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微生物发酵技术在棉籽壳饲料化的应用效果好,代替豆粕能够大量运用降低饲料成本

2021-01-01 09:44:47      点击:

摘要:棉籽壳作为一种高蛋白日粮的代替粗饲料,在牲畜饲料中有广泛应用潜力,但棉籽壳中含有抗营养因子—棉酚,影响其饲用价值。利用微生物发酵技术不仅可以提高棉籽壳的利用率,还可以提高饲料的营养价值。文章主要介绍了棉籽壳在新疆的饲料化应用情况、棉酚的危害、微生物发酵在棉籽壳饲料化过程中的优势、棉酚降解菌及菌群对棉籽壳脱毒效果的研究、棉籽壳脱毒微生物发酵工艺优化及饲喂效果以及微生物发酵技术在新疆棉籽壳饲料化中的研究方向和发展趋势,以期为棉籽壳在新疆的饲料化应用提供参考。

近年来,新疆棉花年产量均达到400万t以上,位居全国前列,从而也产生了丰富的棉花副产品资源,每生产 1t 皮棉经过加工可产生 260 kg 棉籽壳。利用近红外光谱仪测定,其主要营养成分含量优于秸秆类粗饲料,适量的棉籽壳可以作为反刍动物的一种纤维饲料补充料。随着养殖业迅速发展,各种饲料价格大幅度飙升,南疆的养殖合作社及农户越来越多的采用当地棉源性饲料来解决饲料供应和农区畜牧业发展的矛盾。然而,棉籽壳中含有抗营养因子—棉酚 (gossypol),影响了棉籽壳的饲用价值。目前,养殖户为了降低成本,饲喂牛羊的棉籽、棉籽壳等棉副产品几乎是未脱毒或脱毒不符合标准的,这可能导致动物早产、流产或产畸形胎,缺铁性贫血,抑制消化道中蛋白水解酶活性,降低蛋白质利用率,可使肾小球和肾小管上皮细胞通透性异常,引起雄性动物尿结石等;饲喂过量时,甚至导致动物死亡。目前,棉酚降解技术有物理法、化学法、微生物发酵法。其中,物理法脱毒率很高,但会降低饲料中氨基酸利用率;化学法工艺流程较为繁琐,成本相对较高;基于以上问题,利用低成本、温和的微生物发酵技术降解棉籽壳中的棉酚已经成为新的研究方向。利用微生物发酵技术将棉籽壳转化为能够促进动物生长的优质粗饲料,对提高新疆地区棉籽壳饲料利用率、缓解新疆畜牧饲料供给压力具有一定的现实意义。

1 新疆棉籽壳饲料的应用情况 

新疆棉花种植基地主要为南疆优质陆地棉区及北疆、东疆优质陆地棉区,其中最主要的棉花种植基地有:英吉沙县、岳普湖县、新和县、阿瓦提县、洛浦县、墨玉县、麦盖提县、玛纳斯县、沙湾县、和丰县等。棉籽壳 (cotton seed hull) 作为棉花的重要副产物,是棉籽外部坚硬的褐色籽壳,由棉籽剥壳处理获得,稍带有未脱尽的棉花短绒和部分未脱尽破裂的棉仁。一般棉籽壳粗蛋白含量为 4%~6%,粗纤维含量为 43%~48%,中性洗涤纤维含量为 85%左右,酸性洗涤纤维含量为 65%~68%,木质化程度中等。新疆农业科学院微生物应用研究所一直致力于棉花副产品饲料化的研究,调查发现,南北疆农牧民历来有利用棉籽壳饲喂肉牛、肉羊的习惯,一是适量的棉籽壳能改善粗饲料适口性,增加动物采食量,可以作为反刍动物的纤维补充料;二是不浪费资源。棉籽壳常配合玉米粉或玉米青贮一起饲喂牛羊,未脱毒棉籽壳替代部分日粮粗饲料时,可提高胴体重、净肉重和屠宰率。但是,因为没有专业的技术指导,导致对棉籽壳的处理不当或者不处理就直接饲喂给牛羊,棉籽壳中的棉酚常引起雄性细毛羊尿结石,饲用过量后,严重的可导致牛羊死亡。一些研究者也指出在饲料中添加40%以下的棉籽壳,育肥羊食用后安全可行且不会对身体产生危害。棉籽壳饲料化的安全性、合理性、高效性日渐成为研究热点,尤其在新疆南疆,饲草料的缺乏和日益增长的畜产品需求使得开发新型动物饲料迫在眉睫,作为一种优质粗蛋白饲料,棉籽壳在新疆牲畜饲料中有广泛的应用潜力。

