玉米秸秆生物发酵饲料的最新研究进展

2017-01-06 22:05:20      点击:

 

导读

我国是农业大国,秸秆资源非常丰富,尤其是玉米秸秆位居全国各种作物秸秆产量之首, 年产量高达2.5 亿t 左右(左旭等,2015)。因为干枯的玉米秸秆质地粗糙、适口性差, 且粗蛋白质含量低、粗纤维含量高,导致其利用率极低(史海涛等,2012)。近年来,随着玉米秸秆产量的逐年增加和不合理处理如焚烧等带来的环境危害, 以及人畜争粮现象的加剧, 人们已广泛认识到合理处理玉米秸秆的重要性,并针对其养分低、质地粗糙、可口性差、粗纤维含量高、粗蛋白质含量低的特点进行科学的加工处理, 已显著提高了玉米秸秆饲料的可口性和营养价值。

1玉米秸秆营养特点

玉米秸秆一直都被用作牲畜的主要粗饲料。纤维素、半纤维素和木质素为其主要成分,其中纤维素含量占36.5% ~ 38.6%、半纤维素含量占38.0% ~ 38.8%、木质素含量占12.3% ~ 17.6%(李丹丹等,2011)。作为农业生产的重要资源,还含有丰富的微量元素氮、磷、钾等有机质(申源源等,2009)。与其他秸秆饲料对比,玉米秸秆的粗蛋白质含量更高,特别是经过青贮、黄贮、氨化及糖化等加工处理后的玉米秸秆,不但可改善其适口性、提高利用率,而且可显著提高粗蛋白质含量,其效益将更加可观(成斌,2011)。目前大量研究已表明若能够对玉米秸秆进行科学的加工处理, 制成高营养性的牲畜饲料,不但益于发展畜牧业,而且通过牲畜过腹还田的方式可使玉米秸秆的生态效益和经济效益得到显著提高。陈鹏等(2008)研究证明, 玉米秸秆中所含的消化能高达2235.8 kJ/kg,且营养丰富,其总能量与牧草的总能量不相上下。

2玉米秸秆生物发酵处理方法

近几年来用生物技术对玉米秸秆进行降解的研究主要集中在预处理(李建等,2016;Zeng 等,2007;Kaar 等,2000),包括玉米秸秆产酶条件(杨琼等,2012)、纤维素酶的降解(Horn 等,2012;余兴莲等,2007;高培基等,2003)、复合酶的降解等预处理,以及混合菌种固体发酵、酶菌共处理玉米秸秆生产蛋白质饲料(李日强等,2001;陈翠微等,2000;Lonsane 等,1990)等方面,并取得了显著的效果。


2.1 酶处理

酶制剂作为一种新型秸秆发酵添加剂已被人们高度关注。当前研究较多的是淀粉酶、纤维素酶、半纤维素酶,它们作为主要的玉米秸秆发酵酶,能把秸秆中的纤维素、半纤维素、淀粉等多糖降解成为单糖, 使秸秆饲料利用率和动物的生产性能达到可观的水平。

大量研究表明, 对酶解条件进行优化的预处理可以显著提高酶解速度。徐友海等(2015)用氧化甲基吗啉(NMMO)预处理玉米秸秆不仅得到了较高的秸秆回收率而且得到了较好的水解糖化效果。朱圆圆等(2015)采用稀硫酸-氢氧化钙联合法预处理玉米秸秆使得纤维素酶水解率为84.92%。王芳等(2015)使用流化床热解反应器在200 ℃下对玉米秸秆进行热化学预处理, 木质素去除率达32.57%。李诚等(2015)用臭氧预处理玉米秸秆也有效地提高了玉米秸秆的酶解效率。张强等(2004)采用蒸汽爆破法预处理玉米秸秆,现已有研究证明, 若采取酶复配技术优化蒸汽爆破处理玉米秸秆的酶水解工艺条件, 可显著提高纤维素的转化率(王奇等,2016)。

研究表明在纤维素酶及稀酸或稀碱的共同作用下,玉米秸秆水解速率会有较大提高。蔡灵燕等(2016) 采取复合酶耦合酶解酸处理玉米秸秆,先经过2%硫酸预处理后,再利用果胶酶、β-葡萄糖苷酶、纤维素酶三种酶进行协同酶解,可显著增加玉米秸秆的酶解产糖量。吴丹等(2016)对玉米秸秆首先进行碱性双氧水预处理, 确定NaOH 投加量为4 g/LH2O2投加量为17 g/L, 固液比1∶40,预处理时间4 h 时纤维素酶降解效果更为明显。

刘庆玉等(2012)采用响应曲面法对玉米秸秆的酶解反应条件进行优化,确定当酶浓度55.45 U/g,酶比例2∶1,温度44.39 ℃,pH 值5.0,固液比1∶10.3, 转速140 r/min, 酶解时间72 hMg2+浓度0.01%为最优条件, 此时还原糖最大产率为42.97%。这种方法更好地优化了玉米秸秆酶解反应的初始条件。

对玉米秸秆进行酶处理时如采取流化床热解、蒸汽爆破法及超声波等预处理,虽理论上能够提高纤维素的转化率,但是成本较高,难推广,可行性小。如果将酸或碱和酶结合使用, 则能大大提高水解率,但关键是要掌握好其比例。


2.2 菌处理

菌处理简言之就是在玉米秸秆中加入微生物活性菌种(目前比较优良的发酵剂有南宁微瑞生物科技有限公司生产的“加强型粗饲料降解剂”),让其进行发酵,使秸秆酿成含有酸味、香味的家畜喜欢采食的粗饲料的方法。秸秆发酵中多为单菌接种, 如接种同型发酵乳酸菌如植物乳杆菌(L.plantarum)或干酪乳杆菌(L.casei) 或异型发酵乳杆菌如布氏乳杆菌(L.buchneri)或短乳杆菌(L.brevis),或者将两者简单结合发酵。

