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粗饲料微生物发酵剂研究及进展

2019-2-18 21:40:13      点击:
   地球上最丰富的多糖物质是纤维素,世界上50%的生物量来自天然纤维素,估计年产量在100亿吨~500亿吨。我国的纤维素资源极为丰富,每年秸秆产量在5.7亿吨,占世界秸秆总产量的20%~30%,然而用作饲料的不足10%。如果能充分有效地利用这些资源,将成为缓解当今人类面临的粮食、能源、环境三大危机,实现农业可持续发展的重要途径之一。但由于秸秆饲料粗纤维含量高,蛋白质、矿物质含量低,畜禽消化率低,适口性差,从而限制了它的应用。在饲喂动物时必须进行预处理,以提高营养价值和适口性。预处理包括物理、化学、生物方法。目前,对纤维素的降解利用主要采用生物手段,即采用能分泌有效酶类的微生物来降解纤维素。

 

  微生物发酵粗饲料的机理

  作物秸秆等低质粗饲料的主要成分是纤维物质,中性洗涤纤维约占干物质的70%~80%;酸性洗涤纤维约占干物质的50%~60%,而粗蛋白的含量很少,仅含3%~6%。中性洗涤纤维包括纤维素、半纤维素、木质素,是植物细胞壁的主要组成部分,随着植物细胞的老化,细胞壁变厚,中性洗涤纤维就成为秸秆的主要组成。纯的纤维素能较容易地被瘤胃微生物降解,但由于木质素密实的结构很难被瘤胃微生物降解,同时上述老化的细胞壁主要成分之间存在很强的结合键抵抗微生物的消化,使纤维素在瘤胃中的消化率很低。

  因此,要提高秸秆的消化率,关键是降解木质素,保留纤维素。在发酵过程中,微生物大量生长繁殖,分泌出各种酶。这些酶通过降解多糖和木质素,破坏其连接的共价键,一方面破坏了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和半纤维素游离出来;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,增加与消化液接触的机会,从而提高秸秆消化率或瘤胃干物质降解率。而菌体自身生物量的增长又可以提高蛋白含量。

  当用微生物发酵以求提高秸秆消化率时,应选择能降解木质素的微生物,以真菌效果较好。当用农作物秸秆生产单细胞蛋白时,应选择能降解纤维素和半纤维素的微生物,因为农作物秸秆内纤维素和半纤维素的含量高,生产单细胞蛋白时提供的能量多。

 

  微生物菌种的选择

  因发酵料的营养要求、发酵工艺和原料的不同而有差异。

  菌种的要求 最初多采用单菌种发酵,后来有研究者发现多菌种混合发酵效率更高,但对相应的菌种提出了更高的要求。

  1.能够分解纤维素。

  2.能够利用有机氮转化为菌体蛋白,合成和分泌更多的营养物质。

  3.能够改变原料的适口性。

  4.能够产生多种分解酶。

  5.不产生有毒物质。

  6.具有促生长快的优势特性。

  7.菌体耐性高,不容易自溶分解。

  8.如果用固体好氧发酵,注意选用耐高温的菌株。

  菌种的组合菌种在组合上应包括纤维素分解菌、氮素转化菌、增加适口性的菌。木质素分解菌有侧孢霉、白腐真菌等。目前,国内外报道产纤维素酶的优良菌株多为木霉属,如木霉、康宁木霉、绿色木霉、长柄木霉,也有用曲霉、白曲霉、黑曲霉、宇佐美曲霉。蛋白的提高用酵母如近平滑假丝酵母、产朊假丝酵母或白地霉、热带假丝酵母、啤酒酵母、酿酒酵母。添加乳酸菌可抑制杂菌生长并改变适口性。如果原料中使用了动物加工下脚料,还应加入产蛋白酶活力较高的菌种。如果使用饼粕类,必须加入脱毒菌株。但必须注意菌种之间的相溶性。

