农作物秸秆生物发酵机理与饲养价值评定

■毛建红 陶 莲 许贵善 石长青 刁其玉*

（1.中国农业科学院饲料研究所农业部饲料生物技术重点实验室，北京 100081；2.塔里木大学动物科学学院，新疆阿拉尔 843300)

粗饲料在反刍动物日粮中的适宜比例为40%～70%，它能为反刍动物提供大量的营养物质，玉米秸秆、小麦秸秆和水稻秸秆等三大秸秆是反刍动物饲养中常用的粗饲料，合理地加工和利用农作物秸秆是提高其营养价值的关键所在。我国是农业大国，秸秆资源非常丰富，2015和2016年的秸秆年产量分别达8.5和7.9亿吨[1]。但由于秸秆细胞壁中，纤维素以高度结晶且有序的微纤丝形式作为细胞壁骨架结构的内核，半纤维素和木质素以共价键形式连接并嵌套在细胞壁骨架结构中，使瘤胃微生物和降解纤维素的酶类不能直接与纤维素接触，致使纤维素在动物瘤胃中的分解受到限制[2]。目前我国的秸秆用于饲料的比例仅为25%左右，大部分的秸秆都被丢弃、焚烧，不仅浪费资源，还严重污染环境。

提高秸秆饲料化利用率的方法主要有物理处理法、化学处理法和生物处理法[3]。物理处理法简单易行，通过切短、粉碎、浸泡、蒸汽处理、射线照射等改变秸秆的外形特征，便于反刍动物咀嚼，增大秸秆与瘤胃微生物的接触面积，减少饲料浪费并提高秸秆的消化率，但不能改变植物的化学组成或提高营养价值。化学处理法主要是在秸秆中加入一定剂量的化学试剂，达到破坏秸秆内部结构，提高秸秆利用率的目的。常用的化学处理法有：碱化处理、酸化处理、氨化处理、氧化处理和复合处理等。虽然化学处理破坏了秸秆中木质素与纤维素、半纤维素的结合状态，使细胞壁结构变得疏松，提高了反刍动物对秸秆的利用率，但是化学法生产成本较高，且使用后化学离子会流失到环境中，对环境危害严重[4]。生物处理法主要是针对秸秆木质纤维素的复合结构，用细菌、真菌、酶制剂对秸秆进行处理，改善秸秆适口性和利用率的处理方法。经生物处理过的秸秆，适口性明显改善，营养成分显著增加，在瘤胃中的转化效率也明显提高[5]。生物法处理秸秆不需要太复杂的设备和过多的能量消耗，也不需要高温高压、强酸强碱等条件，可以克服物理和化学法处理秸秆的弊端，具有能耗低、污染小、易于操作等优点[4]。使用生物技术处理秸秆，可以破坏秸秆纤维的结构，故利用生物技术提高秸秆利用率得到广泛关注。全面、客观、正确地评价粗饲料的营养价值并采用恰当合理的方法利用饲料资源，可以降低动物的饲养成本，提高经济效益，在实际生产中具有重要的指导意义。

1 农作物秸秆的生物发酵及其质地的改变

1.1 农作物秸秆的结构特点

农作物秸秆主要由细胞壁和细胞内容物组成，两者的比例约在8∶2，通常细胞内容物可以几乎完全被动物消化利用[4]。木质纤维素是秸秆细胞壁的主要成分，其中纤维素占细胞壁组分的40.6%～51.2%，半纤维素占28.5%～37.2%，木质素占13.6%～28.1%，除此之外，细胞壁中还含有少量的果胶和结构蛋白[6]。果胶和结构蛋白可以被动物直接利用，果胶酶是分解果胶的复杂酶谱，包括原果胶酶、果胶甲酯水解酶、果胶酸酶3种酶，这3种酶的联合作用使果胶质得以完全分解[7]。

