秸秆发酵饲料添加剂研究进展

李国祥，万发春，沈维军，闫景彩，王 祚

湖南农业大学动物科学技术学院，长沙 410125

我国秸秆资源丰富，2019 年我国秸秆产量达到8.5 亿t[1]，其中2.07 亿t 被废弃或焚烧，只有1.96亿t 被饲用，未得到有效利用。目前我国饲草年缺口约5.42 亿t[2]，饲料短缺和价格上涨超过了农民的承受能力，从而限制了畜牧业可持续发展。秸秆饲用是我国草食动物养殖之无奈选择，同时也是符合国情的必然选择。秸秆饲料化目前面对的难题，一是木质素降解困难，秸秆是由纤维素（30%～50%）、半纤维素(15%～35%)和木质素（10%～30%）通过共价键、氢键和蜡键等多种分子作用力连接组成的不溶于水的高分子化合物[3]，秸秆中木质素在最外层，其次是半纤维素，最里层是纤维素，纤维素被木质素和半纤维素紧密包裹，草食动物难以消化吸收；二是秸秆中的粗蛋白含量低，难以满足草食动物粗蛋白需要量。生物发酵技术与动物营养领域的联系越来越紧密，在秸秆发酵时添加一定量特定的高活性微生物，微生物及其产生的酶和代谢产物，可以实现体外降解秸秆中的木质素、提高粗蛋白含量、体内吸收利用的现代畜牧业养殖模式。目前被广泛用于秸秆发酵中降解木质素、提高秸秆消化率的高活性微生物有真菌制剂、细菌制剂、酶制剂，与细菌相比，真菌抗干燥能力强，菌丝能够机械穿插难降解的木质素蜡质层，胞外酶的分泌使其对纤维素、半纤维素和木质素都有很强的分解作用，是降解秸秆效率最高的微生物菌群，也是目前研究最多的降解秸秆的菌种。单一菌剂降解秸秆存在较多弊端，近几年筛选出的PCL-8、GF-20、LDC 等新型复合菌剂，其对秸秆的降解率分别达到43.65%、37.58%、44.4%[4-6]，这几种复合制剂能够提高秸秆降解率，也可以提高秸秆发酵饲料粗蛋白含量，比单一菌剂降解效果更好。水稻秸秆中的粗蛋白含量只有2.9%，玉米秸秆中的粗蛋白含量为5.0%，而草食动物粗蛋白需要量在7%[7]左右，在秸秆发酵中添加微生物、尿素可以提高粗蛋白含量，棉秸秆发酵添加产朊假丝酵母CU-3 可显著提高粗蛋白含量，最高可达9.14%[8-9]。本文将从木质素降解添加剂、纤维素降解添加剂、增加粗蛋白含量添加剂等方面进行分析。

1 秸秆发酵添加剂

1.1 木质素降解添加剂

木质素是秸秆的主要成分之一，与纤维素和半纤维素等物质紧密结合，约占总干物质的15%～30%[10]，它是由愈创木基丙烷结构单体（G）、紫丁香基丙烷结构单体（S）、对羟基苯基丙烷结构单体（H）通过不同类型的醚键和C-C 键连接组成的一种复杂的高分子聚合物（如图1 所示），其中以5-5’和β-5 为代表的共价键不易水解[11]。因此木质素很难被降解。目前应用的秸秆发酵剂中具有降解木质素功能的添加剂主要有真菌制剂、细菌制剂、酶制剂。

1）真菌制剂。目前研究最多的是白腐真菌、褐腐菌、软腐菌[12]。白腐真菌分泌出过氧化物酶、锰过氧化物酶以及木质素过氧化物酶，通过启动一系列自由基链式反应将木质素类高聚物之间的连接键断裂，使木质素解聚成一些分散的分子片段，再经过酶的催化作用彻底将其降解成二氧化碳和水分[13]，从而被菌体物质吸收。但是当微生物对木质素解聚作用饱和，再添加过量的降解物，也难以将木质素完全降解和转化，并且真菌价格偏贵，大规模用于生产成本高，从而生产上应用少。国外学者发现用真菌Fomessp. EUM1 预处理可以缩短发酵时间，从而有效降解木质素[14]。