  菌种的改良一般采用紫外诱变,选育出高酶活或转化能力强的菌株作为生产菌种。研究者曾采用紫外线、甲基磺酸乙酯交替和复合诱变康氏木霉,获得能较好降解纤维素的突变株。对分离、诱变的菌株必须进行毒性试验,确定不产生有毒物质后方可使用。

 

  微生物发酵秸秆饲喂动物情况

  研究者采用真菌、酵母和白地霉共同发酵稻草,可使粗蛋白提高224.98%,纤维素、半纤维素降解率分别为29.49%、17.58%。研究者用青霉、白地霉等发酵玉米秸秆后,粗蛋白提高259.6%,纤维素、粗纤维素降解率由38.17%下降到36.07%。试验证明康氏木霉和热带假丝酵母发酵稻草,产物的粗蛋白增加量达到18.86%,同时粗纤维含量下降14.6%。

  据研究报道,秸秆生化培养剂发酵稻草,蛋白质可提高2.60%~3.5%,粗纤维可降低12%~16%,饲喂肉牛后日增重达到500克~1833克。研究者曾用发酵活干菌处理秸秆,其粗蛋白提高2.4%,饲喂肉牛日增重提高73.5%。又用多种菌株双重发酵花生壳和麦草,发现粗纤维降解率达46.21%,粗蛋白提高16.93%,用其喂育肥猪,可使生长速度提高16.2%(P<0.05),饲料转化率提高7.86%。但饲喂育肥猪时秸秆添加量不宜过大。生物处理玉米秸秆饲喂绵羊,可使其表现消化率提高35.3%,采食量增加(P<0.05),同时提高羊的增重(P<0.01)。

 

  影响微生物发酵的因素

  原料的处理首先是秸秆的粉碎,其目的是提高微生物和原料的接触面积、释放原料中的营养物质、使动物容易消化。但若粉碎过细,不仅增加动能消耗、使工作环境的粉尘难于处理,而且发酵过程中因通风不足容易引起酸败菌大量繁殖。若粒度过大,纤维降解菌无法越过植物秸秆表面的蜡质或硅质接触纤维素使纤维降解率降低,秸秆中的营养物质也无法释放,微生物生长缓慢,严重影响发酵过程,动物无法利用。

  其次要求发酵底物应有合理的CN比和生物因子,以及长效和短效物质的比例。碳源物质除来源于原料中提供的小分子物质外,剩下的主要来自纤维素的降解,其最初的降解产物并不能满足生长菌迅速生长的需要,何况纤维素降解菌最初也需要营养物质,所以发酵初期要加入容易利用的物质作为发酵的启动初始因子。氮源物质大多使用尿素、硫酸铵、磷酸铵、硝酸铵或氯化铵。对康宁木霉、绿色木霉、木霉、黑曲霉适合的氮源是磷酸胺,宇佐美曲霉适合的氮源是尿素。尿素和硫酸胺的添加量与发酵产物的真蛋白含量呈抛物线的关系,且以尿素效果较好。当尿素添加量为2%时,发酵产物的真蛋白含量最高。但试验表明,加氮量与粗蛋白提高幅度呈正相关,却与白腐真菌的生长呈负相关,尿素添加量不宜高于秸秆干物重的1%。试验表明康宁木霉和长柄木霉对氨的耐受性分别为0.33%和0.48%(以硫酸铵计)。

  除了以上的比例外,还要注意生长刺激物质和生长因子的使用,另外如果菌种拌合不均匀,尤其是无机添加物拌合不均匀,就会使局部烧料而其他地方营养不足。

  生产方式的选择发酵的方法有厌氧发酵和好氧发酵两种,生物秸秆的厌氧发酵多见于用人工瘤胃微生物发酵法和青贮法,现在的生产以好氧发酵者居多,且采用丝状真菌固态发酵。固体发酵设备投资少,无废水产生,发酵后的产物既富含酶类,又富集了菌体蛋白,可全部用于饲料,后处理简单,且无环境污染,但适口性较差。采用好氧固体发酵的生物秸秆饲料,要在60℃干燥,以及时固定蛋白质,防止营养物质流失。颗粒度不符合饲料要求的,须进行粉碎。