纤维素是秸秆细胞壁的主要骨架物质，纤维素微纤丝的长度、角度和结晶度在细胞壁的物理作用中起主要作用[8]。由于纤维素具有特定的结构层次特征，遂将其分为一级结构、二级结构、三级结构、四级结构。纤维素的一级结构是单纯由D-葡萄糖通过β-1，4糖苷键链接而成的长链高分聚合物，一般由500～10 000个葡萄糖单元构成，形成了组成微纤丝的糖链结构；纤维素糖链形成以后，其葡萄糖残基上的羟基和分子间或内部的羟基基团形成稳定的氢键网络，平行面上的糖链形成稳定的一层糖链片层，使纤维糖链形成极为稳定的超大分子，称之为纤维素的二级结构；纤维素分子中，糖链的片层之间借助疏水作用力及范德华力等相互作用力，使糖链片层有规则的堆积成高度稳定的结晶纤维素，也就是植物细胞壁中的微纤丝结构，即纤维素的三级结构；纤维素微纤丝由18～24条纤维素分子链构成纤维素基本单位[2-8]。微纤丝中分子链有序堆积形成结晶结构，分子链无序堆积形成非结晶结构，多根微纤丝之间由于不同化学键的作用力，以不同方式排列形成一定的聚集态结构，即纤维素的超分子结构，也称之为纤维素的四级结构[9]。纤维素降解酶是由若干种相互关联的酶组成的一个复杂的酶系统，主要由内切葡萄糖苷酶（Cx酶）、外切葡萄糖苷酶（C1酶）和β-葡萄糖苷酶（CB酶）组成。其降解过程主要是由Cx酶在纤维素的非结晶部位进行切割，产生非氧化末端，然后再由C1酶以纤维二糖为单位，从末端进行水解，最后由CB酶将纤维二糖彻底水解为葡萄糖[10]。

半纤维素是植物细胞壁中仅次于纤维素的物质。半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体，包括葡萄糖、木糖、甘聚糖、阿拉伯糖与半乳糖等，各单糖聚合体间分别以共价键、氢键、酯键或醚键相连接，因而呈现稳定的化学结构[9]。半纤维素可以被降解为单糖和乙酸。降解半纤维素的酶主要有木聚糖酶、甘露聚糖酶、β-葡聚糖酶和半乳聚糖酶等，其中β-葡聚糖酶是饲料工业中应用较多的半纤维素降解酶，它主要由木霉、黑曲霉、米曲霉、枯草杆菌和地衣芽孢杆菌等微生物产生[11]。

木质素是以苯基丙烷为基本结构单元的芳香族高分子聚合物，单体之间通过醚键和碳碳键等相连接，形成一个无定型的三维空间网状结构。木质素与纤维素、半纤维素紧密结合，防止多余水分与有毒、有害物质进入细胞，可以支持保护植物细胞的生长；木质素填充在纤维素结构骨架中能够增强植物体的机械强度，有利于输导组织之间的水分运输，抵抗外界不良环境因素的干扰和侵袭；正是由于上述原因，木质素的结构非常稳定，不易被降解[12]。随着农作物秸秆的成熟，植物细胞壁中的木质素含量越来越高，进一步增强了植物体的坚实性。木质素的降解主要依赖细菌、真菌等微生物群落共同作用，其中真菌发挥了巨大的功效。降解木质素的真菌主要有白腐菌、褐腐菌和软腐菌，由于白腐菌降解木质素的能力较强，在生产中应用比较广泛。木质素降解菌还可以产生独特的木质素降解酶系，目前研究较多的是由白腐真菌产生的木质素过氧化物酶（简称Li P）、锰过氧化物酶（简称Mn P）和漆酶（简称Lac），这些酶系共同降解木质素。

由于秸秆的复杂难以降解性，酶解需要多种酶的协同作用，单一酶系降解时间较长且不彻底，通常将各种酶制剂混合，构成复合制剂来降解秸秆，以发挥各个酶系优势，达到快速降解秸秆纤维的目的。因此对于农作物秸秆，有针对性的添加适量的复合酶可以改善其营养物质的利用效果，便于破坏其结构，促进瘤胃微生物对粗纤维的降解，提高反刍动物对饲料的利用效率。