2）细菌制剂。细菌价格便宜成本低，生产上的应用比较多，目前普遍用于木质素降解细菌制剂有变形菌门、厚壁菌门、放线菌门，其中厚壁菌门中的地衣芽孢杆菌和解淀粉芽孢杆菌的木质素降解率达24%[15]，近期发现的菌种Comamonas serinivorans C35[16]和菌种CCZU-WJ6[17]是优良细菌菌株，分别能分解44.4%和32.1%的玉米秸秆木质素，菌株通过攻击木质素分子中的苯环结构、测链结构、醚键以及C=O 等使其分解成细小片段，降解秸秆木质素。但细菌降解秸秆需要高温高湿的环境，室温下难以及时降解秸秆木质素。

3）酶制剂。木质素降解的酶制剂中最为重要的酶有漆酶、锰过氧化物酶、木质素过氧化物酶、多功能过氧化物酶和染料脱色过氧化物酶。其中的漆酶被认为是最有效的降解木质素酶，漆酶已在朱红密孔菌[18]等真菌中发现，对木质素降解率达44.72%。过氧化物酶从苯环上得到一个电子产生苯氧自由基，再通过链式反应产生其他类型的自由基，从而使木质素的主要化学键断裂，起到降解木质素的作用。市场上酶制剂价格20 元/kg 左右，适宜用于实际生产中。

研究发现复合菌剂比单一菌剂的木质素降解效果要好，秦雪丽[19]利用重组里氏木霉、彩绒革盖菌和黑曲霉进行协同发酵测试，水稻秸秆木质素分解率高达78.49%，但是漆霉活性单一发酵比混合发酵低，这可能是其他菌种的发酵限制了漆酶的活性。由2 种及以上的微生物复合培养的复合菌系也可以有效降解秸秆木质素，由放线菌（24.06%）、变形菌（36.98%）、酸杆菌（9.71%）、绿弯菌（10.64%）、拟杆菌（6.94%）、芽单胞菌（5.74%）等组成的GF-20 复合菌系10 ℃下的秸秆木质素降解率达30%[20]。由Clostridiales，Geovibrio thiopilus，Desulfomicrobium，Pseudomonas，Azoarcus，Thauera和Paenibacillus等复合成的LDC 复合菌系对木质素降解率达到36%～50%[21]。因此复合菌系已成为秸秆木质素降解的主流添加剂，未来的研究方向应该更多转向复合添加剂，研制出更经济实用的复合添加剂，在生产中根据实际情况选择合适的添加剂种类。

1.2 纤维素降解添加剂

秸秆中的纤维素是一种白色的纤维状结构的物质，由D-哔喃型葡萄糖分子通过β（1,4）-糖苷键连接而成的高分子链通过氢键组合成的大分子糖，如图2 所示[22]。每个葡糖糖分子含有5 个氢基，2 个用来脱水缩合，另外3 个为活泼的自由氢基，可发生酯化和醚化。重复的β-1，4-糖苷键与氢键网络结构使得纤维素很难溶解并发生反应，因此降解纤维素非常困难[23]。

1）酶制剂。目前纤维素酶广泛用于秸秆纤维素降解中，它存在于微生物、动物、植物体内，能将纤维素降解为单糖或寡糖的蛋白质。纤维素酶根据作用方式分为内切葡萄糖苷酶、外切葡萄糖苷酶与β-葡萄糖苷酶，如图3 所示[24]，内切葡萄糖苷酶作用于纤维素链的非结晶区，水解纤维素长链中的β-1,4糖苷键, 把纤维素大链分解成大量不同聚合程度的并且还带有非还原端的纤维素短链，少量内切酶发现于白蚁的体内。外切葡萄糖苷酶在大多数生物体内都存在，它在结晶区继续分解β-1,4-糖苷键，每次酶切下一个纤维二糖单位，β-葡萄糖苷酶最终将纤维二糖、纤维三糖及其他低分子纤维糊精分解为葡萄糖[25]。

2）细菌制剂。研究发现秸秆降解纤维素细菌主要包括芽孢杆菌属、短杆菌属、类芽孢杆菌属等，真菌的添加数量和发酵时间也有一定的要求。葛慈斌等[26]发现当枯草芽孢杆菌接种量达1%时，可有效降解纤维素，在玉米秸秆发酵中添加解淀粉芽胞杆菌FJAT-8754，纤维素降解率为30.5%。从黑山羊瘤胃中筛选出苍白杆菌、克雷伯氏菌、莴苣不动杆菌、肺炎克雷伯氏菌，加入稻秆发酵10 d 后，纤维素降解率分别为23.4%、20.2%、11.0%、37.7%[27]。对于不同的细菌制剂，我们需在实验时控制好添加剂量和发酵时间。

