接而成的木聚糖骨架和支鏈形成。典型木質(zhì)素是由松柏醇、芥子醇和對香豆醇作為纖體物質(zhì)組成基本結(jié)構(gòu)。它與半纖維素分子通過共價鍵緊密交聯(lián)形成疏水的網(wǎng)狀，增加了細(xì)胞壁的機(jī)械強(qiáng)度和病原體的抵抗力。而纖維素與半纖維素通過氫鍵相連。反芻動物瘤胃是一個特殊的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部微生物分泌纖維素酶和半纖維素酶，可以降解纖維素和半纖維素，但是沒有直接降解木質(zhì)素的微生物。其三者的結(jié)合明顯地阻礙了反芻動物瘤胃微生物水解酶與細(xì)胞壁中纖維素和半纖維素接觸，降低了纖維多糖的有效降解率。因此，木質(zhì)素被認(rèn)為是抑制秸稈利用的主要因素。玉米秸稈中木質(zhì)素含量可達(dá)19%～23%,直接影響玉米秸稈中營養(yǎng)物質(zhì)的利用。

近年來，國內(nèi)外對提高秸稈利用率的大量研究中，常用的方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法。其中物理法包括粉碎、軟化、爆破、顆?；幚淼?，化學(xué)處理包括氮化、氧化、酸堿化處理等，物理處理只是改變了秸稈的物理性狀，并沒有改變秸稈本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)，不能解決秸稈消化率低和可利用營養(yǎng)少的根本問題?；瘜W(xué)處理生產(chǎn)成本高，化學(xué)試劑具有污染環(huán)境，并對動物生理生化有潛在損害的弊端。而生物法主要是益生菌處理和酶處理，這種處理既不需要太復(fù)雜的設(shè)備和過多的能量等消耗，也不需要高溫、高壓、強(qiáng)堿和強(qiáng)酸等條件，只依靠益生菌和酶制劑的生物降解能力降解秸稈中的抗?fàn)I養(yǎng)因子，具有耗能低，污染小，易于操作等優(yōu)點。

2 降解玉米秸稈的微生物及作用酶

對于生物處理的研究有很多，惠文森等使用酵母菌發(fā)酵玉米秸稈，結(jié)果表明，酵母菌發(fā)酵玉米秸稈粗纖維作用甚微。陳合等首先利用黃孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium Burdsall）破壞玉米秸稈部分木質(zhì)素的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，釋放纖維素和半纖維素；再加外源纖維素酶和木聚糖酶降解纖維素和半纖維素，獲得可發(fā)酵性糖類物質(zhì)。酶菌復(fù)合降解秸稈也是秸稈生物利用的一種新型的方法。

2.1 微生物發(fā)酵玉米秸稈飼料的機(jī)理

單純的纖維素比較容易被反芻動物的瘤胃微生物降解，但木質(zhì)素復(fù)雜的結(jié)構(gòu)卻難以被瘤胃微生物降解利用，同時老化的細(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，使與之交聯(lián)的纖維素在瘤胃的降解率降低。因此，要提高秸稈的利用率，主要是降解木質(zhì)素，保留纖維素。而在發(fā)酵過程中，微生物大量的繁殖，分泌出各種酶。這些酶不僅破壞秸稈難以消化的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，使連接在木質(zhì)素上的纖維素和半纖維素游離出來，還可以使秸稈細(xì)胞壁內(nèi)可利用的碳水化合物和其他營養(yǎng)物質(zhì)暴露出來。因此，選擇降解木質(zhì)素的微生物，以真菌最好。

2.1.1 細(xì)菌

降解秸稈的細(xì)菌：芽孢桿菌屬、類芽孢桿菌屬、假單胞菌屬、弧菌屬、微球菌屬、鏈球菌屬、梭菌屬、原黏桿菌屬、纖維黏菌屬、生胞噬纖維菌屬、堆囊菌屬、螺旋體屬等。反芻動物瘤胃微生物具有復(fù)雜性和多樣性。包括瘤胃原蟲、瘤胃細(xì)菌、厭氧真菌和少量的噬菌體。其中，反芻動物瘤胃中細(xì)菌種類最多，數(shù)量最大。根據(jù)功能的不同，主要分為纖維素分解菌、半纖維分解菌、淀粉降解菌、蛋白降解菌、酸利用菌、乳酸產(chǎn)生菌等。它們在動物體內(nèi)將動物不能消化的植物物質(zhì)（如纖維素、半纖維素等）轉(zhuǎn)化為動物可利用的能量和養(yǎng)分。