1.2 秸秆生物发酵的概念及其质地的改变

1.2.1 秸秆生物发酵的概念

生物发酵秸秆饲料就是在秸秆饲料中加入有针对性的活菌制剂，在密闭厌氧的环境中，这些微生物大量生长繁殖并分泌各种酶，通过降解多糖和木质素破坏其连接的共价键，一方面破坏秸秆难消化的细胞壁结构，使与木质素交联在一起的纤维素与半纤维素解脱束缚；另一方面又使秸秆细胞壁内可利用的碳水化合物和其他营养物质暴露出来，增加纤维素与消化液接触的机会，从而提高秸秆中可利用物质的消化率或瘤胃降解率，同时菌体自身生物量的增长又可提高真蛋白的含量[13]。

1.2.2 秸秆经过生物发酵改善饲用价值

农作物秸秆在生长过程中，纤维素-半纤维素-木质素形成疏水稳定的抗降解结构，该结构使微生物不能在短时间内将木质纤维素完全降解，意味着木质纤维素无法被动物直接高效利用。生物发酵秸秆饲料中常用的酶制剂主要有淀粉酶、纤维素酶、半纤维素酶，能有效降解秸秆中的抗营养因子。同时，生物发酵秸秆使用的菌种大多是同型发酵乳酸菌或异型发酵乳杆菌，可提高秸秆饲料的有氧稳定性，防止有机质流失[14]。除此之外，经微生物发酵处理后，秸秆饲料含有菌体蛋白、各种酶类、抑菌因子、维生素等菌体发酵代谢产物，具有一定的保健促生长功能[15]。反刍动物瘤胃内本身含有庞大的微生物区系，其中的纤维素分解菌系列可以通过分泌的复杂酶谱，降解纤维素。秸秆生物发酵过程中添加纤维素复合酶可以补充内源酶的不足，可以参加瘤胃内的生物活动，将纤维素和半纤维素分解为乙酸、丙酸、丁酸等挥发性脂肪酸（VFA），有益于秸秆饲料的适口性。反刍动物的能量约60%～70%来源于VFA，另一方面可以提高奶牛乳汁的脂肪含量，改善乳品质。

2 发酵秸秆的饲用价值的评定及提高饲用价值的手段

2.1 发酵秸秆的饲用价值的评定方法

饲料的化学成分分析只能表明饲料本身的营养价值，并不能表明他们在动物胃肠道中的利用程度。目前常用于评定反刍动物对粗饲料利用率的方法主要有体外法（in vitro）、半体内法（in situ）和体内法（in vivo）三种方法。

2.1.1 体外法

体外法包括酶解法、粪液法、溶解度法、产气法，目前常用的是体外产气法。体外产气法是在体外装置内，将待测饲料样与瘤胃液共同培养，培养结束后测定产生气体的速率和含量，并根据测定指标估计饲料营养价值的方法[16]。该法能够较真实地模拟饲料在瘤胃内的消化利用情况，但必须与其他测定指标相配合，技术细节、发酵底物和产气装置等对结果影响大。通常情况下，饲料中的有机物含量越多，瘤胃的产气量就越高。李袁飞等[17]利用体外产气法评定了15种饲料的营养价值并且对不同饲料组合的体外发酵特性进行了评价，结果表明，不同饲料组合，中性洗涤纤维与粗蛋白的比值（NDF/CP）越小，其发酵速度越快、降解速率越高。王芳等[18]通过体外产气法评定了三种能量饲料和三种粗饲料的营养价值，结果表明，能量饲料中玉米的GP24和DMD最高；粗饲料中苜蓿草粉的GP24和DMD最高。李文娟等[19]采用体外产气法对甘蔗副产物的营养价值进行评定，研究发现全株甘蔗的营养价值最高，其后依次为甘蔗叶、甘蔗渣，青贮和膨化技术对甘蔗副产物的营养价值具有改善作用。体外产气法操作简单，不过分依赖动物且自动化程度高，易用于大批量样品的测定。但是人工模拟瘤胃始终与动物真实瘤胃有差异，其饲料消化率测定结果也有差异。