2 棉酚制约棉籽壳饲料化原因及其危害

棉酚是锦葵科棉属植物色素腺产生的多酚二萘衍生物,化学结构式见图1。制约棉籽壳饲料化的抗营养因子包括有毒性的游离棉酚 (free gossypol,FG) 和无毒性的结合棉酚 (bound gossypol,BG) 两种形式。由于与氨基酸、蛋白质等结合,BG不能被动物胃肠道消化利用,可以随粪便排出,毒性较小甚至不具毒性;而活性羟基和活性醛基是FG造成动物中毒的主要原因,其作用机理为:FG通过选择性地破坏睾丸生精细胞中线粒体的正常机能,影响动物的正常生殖;与蛋白质和膜基质结合,破坏矿物质的离子转运机制,降低动物的矿物质吸收量,影响血红蛋白的形成;与氨基酸胺基残基结合,形成大分子的BG,减少赖氨酸的吸收,对动物机体健康产生危害。研究结果表明,棉酚含量低于0.01%时,不影响动物的正常生长;含量在0.01%~0.03%之间对单胃动物具有较大的毒害作用;含量高于0.03%对反刍动物产生毒害作用。我国《饲料卫生标准》(GB 13078—2017) 规定饲料中的游离棉酚允许量为:棉籽不超过 5000 mg/kg,棉籽加工产品不超过 1200 mg/kg,犊牛精料补充料为 100 mg/kg,泌乳牛精料补充料 500 mg/kg,羔羊精料补充料为 60 mg/kg,其他羊精料补充料为 300 mg/kg。新疆农业科学院微生物应用研究所饲用微生物制剂及生物饲料项目组赴南疆、北疆调查发现,不同地区棉籽壳棉酚含量在 280~460mg/kg 之间。临床症状、病理学及组织学检查结果表明,饲用大量棉籽壳可以引起羔羊尿结石症。棉酚中毒一般无季节性,多见于冬、春季,在此期间因青饲料、草料缺乏,饲料单一,棉籽饼、棉籽壳的饲喂量增加,养殖社或农户将没有经过任何处理的棉籽壳直接饲喂给牛羊,造成家畜棉酚中毒。因此,采取合理的饲喂和处理方式,对棉籽壳的饲料化应用极为关键。

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3 微生物脱毒在棉籽壳饲料化中的优势 

降解棉酚的途径有很多,可以通过物理法将 FG 与蛋白质和氨基酸结合变成 BG 使其失去毒性;也可经化学法处理,形成络合物使得小肠难以消化吸收,进而降低毒害作用;但作为动物饲料,棉籽壳需要提高自身的适口性,提高采食率和消化率。物理法、化学法脱毒很难满足绿色畜牧养殖的目标,随着对微生物学科研究的深入,通过生物法进行棉酚脱毒效果更好,棉酚脱毒方法比较见表1。微生物在生长过程中会产生一些分泌物,比如蛋白酶、纤维素酶、脂肪酶、果胶酶等,可能会降解 FG,或者与 FG 结合形成 BG 以达到脱毒的目的。用于脱毒的微生物大多数都是有益菌,比如枯草芽孢杆菌、酵母菌等,可以很好地维持动物的肠道平衡;将大分子蛋白质降解为小肽、氨基酸等物质,提高饲料的吸收率;增加采食量;可以去除其他抗营养因子如环丙烯脂肪酸 (CPFA)、植酸 (PA)、单宁 (tannin) 以及非淀粉多糖 (NSP) 等;提高饲料粗蛋白含量,增加适口性。