2.1.2 真菌

降解秸稈的真菌：木霉屬、曲霉屬、青霉、分枝孢屬、輪枝孢屬、鐮刀菌屬、根霉等。以上真菌能分解纖維素和半纖維素，并大多數(shù)細(xì)菌屬于嗜溫性，在5～37℃下生長良好，最佳溫度是25～30℃。高溫真菌對纖維素、半纖維素和木質(zhì)素具有強(qiáng)烈的分解作用。真菌的分泌胞外酶和其菌絲的機(jī)械穿插作用，共同降解難降解的纖維素和木質(zhì)素。研究發(fā)現(xiàn)，白腐真菌不僅可提高漆酶的活性，還可增強(qiáng)木質(zhì)素的礦化作用。

2.1.3 放線菌

降解秸稈的放線菌：分枝桿菌、諾卡氏菌、小單孢、鏈霉菌屬等，其均分解纖維素。放線菌容易利用半纖維素，也可通過破壞木質(zhì)素分子結(jié)構(gòu)的方式分解木質(zhì)素，但對纖維素的利用較少。放線菌具有耐高溫和酸堿的作用，所以，在條件不利的情況下，其通過形成芽孢，分解木質(zhì)素和纖維素。放線菌在自然界中不僅分布廣泛，如沙子、成熟堆肥、馬糞和果園土中，George等從成熟堆肥中分離出熱單胞菌屬放線菌；徐杰等從土壤中篩選出降解纖維素、木質(zhì)素的灰略紅鏈霉素。

2.2 分解酶類

國內(nèi)外研究的酶品種已有1 700多種，大多用于生產(chǎn)，用于飼料的酶有20多種，而降解秸稈的單酶制劑主要是纖維素酶（C1酶、Cx酶、β-葡萄糖苷酶）、半纖維素酶（包括木聚糖酶、甘露聚糖酶、阿拉伯聚糖酶和聚半乳糖酶等）、木質(zhì)素酶和木聚糖酶（β-木聚糖、β-葡萄糖苷酶和木聚二糖酶）。纖維素酶主要是降解纖維素生成葡萄糖的酶，它不是單酶，而是由多種酶組成的具有協(xié)同作用的酶系。纖維素的存在非常廣泛，真菌、細(xì)菌和動物體內(nèi)均能產(chǎn)生纖維素酶，選育活性很高的纖維素酶菌株對纖維素資源的開發(fā)利用具有重要的意義。半纖維素酶是降解半纖維素的一類酶。主要作用是降解動物消化道內(nèi)的非淀粉多糖，使腸道內(nèi)容物的黏性降低，加強(qiáng)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用，促進(jìn)動物生長并提高飼料轉(zhuǎn)化率。半纖維素酶主要是木霉、曲霉和桿菌屬類微生物產(chǎn)生的，且β-葡聚糖酶在飼料工業(yè)中應(yīng)用較多。木質(zhì)素酶的體系非常復(fù)雜，主要的木質(zhì)素酶有木質(zhì)素過氧化物酶、錳過氧化物酶和漆酶，此外還有芳醇氧化酶、乙二醛氧化酶、葡萄糖氧化酶等均參與了木質(zhì)素的降解。宋安東等研究表明，雜色云芝產(chǎn)木質(zhì)素酶能使稻草秸稈結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變化，從而提高稻草的營養(yǎng)價值。Mountort研究表明，木聚糖酶因自身濃度和底物的影響，活力最高時的濃度是2.5 mg/ml。當(dāng)以可溶性糖類做底物時，木聚糖的活性最低；而以大麥或木質(zhì)素為底物時，活性很高。Akin等指出，高的木聚糖活力對真菌在植物細(xì)胞壁上集群和生長有利，所以會分泌大量的酶類降解纖維素。

3 玉米秸稈飼料發(fā)酵技術(shù)