2.1.2 半体内法

半体内法亦称尼龙袋技术，此法是将被测样品按照一定粒度粉碎后，装入特制尼龙袋中，经瘤胃瘘管送入瘤胃中培养，经过一段时间后取出，用自来水冲洗干净，烘干称重，测定尼龙袋中剩余残渣的瘤胃降解率[20]。此法的优点是可以将饲料的营养价值评定直接与反刍动物瘤胃内微生物的活动紧密联系起来，充分体现了反刍动物的消化生理特性。张永根等[21]采用粪液法和尼龙袋法测定牧草中的有机物和蛋白质降解率，发现两种方法的测定结果具有高度相关性。谢春元等[22]比较了尼龙袋法和体外产气法评定饲料营养价值的差异性，研究表明尼龙袋法更能直观地说明不同饲料的营养价值，但评价含有大量可溶物质的饲料时，将增加高估瘤胃中饲料降解率的风险。靳玲品等[23]用半体内法测定了6种粗饲料的NDF和ADF的瘤胃降解率，并对饲料NDF、ADF瘤胃降解率与营养成分之间的相关关系进行分析，建立了预测模型。尼龙袋技术虽然可以较真实地反映出饲料在瘤胃中的降解情况，但也存在一定的局限性，瘤胃食糜外流速度、尼龙袋孔径大小、粉碎粒度均会影响试验结果，且每批样品测定时间较长，测定数量少。

2.1.3 体内法

体内法又称活体法，是指选用活体动物测定饲料经其消化道后的消化率。体内法通常又分为全收粪法和指示剂法。因收粪部位不同，全收粪法又分为肛门收粪法和回肠末端收粪法。指示剂法分为内源指示剂法和外源指示剂法[24]。体内法测定瘤胃降解率比较准确，是验证半体内法和体外法测定结果的参考标准[20]。高晔等[25]通过全收粪法和指示剂法测定陕北白绒山羊日粮养分的消化率，结果发现全收粪法与Cr2O3法测定的陕北绒山羊日粮NDF、ADF消化率的相关性较高，其余养分消化率差异不显著。刘超逊等[26]采用酸不溶性灰分法、链烷烃C31法和全收粪法测定了象草、高粱秸和玉米秸在杂交山羊体内各养分的消化率，研究表明，三种方法测得的营养物质消化率差异不显著。陈瑶等[27]使用全收粪法和指示剂法测定肉牛日粮有机物的消化率，结果表明，全收粪法评定有机物消化率更为准确。体内法测定的消化率比较准确，具有可靠性和真实性，但操作繁琐，费时费力，不适于大批量样本的测定。

2.2 提高农作物秸秆饲用价值的手段

2.2.1 利用酶或复合酶提高饲用价值

许多研究表明，添加酶制剂能够改善秸秆饲料的营养价值。黄枭等[28]研究表明，用饲用复合酶制剂处理玉米秸秆，纤维素含量比对照组降低了30.0%，粗蛋白、粗脂肪、总糖的含量分别提高了28.7%、12.6%、37.2%。Indunil Pathirana等[29]用纤维素酶和木聚糖酶处理稻秸进行体外产气试验，结果显示，各处理组体外产气量和干物质消失率均显著高于对照组。Zimban⁃go C等[30]用体外产气试验表明，在高粗TMR中添加纤维素酶和木聚糖酶，DM、OM、NDF降解率分别比对照组提高了15.1%、15.65%、41.25%。同时，在秸秆饲料中添加酶制剂，还可以提高动物的生产性能。辛总秀[31]在饲喂绵羊的小麦秸秆中添加纤维素复合酶后，绵羊平均体重由28.02 kg增加到35.69 kg，比对照组多增加了37.70%。宋玉魁等[32]研究表明，在玉米秸秆青贮中添加酶制剂，可以提高玉米秸秆的营养价值，牛平均日产奶量比对照组提高了9.24%。蔡元等[33]以青玉米秸秆为原料，添加不同比例的酶制剂，进行绵羊饲喂试验，结果表明，各试验组日增重比对照组提高17.91%～27.42%，且以添加酶制剂含量较高一组效果最好。