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4 利用棉酚降解菌及菌群对棉籽壳的脱毒效果研究 

从2020年1月1日起,在全国禁用除中药外的所有促生长类药物饲料添加剂品种。这意味着全国动物养殖业将全面迎来"禁抗""减抗""替抗"新发展时期。对饲用微生物的研究已经成为绿色饲料开发的热点,除了研究益生菌对动物机体健康的作用,也在不断探索饲用微生物的一些特殊功能。棉酚降解单菌或复合菌剂具备安全、绿色、脱毒的多重作用,会更有效地应用到饲料处理和动物饲喂当中。新疆作为畜产和棉产的重点地区,棉酚降解菌成为两者之间转化和输出关键点。早期,R.Reiser 等发现牛、羊等反刍动物瘤胃中的微生物和酶对棉酚有较强的耐受能力;此外,蘑菇、真菌及其产生的酶对游离棉酚都存在着降解作用。由于国内蛋白质资源匮乏、棉花副产品产量及其在反刍动物饲料中的使用量增大,国内学者在微生物发酵降解棉酚方面进行了较多研究。新疆作为产棉大省,畜牧业粗饲料缺乏,通过微生物发酵技术将棉花副产品转化为饲料的需求更加迫切。科研人员筛选到的热带假丝酵母、产朊假丝酵母、地衣芽孢杆菌、植物乳杆菌、枯草芽孢杆菌对 FG 均有不同程度的降解作用。通过混菌发酵可提高棉酚脱毒效率、增加棉籽壳饲料附加值。院江利用纤维分解菌、乳酸菌与酵母菌等有益菌混合发酵棉籽壳,脱毒率最高达到75.4%,粗蛋白 (CP) 含量提高了2.29%,中性洗涤纤维 (NDF) 含量降低了18.21%,酸性洗涤纤维 (ADF) 含量降低了16.04%。随着对微生物复合系和酶系的深入研究,利用反刍动物瘤胃微生物、棉铃虫肠道微生物和其代谢产物对棉籽壳进行脱毒逐渐成为热点。赛买提·艾买提等对比了瘤胃液、酵母菌、乳酸菌对棉籽壳的脱毒效果,结果脱毒率分别为47.94%、76.46%、68.44%。还要进一步研究和挖掘反刍动物瘤胃、肠道微生物的脱毒作用,探索微环境中的微生物生长繁殖和新陈代谢活动,不仅可以实现棉籽壳脱毒,而且对研究棉酚降解机制也有重要作用。

5 棉籽壳脱毒微生物发酵工艺优化及饲喂效果 

微生物发酵工艺可以解决棉籽壳采食率和利用率低的问题,菌种接种量、物料含水量、湿度、氧气传质、温度及发酵时间等都是影响发酵工艺的重要因素,棉籽壳饲料发酵的影响因素及最佳条件见表2。长期饲喂棉籽壳含量90%以上的粗饲料对羊的毒性很大。经过微生物发酵处理后,棉籽壳饲料质地柔软细腻,具有浓郁的菌香味,适口性好,营养价值与玉米、麸皮相当。奶牛采食脱毒棉籽壳不产生中毒症状,羔羊采食不影响生长发育。棉籽壳与其他粗饲料混贮或微贮,如在玉米青贮中添加30%棉籽壳,搭配一定比例的玉米粉、麸皮、糖蜜及微量元素,制成棉籽壳全混合日粮 (TMR) ,可以有效提高动物采食率和日增重,降低精料水平,有利于提高经济效益。

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6 微生物发酵技术在新疆棉籽壳饲料化中的应用和发展趋势

饲料原料短缺问题已经成为限制新疆畜牧业可持续发展的瓶颈,而因为具有一定毒性和抗营养因子等原因导致棉秸秆、棉籽粕、棉籽壳等大量棉源副产品用于饲料原料的比例较小,造成严重浪费,微生物发酵技术的开发和应用可以提高棉源副产品的利用率,提高棉籽壳饲料的营养价值。为促进新疆畜牧产业的规模化、产业化、健康、可持续发展,应彻底改变微生物发酵技术在新疆的研究基础薄弱、机械化程度低、菌种来源复杂、发展应用落后的现状。以优良菌剂研发为支撑,建立新疆青、黄贮菌株资源库,通过分子选育、诱变选育、自然选育等方式定向培育适用、安全、功能性饲喂菌株;深入开展基础研究,利用代谢组学分析技术从细胞代谢水平全面揭示发酵产物中代谢物组分的种类和数量,确定生物标志物和特异性代谢谱,指导脱毒棉籽壳饲料化应用;与当地大型养殖合作社联合建立示范点,将微生物发酵技术与全混合日粮 (TMR) 相结合,研制含有较多蛋白质、钙、磷、维生素等营养成分,对促进畜禽生长发育、提高畜禽产品品质和产量等均具有改善作用的复合型棉籽壳饲料。