3.1 影響玉米秸稈青貯發(fā)酵的關(guān)鍵因素

玉米青貯過程中，青貯質(zhì)量受到許多因素的影響。陶蓮等利用實驗室檢測及MiSeq高通量測序技術(shù)，研究青貯發(fā)酵對玉米秸稈感官指標(biāo)、發(fā)酵品質(zhì)、營養(yǎng)成分以及不同水平細(xì)菌群落構(gòu)成和豐度的影響，結(jié)果表明，風(fēng)干處理和發(fā)酵處理后，玉米秸稈中菌群構(gòu)成及豐度差異顯著；風(fēng)干處理后，玉米秸稈中不利于養(yǎng)殖動物的變形菌門、γ-變形菌綱、腸桿菌目，腸桿菌科細(xì)菌顯著增加；而玉米秸稈青貯發(fā)酵后，其含量顯著降低。玉米秸稈青貯過程中，刈割后存放時間影響青貯品質(zhì)。收割后應(yīng)在48 h內(nèi)青貯，存放時間延長，會降低營養(yǎng)物質(zhì)含量，提高酵母和霉菌數(shù)量，影響青貯后窖內(nèi)pH值降低。閆貴龍等分別在冬、春和夏季從全株玉米青貯窖中以每日取料厚度5、10、20、40 cm取樣，通過青貯品質(zhì)、化學(xué)成分分析和體外消化率的測定，結(jié)果表明，開窖后，夏季每日不同取料厚度會影響青貯的品質(zhì)，建議全株玉米青貯每日取料厚度應(yīng)不少于10 cm；青貯窖中不同層次深度全株玉米青貯品質(zhì)和微生物含量有明顯差異，10 cm深度的乳酸菌和真菌數(shù)量最多，而總糖和WSC含量隨著層次深度的增加顯著降低，160 cm下青貯的體外干物質(zhì)降解率降低。

3.2 酶制劑處理

通常把具有酶特性的高效生物活性物質(zhì)與少量的載體混合而成的蛋白質(zhì)稱為酶制劑。酶制劑一般包括纖維素分解酶、半纖維素分解酶、果膠酶。有些還含有淀粉酶、蛋白酶、糖化酶等。玉米秸稈飼料纖維素、木質(zhì)素含量較高，在青貯過程中常結(jié)合多種纖維酶制劑。纖維素分解酶不但將纖維物質(zhì)分解為單糖，是乳酸菌發(fā)酵的能源物質(zhì)，還能降解細(xì)胞壁的成分，改善飼料的消化性能。

王紅梅等用不同酶制劑配伍對玉米秸稈飼糧進(jìn)行處理，通過對杜寒雜交羔羊飼喂試驗，篩選出以纖維素酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶、果膠酶和漆酶組合飼喂效果最佳，并且日增重提高23.51%，干物質(zhì)、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維消化率依次提高了11%、10%和19%。在相同飼喂條件下顯著提高了產(chǎn)肉量和經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 復(fù)合菌處理

復(fù)合微生物處理主要是利用不同菌各自的優(yōu)勢特點進(jìn)行組合，其達(dá)到更好的處理效果。張立霞等以玉米秸稈為材料，選取單株（黃孢原毛平革菌、青霉菌）、2菌株（黃孢原毛平革菌+黑曲霉菌、黃孢原毛平革菌+綠色木霉菌）、3菌株（黃孢原毛平革菌+黑曲霉菌+青霉菌、黃孢原毛平革菌+黑曲霉菌+綠色木霉菌）和4菌株（黃孢原毛平革菌+黑曲霉菌+綠色木霉菌+青霉菌）共7個組合對玉米秸稈進(jìn)行處理，通過半體內(nèi)法對玉米秸稈進(jìn)行營養(yǎng)物質(zhì)在0、6、12、24、48 h和72 h的動態(tài)降解率進(jìn)行測定分析，表明不同菌株組合處理結(jié)果不一致，其中黃孢原毛平革菌+綠色木霉菌組合效果優(yōu)于其他菌株或者組合，所以選擇合理的復(fù)合菌處理秸稈可提高其利用效果。張洋使用生胞噬纖維菌屬、枯草芽孢桿菌和產(chǎn)朊假絲酵母對秸稈進(jìn)行發(fā)酵處理，其粗蛋白增加率為260.0%，粗纖維降解率為28.89%。用微生物處理秸稈發(fā)酵時，需要注意菌種之間是拮抗作用還是協(xié)同作用。史國翠等使用康氏木霉和酵母混合將稻草秸稈發(fā)酵處理，結(jié)果表明兩菌種之間是協(xié)同作用，酵母菌能促進(jìn)康氏木霉生長。