2.2.2 利用活菌微生物提高饲用价值

微生物作用于秸秆的原理是特定的菌种能将秸秆中的纤维素、半纤维素、木质素等高分子碳水化合物分解为易被动物利用的小分子单糖或多糖，提高其在瘤胃中的降解率。Li等[34]利用布什乳杆菌和粪肠球菌处理玉米秸秆，半纤维素、纤维素分别比对照组降低了6.98%、3.34%。李飞等[35]经生物处理玉米、小麦、水稻秸秆后，其在牛瘤胃中的有效降解率分别比对照组提高了45.58%、64.70%和41.54%。许丽等[36]测定了玉米秸微贮后干物质和粗纤维在瘤胃中的降解率，结果发现，干物质和粗纤维的降解率分别比对照组提高了10.6%和18.8%。张立霞等[37]利用不同微生物菌株处理玉米秸秆，进行瘤胃降解率的动态测定，结果显示，各处理组玉米秸秆在0、6、12、24、48、72 h的降解率和有效降解率均大于对照组。陶莲等[38]使用三种不同微生物制剂处理玉米秸秆，与对照组相比，均能提高玉米秸秆青贮中的OM含量及72 h瘤胃降解率。孙文[5]用微贮玉米秸秆替代部分羊草饲喂育成牛，与仅饲喂羊草的对照组相比日增重提高7.8%。

2.2.3 利用酶制剂和活菌制剂提高饲用价值

单独加入酶或菌都能够提高秸秆中纤维素的转化效率，但酶和菌共同作用于秸秆，充分利用酶和菌的相互作用，秸秆的饲用价值可以取得显著效果。在秸秆中加入一定量的纤维素酶和乳酸菌，不仅可以降解秸秆中的纤维素，还可将释放的还原性糖转变为乳酸，抑制腐败菌的增长，改善秸秆饲料的品质。陈合等[39]利用菌酶共降解处理玉米秸秆，木质素、纤维素、半纤维素的降解率分别达到67.0%、60.4%、33.0%。谭树义等(2016)[40]报道，利用纤维素复合酶和乳酸菌处理玉米秸秆，可以显著提高试验组干物质和蛋白质含量，同时显著降低了pH值、丁酸和氨态氮的含量。傅彤[14]添加植物乳杆菌+戊糖片球菌+复合纤维素酶的复合制剂分别使全株玉米青贮（60 d）的NDF和ADF含量减少了15.8%和15.0%，并增加了全株玉米青贮24 h瘤胃DM消失率，对48 h瘤胃DM消失率无影响。纤维素酶在一定程度上可以改变秸秆质地，使其变得柔软，适口性提高，动物也喜采食[31]。金加明等[41]对玉米秸秆进行（粗酶液+酵母菌）处理后，发现试验组只均日增重比对照组高49.1 g，日增重提高51%，差异极显著（P＜0.01）。

3 小结

我国农作物秸秆资源丰富，采用正确有效的加工调制方法，可以缓解粗饲料资源的不足。生物法调制秸秆具有多重优点，是调制农作物秸秆的优先选择。目前，大多数学者主要是以改善秸秆营养品质、提高秸秆饲料利用率为研究重点，但是在秸秆生物处理过程中，秸秆细胞壁的破解程度与秸秆营养物质的相关性却鲜有报道。木质纤维素的特殊结构影响了秸秆在瘤胃中的降解效率，若能系统地从秸秆木质纤维素的微观结构出发，阐述其与营养物质、瘤胃有效降解率、表观消化率之间的相关性，将有助于秸秆饲料化的推进。利用生物发酵技术，开发出对动物生长有益的绿色廉价饲料，能够缓解我国饲粮短缺、人畜争粮的现状，对实现农业的可持续发展具有重大的意义。生物发酵秸秆技术是农业生物技术的核心组成部分，随着研究的深入，生物发酵秸秆饲料的应用前景必定更加广阔。