7 小结 

总之,利用微生物发酵技术综合开发以棉籽壳为主的饲料资源,既能开创棉源副产品利用新途径,又能增加农民收入,稳定和提高植棉积极性,进而稳定新疆的棉花综合生产和保障能力,棉籽壳的生物转化、高效利用产业是一项集经济效益、生态效益和社会效益于一体的农业经济项目,对推动新疆现代农业、畜牧业和农村经济发展有重大的意义。



实战操作技术——棉菜籽饼脱毒变身优质饲料替代豆粕操作新技术

当前豆粕价格很高有些地方货源紧缺,而棉菜籽饼(棉籽粕、菜籽粕)价格相对便宜,棉菜籽饼是棉子、油菜籽榨油后剩下的饼状残渣,蛋白质含量较高,含有各种氨基酸成分。但由于棉菜籽饼中含有植酸、芥子碱等物质,这些物质含有一定的毒性,还会影响动物的消化吸收,不能大量使用,因此不建议直接饲喂给动物!

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现在通过微生物饲料发酵剂的除毒脱毒技术,可以成功将菜籽饼变为优质添加饲料,直接按照1公斤发酵的棉菜籽饼(发酵前的重量)代替约0.85公斤豆粕进行使用。饲料发酵剂中的有益微生物,在发酵过程中分泌的代谢产物,可将棉菜籽饼中的毒性物质等有效分解。

豆粕、菜粕、棉粕成分对比

1.豆粕是一种高蛋白原料,无需脱毒即可用作饲料。其中蛋白质含量为40%-48%,赖氨酸含量为2.5%-3.0%,色氨酸含量为0.6%-0.7%,蛋氨酸含量为0.5%-0.7%。2020年11月12日报价每吨在3500元左右。

2.菜粕的粗蛋白含量在34%-38%之间,特点是蛋氨酸含量高(仅次于芝麻饼、粕),赖氨酸含量亦高。而精氨酸含量低,是饼、粕饲料中含量最低的。菜籽粕的有效能值偏低(淀粉含量低、菜籽壳难以消化利用)。矿物质中,钙和磷的含量均高,硒和锰的含量亦高。特别是硒的含量是常用植物饲料中最高的。2020年11月12日报价每吨在2900元左右。

3.棉粕蛋白质含量一般为44.32%,仅次于豆粕的蛋白质含量48%,而高于菜籽粕的蛋白质含量36.04%。精氨酸含量高达3.6%-3.8%,而赖氨酸含量仅有1.3%-l.5%,只有豆粕的一半。2020年11月12日报价每吨在3000元左右。

是否需要脱毒处理

1.豆粕无需经过脱毒即可用作饲料。而且豆粕中富含蛋白质和多种氨基酸,在不需要额外加入动物性蛋白的情况下,仅豆粕中含有的蛋白质和氨基酸足以平衡家禽和猪的食谱,促进它们的营养吸收。只有当其他粕类单位蛋白成本远低于豆粕时,豆粕才有可能被替代。

2.菜粕菜籽中含有硫葡萄糖苷、芥酸、单宁、皂角苷等不良成分,其中主要是硫葡萄糖苷。硫葡萄糖苷本身无毒,但在一定温度和水分条件下,经过菜籽本身含有的芥子酶的酶解作用而产生异硫氰酸酯、唑烷硫酮和腈类等有害物质。这些物质可引起甲状腺肿大,从而造成动物生长速度下降,繁殖力减退。单宁则妨碍蛋白质的消化,降低适口性。而芥酸阻挠脂肪代谢,造成心脏脂肪蓄积及生长受到抑制。。使用前需进行一定的脱毒处理,并且使用时要加以限制,具体喂量应根据菜粕中有害成分含量而定。经过脱毒处理的菜籽粕喂量可以加大,而“双低”油菜籽生产的菜粕喂量要受限制。同时,应结合菜粕的氨基酸组成特点,适当搭配其它饼粕。