3.4 酶菌復(fù)合處理

在青貯過程中將酶制劑和微生物制劑配合使用可更好地提高青貯品質(zhì)。前人研究認(rèn)為，乳酸菌能夠提高秸稈的發(fā)酵品質(zhì)，而纖維素酶能降解秸稈的結(jié)構(gòu)性碳水化合物成為單糖或者雙糖，微生物發(fā)酵可產(chǎn)生更多的底物。并且在青貯過程中糖類的增加可加速乳酸菌的繁殖，使青貯飼料的pH值降低，這不僅抑制了有害菌的生長，還抑制了青貯原料中植物酶的活性，減少了糖的氧化和蛋白質(zhì)的水解，以保存更多的可溶性碳水化合物。刁其玉等將腸膜明串珠菌、植物乳桿菌、布氏乳桿菌、纖維素酶、木聚糖酶和β-葡聚糖酶等酶菌復(fù)合制劑，噴灑添加到秸稈中進(jìn)行青/黃貯發(fā)酵，研究結(jié)果表明，該復(fù)合制劑能夠破壞秸稈的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，改善秸稈的適口性和消化性能，且其使用方便，具有廣闊的應(yīng)用前景。陶蓮等以玉米秸稈為主要材料，通過酶制劑、菌制劑以及酶菌復(fù)合制劑處理，探討其對玉米秸稈發(fā)酵品質(zhì)、營養(yǎng)成分和瘤胃降解率的影響，結(jié)果表明，酶菌復(fù)合添加劑噴灑過的秸稈青貯發(fā)酵后，能夠有效破除玉米秸稈青貯飼料的特殊木質(zhì)素-纖維素-半纖維素復(fù)合體結(jié)構(gòu)，改善秸稈飼料的發(fā)酵品質(zhì)，提高營養(yǎng)物質(zhì)的保存以及反芻動物瘤胃降解率，從而提高玉米秸稈的可利用價值。

4 微生物處理秸稈飼料在反芻動物中的應(yīng)用

4.1 微生物發(fā)酵玉米秸稈的飼喂效果

傅彤以穗玉米秸稈為材料，通過使用含有植物乳桿菌、戊糖片球菌、纖維素酶和木聚糖酶等組合形成的復(fù)合酶菌制劑，發(fā)酵青貯玉米秸稈，且將其飼喂體重、胎次、產(chǎn)奶量、泌乳月（泌乳中后期）相近的中國荷斯坦奶牛20頭，試驗結(jié)果表明，在玉米秸稈青貯中使用霉菌復(fù)合制劑不僅可以降低pH值，增加乳酸和乙酸的含量，減少丁酸、ADF和NDF的含量。提高飼料適口性，飼喂奶牛后可以提高奶牛平均產(chǎn)奶量0.65 kg/(頭·d)，乳脂率提高0.11個百分點。王紅梅等試驗證明，飼喂不同配伍酶制劑處理過的青貯玉米秸稈試驗組與無添加酶制劑飼糧相比較，對杜寒雜交羔羊增重效果顯著提高了23.5%，料重比降低了20.7%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。張立霞等在不同微生物菌株及組合處理玉米秸稈試驗中發(fā)現(xiàn)，利用裝有瘤胃瘺管的F1代杜寒雜交羯羊?qū)Πl(fā)酵青貯秸稈進(jìn)行瘤胃降解分析，結(jié)果表明，微生物菌株處理組可以顯著提高玉米秸稈0、6、12、24、48、72 h的降解率和有效降解率。

4.2 微生物發(fā)酵玉米秸稈飼料存在的問題

馮仰廉研究發(fā)現(xiàn)，菌種選擇非常重要，如果選擇不當(dāng)，瘤胃微生物會發(fā)生紊亂。在微生物發(fā)酵玉米秸稈飼料還存在許多問題要解決，如：對木質(zhì)素、纖維素酶分子結(jié)構(gòu)及其基因的結(jié)構(gòu)組成和作用機(jī)理的研究還不夠深入；需要深入研究二次發(fā)酵對發(fā)酵品質(zhì)的影響；需要充分解決發(fā)酵過程中降解終產(chǎn)物對酶的合成及其活性產(chǎn)生反饋抑制的問題；可以充分利用分子生物學(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，為豐富菌種和作用酶的活性提供幫助。

5 小結(jié)與展望

我國每年產(chǎn)生大量的玉米秸稈，其具有豐富的纖維素可以作為粗飼料應(yīng)用于反芻動物日糧中。所以，提高玉米秸稈的利用率可充分發(fā)揮秸稈飼料的利用潛力。木質(zhì)素與纖維素、半纖維素的復(fù)雜結(jié)構(gòu)影響著秸稈的降解，因此，找到打開交聯(lián)鍵的有效方法非常重要。生物發(fā)酵已展現(xiàn)出其優(yōu)越特性，酶菌復(fù)合制劑的應(yīng)用是秸稈降解中的一大突破，目前已篩選出大量有效的可降解纖維素和木質(zhì)素的菌群和酶，然而，微生物發(fā)酵玉米秸稈仍有很多問題需要解決，最終才能充分提高微生物發(fā)酵玉米秸稈飼料的應(yīng)用前景。