实现秸秆发酵饲料产业化--秸秆发酵饲料技术原理与应用

实现秸秆发酵饲料产业化--秸秆发酵饲料技术原理与应用 实现秸秆发酵饲料产业化 ——秸秆发酵饲料技术原理与应用示范 秸秆加工利用的意义不言而喻。从政府角度讲:秸秆加工处理减少焚烧带来的空气污染;秸秆加工成饲料可减少饲料用粮，解决人畜争粮问题。从养殖业角度，提高秸秆营养价值，节省饲料用粮和饲料蛋白，降低养殖成本，提高经济效益。 人们的愿望:利用发酵秸秆饲养畜禽，节省部分饲料用粮，降低饲养成本，增加经济效益。 畜牧业节省1斤粮食 = 农业多生产1斤粮食。解决人畜争粮问题。 现实养殖中: 为什么牛羊可以食草长肉, 为什么奶牛可以食草生奶, 为什么牛羊反刍动物可以饲喂尿素节省饲料蛋白, 当然，人们更希望猪禽也能食草长肉生蛋～ 关于秸秆的利用问题一直受到各级政府部门和诸多专家的重视，也研制生产出了众多的菌剂产品。那么我们此项技术的总体水平、理论依据和技术可行性究竟如何, 任何一项行之有效的技术措施必须有充分合理的理论依据，利用发酵秸秆替代部分饲料用粮和饲料蛋白，必须建立在有其它相应的营养物质存在的基础之上，否则为无源之水～我们所创立的秸秆发酵饲料及畜禽养殖技术体系就是模拟反刍动物瘤胃微生物作用原理创立的体外人工瘤胃发酵技术。 一、秸秆发酵饲料技术项目可以概括为 模拟瘤胃微生物发酵原理、创立体外人工瘤胃发酵技术、降解木质纤维素产生有机酸、利用无机氮源合成菌体蛋白、节省饲料用粮和饲料蛋白、降低饲养成本提高养殖效益。即1项应用技术、2个理论依据(瘤胃微生物发酵利用木质纤维 1 素、瘤胃微生物吸收利用无机氮合成菌体蛋白)、产生2个重要的基础营养物质(挥发性脂肪酸、菌体蛋白)、3个方面的效果(即开拓利用秸秆发展养畜空间、节省30%,50%粮食和40%,70%蛋白饲料、并有效防治肠道疾病)。 为什么反刍动物能够利用纤维素中的能量, 为什么反刍动物能够利用非蛋白氮减少蛋白饲料的用量, 大量研究明，反刍动物的瘤胃微生物在对粗纤维的消化和非蛋白氮的分解利用过程中起着重要作用。 二、瘤胃微生物 在反刍动物的瘤胃中栖息着复杂多样的各种微生物，包括瘤胃原虫、瘤胃细菌和瘤胃厌氧真菌等。它们按形态和功能分为: 1、纤维素降解细菌: 有瘤胃球菌(Ruminococcus)、产琥珀酸丝状杆菌(Fibrobacter succinogenes)等，主要发酵产物为琥珀酸、乙酸和甲酸。该类菌具有很强的降解纤维素的能力，是瘤胃中主要的粗纤维降解细菌。 2、淀粉降解菌: 有牛链球菌(Streptococcus bovis)、嗜淀粉瘤胃杆菌(Ruminobacter amylophilus)等菌株。牛链球菌在瘤胃中广泛存在，能降解淀粉，但不能降解纤维素，发酵产物为乳酸。嗜淀粉瘤胃杆菌主要发酵底物为淀粉，是瘤胃中主要淀粉降解菌之一。 3、蛋白降解细菌: 除了主要的纤维素降解菌株外，大多数瘤胃细菌都具有某些蛋白酶活性。嗜淀粉瘤胃杆菌(R. amylophilus)是目前已知的蛋白降解活性最高的菌株之一，因为它也有淀粉分解能力，所以被认为在动物淀粉日粮消化中起重要的作用。 4、乳酸产生菌: 乳酸是瘤胃中重要的中间代谢产物，它可由很多细菌菌株产生，但日前一般认为瘤胃中产生乳酸较多的是牛链球菌(Streptococcus bovis)和乳酸杆菌(Lactobacillus)。 5、酸利用菌: 2 可利用乳酸的细菌有反刍兽新月形单胞菌(Selenomonas ruminantium)、埃氏巨球形菌(Megasphaera elsdenii)等。该类菌株可利用葡萄糖、乳酸生长，乳酸发酵主要产生丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸。 6、瘤胃厌氧真菌: 瘤胃厌氧真菌能产生一系列的纤维素酶和半纤维素酶，主要为木聚糖酶和酯酶，以及果胶酶等。