在长期的试验和生产实践中人们研究发现发酵过程中单纯接种一种微生物的接种效果通常差强人意,很多发酵过程必需依靠2种或2种以上微生物来完成(徐颖宣等,2008)。如单纯接种植物乳杆菌(L.plantarum)或干酪乳杆菌(L.casei)(Filya 等2003;Pandey 等,2000),虽然可提高发酵饲料中的乳酸含量,但不能改善其有氧稳定性效果;而单纯接种布氏乳杆菌(L.buchneri)或短乳杆菌(L.brevis)(Gao 等2008;Filya 等,2006),虽提高了有氧稳定性,但乳酸含量较低,缺乏营养;若是将2 种菌混合发酵,不但可以保证营养并一定程度上可保证其有氧稳定性(Mensah 等,1991)。

大量试验证明,酶菌的接种类型、菌群间相互作用关系等都在很大程度上影响着酶的活性。白春燕等(2016)研究归纳后,将绿色木霉绿2与芽孢杆菌S3 确定为混合菌中产纤维素酶酶活最高的组合。纤维素酶的降解率还会受到酶菌的接种顺序及接种比例的影响。魏如腾等(2016)构建了复合菌系(芽孢杆菌T 7.0、黑曲霉Z34 和里氏木霉三株菌),结果表明,当复合菌的接种顺序为:同时接种黑曲霉Z34 与里氏木霉,12 h 后再接种芽孢杆菌T 7.0;接种比例是:黑曲霉Z34∶里氏木霉∶芽孢杆菌T 7.0 为2∶1∶2 时, 纤维素酶活达到404.28 U/mL。由于木质素的特殊结构导致其很难降解,郭建斌等(2015)采用云芝变色栓菌(T.versicolor)、色精木霉菌(T.chromospermum)、深绿木霉菌(T.atroviride),云芝变色栓菌分别与色精木霉、深绿木霉的混合菌对干黄玉米秸秆进行真菌预处, 使得木质素的降解率分别为34.0%、38.1%、38.1%、39.1%、40.3%。

由此可见, 使用混菌发酵的方法处理玉米秸秆,其产酶能力大大高于单一菌株,这是由于有差异的菌株组合后, 利用它们之间的差异相互补偿、互利共栖。但目前对于大多数混合菌体系中菌间的相互作用机制和作用关系的研究尚不足,所以要注意发酵中间产物对发酵产物产生的不利影响。推荐使用含复合酶制剂的秸秆发酵剂产品——南宁微瑞生物科技有限公司生产的“加强型粗饲料降解剂”


2.3 酶菌共处理

尽管单独加入酶或菌时都可以降解并转化秸秆中的纤维素成分,从而提高秸秆的利用价值,但都存在或多或少的不足,如果利用酶和菌之间的互相作用协同处理秸秆则能够取得更佳的效果。陈合等(2008)采用黄孢原毛平革菌结合外源纤维素酶和木聚糖酶共同降解玉米秸秆,显著提高了其还原糖含量。李新社等(2011) 已利用纤维素酶和康宁木霉菌共处理玉米秸秆将其转化为可发酵糖,并从玉米秸秆降解物中获得了4.852g/L 的还原糖。菌酶共降解工艺为高效利用秸秆提供了一种新的研究方法,现已立足于玉米秸秆的生物发酵领域并成为其中的一个研究热点。

3玉米秸秆生物发酵处理的优缺点

3.1 玉米秸秆生物发酵处理的优点

与常规处理相比, 生物发酵处理技术具有改善适口性、提高粗蛋白质含量,从而提高玉米秸秆营养价值以及降低生产成本和减小污染的优点,并且发酵处理后的玉米秸秆饲料中含有大量的菌体蛋白、酶类、抑菌因子、各类维生素及促生长因子等菌体代谢发酵产物, 能给牲畜带来益生保健的作用(Yang 等,2001)。


3.2 玉米秸秆生物发酵处理的缺点

在秸秆生物发酵添加剂中, 依旧存在一些未知的或有争议的问题, 譬如两个或多个不同的微生物添加剂结合发酵时,微生物之间可能会产生拮抗作用;对于大多数混合菌体系中间菌的相互作用关系及其作用机理的研究尚不完善, 对于菌株的筛选和组合在方法上还不健全;其次酶制剂与菌混合发酵时,之间是否存在拮抗作用尚不明确还有待研究。对于以上问题,还需要从生理、代谢的角度深入研究菌株降解秸秆的作用机理和发酵产酶工艺以及菌株与发酵产物及菌株与发酵底物之间的相互作用关系和作用机制, 使得玉米秸秆资源的使用更科学、高效。

4玉米秸秆生物发酵注意事项

玉米秸秆生物发酵技术以其高效、节能、可行性好等优点被广泛关注,但是如果在操作过程中不注意一些特殊的环节, 则很难获得最佳的效果, 所以在应用生物发酵技术时要注意以下事项:

(1)不使用腐烂或有毒的玉米秸秆。

(2)不要在阳光能够直射的地方进行发酵,不然紫外线将会杀灭发酵微生物,对发酵效果产生影响。

(3)不能压得过紧实,不然会因与空气隔绝缺氧而影响发酵。

(4)发酵温度不能太高,否则可能会使酶失活还可能造成发酵变质。

(5)为防止二次发酵,当秸秆酿成黄绿色并有芬芳味散出且摸上去较柔软嫩滑时,应及时掀开覆盖物。

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