3）真菌制剂。主要有里氏木霉，适宜温度在24～32 ℃，顾斌涛等[28]在稻草秸秆中添加里氏木霉固态发酵，纤维素的酶解可达68.2%。马欣雨等[29]从腐烂的秸秆堆、牛粪中筛选出2 株细菌NX9、JX4，2 株放线菌NF6、JF3，1 株真菌JZ8，发酵玉米秸秆纤维素降解率分别达到30.7%、31.5%、49.7%、52.1%、30.7%，其中细菌NX9 是筛选出的秸秆降解能力最强、存活时间最长的菌种，其中纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别为49.7%、48.0%和35.3%。真菌制剂在其他农业废弃物降解上也有很好的应用前景。

1.3 增加粗蛋白含量添加剂

1）微生物。秸秆饲料中粗蛋白含量不足，添加微生物添加剂能够提高补充粗蛋白含量。李娟等[30]在玉米秸秆发酵中,以康宁木霉121、木霉167、绿色木霉11、假丝酵母菌混合发酵，发现粗蛋白含量提高3.15%～35.65%，其中混合发酵粗蛋白含量比单一添加粗蛋白含量提高31.49%。刘鑫阳[31]发现复合菌剂（甲基营养芽孢杆菌＋植物乳杆菌包埋球）在玉米秸杆发酵中粗蛋白含量较对照组提高了23.1%。郭萌萌[32]在试验中发现不同比例乳酸菌、酵母菌、芽孢杆菌和黑曲霉复合菌剂粗蛋白含量增加。当添加微生物，发酵后期由于菌种的竞争关系导致菌种死亡，释放菌体蛋白，导致蛋白质含量升高。王腾浩等[33]添加粪肠球菌和产阮假丝酵母2 种乳酸菌和酵母菌混合菌之后，发酵到48 h 之后粗蛋白含量达到峰值。一些研究中接种植物乳杆菌LC27906，降低pH 值、丁酸和氨氮浓度来提高发酵品质，提高乳酸和乙酸浓度，提高粗蛋白含量。虽然蛋白质需求量相对较少，但是从研究中可以看出复合菌系比单一菌种对提高粗蛋白含量更有效。

2）非蛋白氮。非蛋白氮是除蛋白质外一切含氮化合物的总称，其作用只是供给瘤胃微生物合成蛋白质所需的氮源，但并不能为动物直接供应生长代谢所需的能量。添加杜仲粉和尿素，可以提高玉米秸秆的粗蛋白含量，杜仲粉含量为3%时，非蛋白氮含量最高，尿素含量为0.6%时，非蛋白氮含量效果最优[34]。聂柱山等[35]发现尿素、硫酸铵、碳酸铵3 种非蛋白氮对玉米秸秆发酵可以增加蛋白氮含量。在添加高蛋白含量的尿素和杜仲粉时要注意添加剂量，这点极为重要。

2 秸秆发酵饲料添加剂存在的问题及展望

饲料添加剂的广泛使用提高了秸秆的消化率、适口性，增加了秸秆的营养价值，使其物尽其用。但我国自主筛选或选育秸秆发酵添加剂品种少、商品化低，添加剂只能从研究所或国外购买。目前已探明复合添加剂比单一添加剂发酵效果好，新型复合秸秆发酵添加剂已经成为主流，如复合添加PCL-8既能有效降解木质素又能降解纤维素。但复合菌制剂对发酵条件要求比较高，工艺繁琐，生产成本高，且复合发酵是否存在不同单一菌制剂之间的竞争、拮抗、抑制等问题需要进一步研究。我国的秸秆发酵添加剂大多只是停留在实验研究中，未能广泛用于实际生产中的秸秆发酵，还需进一步与实际生产结合，解决实际问题。

目前，国内关于秸秆腐解菌剂的研究主要集中在筛选和构建具有协同高效降解能力的混合菌群、产酶条件优化、微生物固定化等方面。我们可以筛选优良微生物菌种，进一步研究复合添加剂、酸化剂、酶制剂的使用效果，确定添加含量、时间、温度、复合类型等，丰富我国秸秆发酵添加剂品种，为添加剂的生产应用打好基础。在广大科研人员的努力下，我国秸秆饲料添加剂的类型将更丰富、效果会更好，秸秆饲料化会取得更大的成果。