混合菌种发酵秸秆生产蛋白饲料的研究进展

2016-12-29 22:27:18      点击:

 

导读

农作物秸秆是自然界中最为丰富的可再生资源之一,是潜在的动物饲料资源。作物秸秆中所含的纤维素是地球上最丰富的可再生资源,其年产量高达数十亿吨。在地球的化石能源越来越少的情况下,开发利用秸秆资源越来越受到重视,研究人员正在积极探索寻找利用微生物来降解秸秆,提高秸秆的利用率的方法。

目前我国农作物秸秆的综合利用技术正朝着多元化的方向发展,主要的利用途径有秸秆还田利用技术、秸秆饲料利用技术、秸秆原料利用技术以及秸秆能源利用技术等。秸秆还田是秸秆综合利用的一条主要途径,但秸秆还田存在很多问题。由于人均耕地少,机械化程度较低,耕地复种指数高,倒茬时间短,秸秆还田后不能有效降解,而且秸秆碳氮比高,还田费用过高,给秸秆还田带来困难,严重影响农民积极性;每年还有大量的秸秆没有被充分利用,大量被焚烧,大量被抛入水体,造成环境污染,形成了一大社会公害。

秸秆饲料利用技术可以缓解畜牧业对粮食的过分依赖,为畜牧业提供大量的廉价原料,在全球粮食和资源紧缺的今天具有重大的生态价值和经济利益。常用的秸秆饲料化方法有3种,即物理法、化学法和生物法。相比较而言,生物法具有操作简易、环保无污染、降解效果好等优点,所以受到越来越多的学者关注。利用微生物产生的各种酶系对秸秆中纤维素、木质素等成分进行降解,提高其利用率,改善营养价值,生产秸秆生物饲料,是秸秆综合利用的一条生态、低碳、高效循环利用有效途径。利用微生物秸秆发酵饲料发展牛羊养殖,增加农民的收入,具有广阔的开发应用前景。

1秸秆的生物处理方法

秸秆的生物处理方法就是利用某些微生物来处理秸秆饲料。常用的方法有青贮、微贮发酵、酶解等。


1.1 青贮

青贮是在厌氧环境中,通过乳酸菌繁殖发酵,将秸秆中的淀粉和可溶性糖合成乳酸,当乳酸积累到一定浓度时会抑制腐败菌的生长,秸秆得以长期保存。秸秆青贮以后,营养成分损失较少,适口性有很大提高。但青贮饲料,为了保障乳酸菌发酵,必须有一定的可溶性糖存在,含糖较多的原料如青草、玉米秸等容易青贮成功,稻草、麦秸等就比较难以青贮。此外,青贮饲料中微生物一般是被动进入的,并且饲料中维生素D和蛋白质含量偏低,酸度重,甜味不足,制作时受气候影响等缺点,一定程度上制约了青贮的应用。


1.2 酶解

酶解法是将酶溶于水后喷洒在秸秆上,先进行酶解处理,然后再利用微生物发酵秸秆生产蛋白饲料。常用的酶制剂有纤维素酶、木质素酶、葡聚糖酶等。此种方法虽然酶制剂有利于秸秆的降解,但往往成本较高不利推广应用。


1.3 微贮

微贮发酵即农作物秸秆微生物发酵贮存技术,是农作物秸秆提高其营养价值的秸秆处理方法。通过加入对木质素、纤维素有较强降解能力的菌种,在一定的条件下发酵,从而促进秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的分解,改善秸秆的适口性,提高其消化率,并增加营养。其作用机理一是使半纤维素-木聚糖链和木质素聚合物的酯链降解,增加了秸秆的柔软性和膨胀度,使瘤胃微生物能直接与纤维素接触,有利于消化;二是在发酵过程中,部分木质纤维素类物质被转化为糖类;三是由于微贮饲料中所含酶和其他生物活性物质的作用,提高了反刍动物瘤胃微生物区系的纤维酶和降解酶的活性,从而提高了对秸秆的消化能力。


通过微生物发酵生产秸秆饲料具有以下优点:

(1)成本低、效益高。因微生物生长繁殖速度快,发酵秸秆对微生物的接种量所需甚微,且降解作用良好。

(2)适口性好,采食量增加,秸秆消化利用率高。金加明等用纤维素酶和酵母菌处理玉米秸秆饲喂育肥羊,日增重达到145.3g,较饲喂普通玉米秸秆提高了51%;顾拥建等利用微贮稻草秸秆饲料饲喂羊,羊的日采食量为1.4kg,显著高于饲喂普通稻草组的羊日采食量(0.95kg);任大明等用发酵剂处理玉米秸秆饲喂肉鹅,微生物发酵使玉米秸秆风干样品消化率提高15.77%,绝干样品消化率提高15.26%。