  发酵条件的控制温度、时间、水分等因素及其交互作用对玉米秸秆发酵有显著影响,而温度是首要因素。一方面随温度上升,细胞中的生物化学反应速率和生长速率加快;另一方面机体的重要组分,如蛋白质、核酸等对温度都较敏感,若温度升高,它们可能遭受不可逆的破坏。温度过高会降低秸秆木质素的降解率和瘤胃干物质消化率;温度过低,会导致固体发酵进度缓慢。根据报道,绝大多数真菌的发酵温度为25℃~35℃。

  如果用真菌固体发酵,最好原料的pH值调为酸性环境,这样有利于真菌的生长而抑制细菌的滋生。实际生产中固体发酵接种时不必考虑秸秆基料的pH值,因为其可在发酵早期产生大量的有机酸,使秸秆的pH值降低,为后期发酵创造适宜的酸性环境。

  水分含量过低会使菌丝的生长受到抑制。试验表明增加水量,蛋白质产率增大。但水分含量过高会影响氧气通入和产生的二氧化碳排除以及热量的散失,对菌株的生长也不利。真菌固体发酵秸秆的总水分应控制在65%~70%,并且含水量过大不但制曲时容易污染细菌而使料温急剧上升,造成种曲不纯,而且菌丝吃料缓慢不易形成孢子,种曲制成后不易干燥,严重影响了种曲保藏。

  要缩短发酵周期,就要考虑所用的发酵菌种和发酵工艺。研究认为:混合菌接种时间对菌种的产酶效率具有明显影响,从而导致玉米秸秆中纤维素利用率的提高。用显微镜观察细胞计数发现微生物的生长处于稳定期时,应及时地出料,防止微生物自溶使蛋白降解,降低产品质量。据报道,粗酶15天~20天,侧孢霉4天~5天,真菌大多数为好氧或兼性厌氧菌,因此无须密封秸秆,发酵期为10天左右。而试验发现:木霉、康宁木霉、绿色木霉在60小时~72小时达产酶高峰,宇佐美曲霉、黑曲霉产酶高峰约在72小时~84小时。试验确定白地霉、热带假丝酵母、长柄木霉及曲霉的最佳发酵时间为72小时。

 

  微生物发酵农作物秸秆存在的问题及研究热点

  研究者认为微生物发酵秸秆面临三大困难:一是秸秆的纤维素、本质素与蜡质紧密结合在一起,防止和降低了各种酶的活性;二是难以选育纤维素酶产量高的菌种;三是必须解决发酵过程中降解终产物对酶的合成及其活性产生反馈抑制的问题。研究发现:如果菌种选择不当,会造成瘤胃微生物菌群的紊乱。由于干枯秸秆中不含胡萝卜素,所以会造成维生素A缺乏症,使牛的生长速度变慢和母牛的繁殖率下降,因此应在日粮中添加维生素A;同时秸秆在瘤胃中被消化后的终产物主要是乙酸。但从可供小肠吸收的葡萄糖量分析,仍不能满足能量和日增重的需要,因此还应在日粮中保证有一定数量的精料,在有条件的牛场可采用对玉米等高淀粉精料进行过瘤胃保护的技术,以降低淀粉在瘤胃中的降解率,增加进入小肠的淀粉量。

 

  微生物发酵农作物秸秆主产蛋白饲料的应用前景及展望

  从秸秆生物转化的目的性看,半纤维素和木质素的降解比纤维素的降解更有意义。基于上述研究进展及现状,有关微生物发酵秸秆的近期研究开发重点拟侧重于如下方面:

  1.对木质素、纤维素酶基因的结构组成及调节机制的研究。

  2.对木质素、纤维素酶的分子结构及作用机理的研究。

  3.对热纤梭菌及热解糖梭菌的分离、改造及开发研究。

  4.采用分子生物学方法构建具有木质素解聚糖酶基因和纤维素酶基因的工程菌。

  5.有关微生物发酵农作物秸秆生产蛋白饲料生产配套工艺的研究。