3.棉籽中含有对动物有害的棉酚及环丙烯脂肪酸,尤其是棉酚的危害很大。在制油过程中,由于蒸炒,压榨等热作用,大部分棉酚与蛋白质、氨基酸结合而变成结合棉酚,结合棉酚在动物消化道内不被动物吸收,故毒性很小。另一部分棉酚则以游离形式存在于饼、粕及油品中,这部分游离棉酚对动物毒性较大,尤其单胃动物过量摄取或摄取时间较长,可导致生长迟缓、繁殖性能及生产性能下降,甚至导致死亡。幼小动物对棉酚的耐受能力更低。由于棉籽饼、粕中游离棉酚对动物有害,因此,在使用棉饼、粕时,要根据饲喂对象及饼粕中游离棉酚的含量加以限量。反刍家畜在有优质粗料及多汁青料的情况下,棉籽饼、粕的用量不受限制,不会造成中毒。对单胃动物要限制喂量,最好使用经过脱毒处理的棉籽饼粕。同时,使用棉籽饼、粕配制饲粮要注意氨基酸平衡,尤其是棉籽饼、粕的赖氨酸含量低,且利用率差,应注意添加赖氨酸。

发酵操作技术

发酵棉菜籽饼其实也是一个脱毒技术,具体操作如下:

1.仔细检查棉菜籽饼,剔除棉菜籽饼中严重变质发霉的部分,轻度发霉的原料可以忽略,因为微生物发酵能够脱霉。

2.将棉菜籽饼粉碎并添加适量的玉米粉淀粉类的能量饲料等,调节饲料营养比例。

3.每吨棉菜籽饼加入2公斤食盐、玉米粉(其它淀粉、面粉次粉等也可以,或者粉碎的生红薯300公斤也可以)100公斤、“99多功能饲料发酵剂”1包(500g/包,市场售价约25元,以高浓度乳酸菌、酵母菌、复合酶制剂的专业发酵剂)。

4.在混合物料中添加适量水分,使混合物料含水量保持在55%左右,以“手抓一把并紧握,无水滴落,松手后轻触即散”为宜,一般上述配方中需要加入清水约500-600公斤。

5.发酵方式根据实际环境条件各异,在桶、缸、塑料袋等容器中发酵均可。

6.发酵时要尽可能排尽空气进行密封发酵。如果使用的发酵容器有密封不严实的隐患,要在一开始就在其外层包裹一层塑料袋并扎紧。发酵过程中不能启封。

7.发酵时间受环境温度影响,通常夏季发酵2-3天,冬季发酵5-7天即可完成。发酵完成后,有较为强烈的酸香味,ph值在3-4。

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规模运用混合发酵现场

塑料缸、饲料袋(有内膜)均可做发酵饲料.jpg 

塑料缸、饲料袋(有内膜)均可做发酵饲料

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采用池子发酵

发酵完成的棉菜粕饲喂动物技术

需要注意的是,发酵后的饲料酸度较低,不可以取代禽畜全部日粮。其他类发酵饲料同理。饲喂时根据不同情况,将发酵饲料按照一定比例添加到日粮中,发酵完成的棉菜粕为湿料,具体使用量每大概1.5-2公斤发酵棉菜粕(湿料)代替动物日粮配方中1公斤豆粕的使用量进行代替使用,与其它饲料混合后直接饲喂,由于棉菜籽粕蛋白较高,最高使用量不要超过禽畜日粮饲喂量的40%(湿料重量)。如果发现发酵饲料过酸适口性变差,可在饲喂前在阳光下晒1-2小时,或添加适量的碳酸氢钠(小苏打)即可改善。

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发酵过程中与发酵后使用过程中,发酵的容器要一直保持密封状态,可以长时间保存(一年左右)。

当前养殖业成本高居不下,而饲料成本是其中最高的,利用廉价原料发酵饲料(包括一些轻度发霉的粕类低价收回)是极佳解决办法。通过微生物饲料发酵剂的发酵作用,可以将轻度霉变饲料变成优质饲料,将不易消化的物质分解为可被畜禽吸收的小分子糖类、氨基酸等。同时发酵饲料中富含有益微生物、酶制剂、酸化剂等,可调节畜禽肠胃微生态环境并进一步提高饲料利用率。发酵饲料气味清香,提高了饲料的适口性,加上发酵饲料中有大约4℃的酒度,能够促进动物新陈代谢促进健康抵御疾病,是当前养殖业发展中重要的一环。

本技术也可以同样发酵菜籽粕(饼)、棕榈粕等,方法同上。


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