(3)原料来源广。基本上所有农作物秸秆都可用作微贮发酵饲料的原料。

(4)技术操作简单快捷。基本上全年都可生产,且所需设备简单,操作步骤简便快捷。总之,微生物发酵与其他秸秆饲料处理方法相比,制作费用低,同时发酵过程中还能产生并积累对畜禽有益的代谢产物如氨基酸、有机酸、醇、醛、酯、维生素等,不仅使饲料适口性增加,而且具有增强动物抗病力及促进其生长发育的作用。因此,微贮发酵具备良好的可操作性及市场价值,是目前秸秆饲料化的主要研究方向。

2霉菌降解纤维素的研究进展

微生物降解纤维素主要依靠其产生的纤维素酶。纤维素酶来源较广泛,如原生动物、软体动物、昆虫、细菌、真菌等都能产生纤维素酶。来源于真菌的纤维素酶酶系较全,活性强。目前用于生产纤维素酶的微生物大多属于霉菌,研究较多的有木霉属、曲霉属、根霉属和漆斑霉属。特别是绿色木霉及其近缘菌株最佳,国内外普遍认为绿色木霉的纤维素酶产率最高,酶系最全。

目前,人们对霉菌的降解过程提出了多种理论,而最让人们广泛接受的是协同理论。即霉菌所产生的纤维素酶通过各组分间进行协同作用,这是其他酶类没有的特点。霉菌是一类比较复杂的复合酶,它包括3种水解酶:第一种是内切β-1,4-葡聚糖苷酶(简称C1酶),它的主要作用是在纤维素酶分子的内部任意切断纤维素酶的β-1,4糖苷键分子;第二种是外切β-1,4-葡聚糖酶(简称Cx酶),它的主要作用是从纤维素分子的非还原端依次切断β-1,4糖苷键释放出纤维二糖分子;第三种是β-葡萄糖苷酶(简称βG),它的主要作用是将Cx酶和C1酶切下来的纤维二糖分子转变成葡萄糖。我国对纤维素酶的研究有几十年的历史,1968年北京选育出一批产纤维素酶的菌种,1970年,中国科学院上海植物生理研究所等单位利用诱变方法获得了产酶能力较高的变异株,并进行了生产试验。1975年,广东省微生物研究所分离筛选出纤维素酶产生菌株——长梗木霉。1976年,Stemberg和Nystr报道了用绿色木霉生产纤维素酶的发酵条件及中试情况。1980年开始,研究的方向则集中于利用基因工程的方法对纤维素酶的基因进行克隆,和一级序列的测定。近20年,根据结构生物学与蛋白质工程的方法研究酶的结构与功能成为纤维素酶研究的热点,并且选育出了一些纤维素酶高产菌种。

3白腐真菌降解木质素的研究进展

白腐真菌(White rot fungi)是一种丝状真菌,它可以侵入木头的细胞腔内,释放降解木质素和其他木质组分的酶,导致木头腐烂,故因此而得名。白腐真菌在分类学上绝大多数属于真菌门、担子菌亚门,少数为子囊菌大纲。有糙皮侧耳、桦多孔菌、拟革盖菌、漏斗状侧耳、粉状侧孢霉等200余个品系。其主要作用机理是通过分泌非专一性的木素降解酶系进行木质素的降解活动。白腐真菌的木质素降解酶系主要有锰过氧化物酶、木质素过氧化物酶和漆酶。先是美国科学家Tier和Kirk从黄孢原毛平革菌中发现了木质素过氧化物酶(Lignin peroxidase,简称 Lip)。第2年,Cold等又发现了锰过氧化物酶(mangnaseperoxidase,简称 MnP)和后来的日本科学家吉田第一次在生漆中发现的漆酶(Laccase,简称 Lac)。

限制秸秆降解的主要因素是木质素,木质素的完全降解是微生物群落共同作用的结果,其中白腐真菌特别是大型担子真菌是最为重要的一类。20世纪70年代以来,国内外许多学者和研究人员致力于白腐真菌的研究。Sharma等发现白腐真菌能够显著地提高木质素的降解率,提高秸秆在瘤胃中干物质消化率,并且能改善秸秆的适口性。另有试验报道,用白腐真菌发酵切碎的麦秸5~6周后,不仅粗蛋白含量有所提高,而且秸秆消化率也提高了2~3倍。利用白腐真菌处理秸秆一方面可以大幅度的提高秸秆的适口性和营养价值,另一方面部分用于食用菌生产的白腐真菌还具有成本低、无化学污染、饲喂家畜后无毒副作用等优点,是秸秆制作发酵饲料的优良菌种。杨国金等将多种混合菌种接种到稻草、小麦秸、玉米芯粉上,发酵后的秸秆的粗纤维降解率提高了19%~38%,粗蛋白含量增加了接近 1 倍,同时菌种发酵过程中还产生一些氨基酸和维生素等代谢产物。钟德山等,用秸秆作为食用菌的培养基,采菇后菌糠的粗纤维降解60%~70%,粗蛋白增加接近1倍。

4混合菌种发酵秸秆的研究进展

利用微生物处理秸秆生产秸秆饲料,主要是利用高活性微生物菌剂首先将秸秆中的木质素、纤维素及果胶等转化为各种易被动物消化利用的糖类,其次通过微生物的生长代谢还会进一步合成营养价值较高或适口性较好的物质,如蛋白质、维生素、氨基酸、生长因子等。在选择发酵农作物秸秆生产饲料的微生物菌种方面,最初多采用单菌种发酵,往往发酵效果较差,现在越来越倾向于采用混合菌发酵体系,在双菌或多菌混合发酵中,酶促作用生成的糖立即被发酵糖的微生物所利用,这样就维持了降解物的浓度,消除了酶合成作用受到的降解物的阻遏作用,同时,也解除了反应终产物对酶的反馈抑制。要满足以上特性,菌种在搭配组合上最好包括纤维分解菌、木质素分解菌、提供蛋白的菌以及增加适口性的菌。为达到分解并利用秸秆纤维质的目的,一般选用对纤维质的分解起着重要作用的真菌。杭怡琼等研究表明白腐真菌对木质素的降解率平均可达37.76%,效果极为显著。木霉、黑曲霉、绿色木霉和康氏木霉有较强的分解纤维素的能力,并可分解半纤维素和果胶物质。它们通过产生一系列的纤维分解酶来分解纤维素为简单易消化糖。为达到氮素转化目的一般在秸秆中加入能生产单胞蛋白的酵母菌,将秸秆中的营养物转到酵母体内,成为优质的菌体蛋白。增加适口性主要依靠乳酸菌发酵,其发酵过程会产生一种酸香味,能够增加采食量,从而提高畜禽对秸秆饲料的利用率。乳酸菌发酵过程产酸,会使饲料的pH下降,并抑制有害菌的繁殖,从而达到保存秸秆的目的。

理论上可以利用白腐真菌、褐腐真菌等来降解秸秆饲料中的木质素;利用木霉、根霉等来降解秸秆饲料中的纤维组分;利用酵母的菌体蛋白来提高秸秆饲料中的蛋白含量;利用乳酸菌发酵来改善秸秆饲料的适口性。但多种微生物混合发酵秸秆技术,并不是单纯地把具有各种功能的菌随意拼凑组合,因为各种微生物之间有可能产生拮抗作用,它们相互间会抢夺养分甚至抑制对方的生长。同时还要注意不同菌之间的互补性和协同性,让其总体发挥出正组合效应,这就需要在具体实践中进行摸索。徐坚平等采用绿色木霉菌和产脘假丝酵母固体混合发酵方式制作秸秆饲料,结果表明,秸秆中纤维素转化率达51%,蛋白质的含量提高到了20%~25%,另外饲料中还富含多种酶类、氨基酸及维生素。

玉米秸秆经活干菌发酵后,转变为适口性好、消化率高的优质饲料。黄世强等将玉米秸秆添加发酵活干菌剂后进行微贮,再利用微贮玉米秸秆对羊进行夜间补饲。结果表明:两试验组羊日均增重,比对照组分别提高256%、216%(P<0.01)。陈学文等在南亚热带炎热季节条件下,利用自制的微贮饲料发酵剂(主要含乳酸菌、酵母菌、相关酶制剂等多种益生菌添加剂)对乳熟期收获甜玉米后的高水分(含水量78%以上)秸秆进行厌氧发酵处理,结果表明,试验各组微贮饲料中的中性洗涤纤维含量都低于对照组,酸性洗涤纤维含量降低的最多达26.10%,微贮玉米秸秆中粗蛋白含量比常规青贮玉米秸秆分别增加了11.04%左右。孙耀华等利用纤维素复合酶处理半干贮的玉米秸秆,并进行饲喂肉牛的试验,结果表明处理后的秸秆对肉牛的增重效果显著,日增重达2.5 kg,较对照组提高了20%,经济效益增加了42%。马效林等通过试验发现,用氨化饲料与微贮饲料育肥肉羊能获得较高的日增重,饲喂微贮饲料的羊日增重达到143.33g,较饲喂氨化饲料组提高了10.40%,较饲喂普通麦秸组提高了30%。各项试验证明,粗饲料经微生物处理后饲喂反刍动物,饲料报酬明显提高。

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