瘤胃厌氧真菌不能进行有氧呼吸，只能通过厌氧发酵获得能量，发酵底物含有的能量部分转化成发酵终产物，如乙醇、乳酸、甲酸等。 三、瘤胃微生物的消化作用 1、碳水化合物的消化 瘤胃微生物产生的α-淀粉酶、果聚糖酶、半纤维素酶和纤维素酶等，可将纤维素、可溶性糖(如淀粉)逐级分解至葡萄糖，再经发酵最终产生挥发性脂肪酸(VFA，主要为乙酸、丙酸和丁酸)、乳酸、二氧化碳等产物。 挥发性脂肪酸大部分在瘤胃内被吸收利用。反刍动物可以利用所吸收的乙酸与丁酸合成乳脂。另外，微生物还可以利用分解纤维素所产生的单糖或双糖合成自身的糖原，贮存于菌体内，在微生物进入皱胃和小肠后，这些糖原又可成为宿主动物的葡萄糖来源之一。 2、蛋白质的分解与合成 日粮中的蛋白质有50%以上可被瘤胃微生物的蛋白酶分解为氨基酸，后者在微生物脱氨酶的作用下生成氨、二氧化碳和有机酸。随后在有能量供应的条件下，微生物利用碳水化合物分解的代谢产物作为碳架，与氨合成氨基酸，重新转变为微生物菌体蛋白，随后再被动物消化和利用。 瘤胃微生物也可直接利用非蛋白氮(如尿素和铵盐等)合成氨基酸，然后转变为菌体蛋白质。 反刍动物最大的营养特点就是能够借助瘤胃微生物的作用，利用日粮蛋白(或非蛋白氮)降解产生的氨、肽和氨基酸作为氮源，利用日粮碳水化合物发酵产生的挥发性脂肪酸(VFA)和ATP分别作为碳骨架和能量合成微生物菌体蛋白(MCP)。 3 日粮中的碳水化合物(包括淀粉、纤维素、半纤维素等)在瘤胃微生物的作用下生成乙酸、丙酸、丁酸等挥发性脂肪酸(VFA)，这些挥发性脂肪酸是反刍家畜主要的能量来源，可以满足宿主动物总能量需要的70%,80%。微生物菌体蛋白是反刍动物最主要的氮源，能提供蛋白需要量的40%,80%。 四、瘤胃微生物对碳水化合物的降解机理 通常淀粉(粮食)作为畜禽重要的能量来源。对于反刍动物，由于淀粉在瘤胃中大部分被瘤胃微生物所降解，所以也是瘤胃微生物生长的重要能量来源。 关于淀粉的代谢过程大家都比较熟悉，但对于纤维素由于不同的组成结构造成了功能上的巨大差异。纤维素虽同淀粉和糖原一样是由葡萄糖构成的，但其葡萄糖分子间的连接方式却有所不同，淀粉和糖原分子组成中的葡萄糖是D-葡萄糖以α-1，4糖苷键相连接，而纤维素则是D-葡萄糖以β-1，4糖苷键相连接。 纤维素的降解需要一系列酶的协同作用，而这些酶均可由瘤胃微生物所产生。纤维素酶能催化纤维素的水解反应，从而打开纤维素的糖苷键，得到最终产物——D-葡萄糖。目前所知纤维素酶由C1酶、Cx酶和β-葡萄糖苷酶(纤维二糖酶)组成。C1酶主要是破坏结晶纤维素，使其活化，Cx酶则将经C1酶活化的纤维素分解成纤维二糖，最后由β-葡萄糖苷酶水解纤维二糖为葡萄糖。 纤维素酶作用模式图 4 纤维素水解模式图 在反刍动物的瘤胃中，碳水化合物(包括淀粉、纤维素等)的降解可分为两个阶段: 首先是复杂的碳水化合物在各种酶的作用下降解成简单的糖类;然后这些简单的糖类迅速被微生物利用转化成丙酮酸，丙酮酸再经过各种代谢途径进行发酵，发酵终产物主要有乙酸、丙酸、丁酸、甲烷等。 多糖降解产生丙酮酸的主要途径 5 瘤胃中丙酮酸代谢的主要途径 刍动物对饲料碳水化合物(包括纤维素、半纤维素、淀粉等)的吸收主要以挥发性脂肪酸(VFA)的形式进行。研究表明，VFA约占反刍动物吸收总能量的70,左右，因而，VFA在反刍动物碳水化合物营养中占有重要地位。 五、瘤胃微生物利用无机氮源合成菌体蛋白的机理 反刍动物瘤胃中有大量微生物，决定了其对饲料有独特的消化生理特点。随着反刍动物营养学研究的深入和饲喂技术的发展，尿素等非蛋白氮(NPN)已广泛应用于牛羊的生产中，可部分代替饲料中的天然蛋白质。 瘤胃微生物能分解饲料中的纤维素，同时，反刍动物也可利用微生物产生的脲酶，将饲料中加入的非蛋白氮(NPN)分解成氨和二氧化碳，然后微生物利用氨作为氮源，与饲料中碳水化合物分解产生的酮酸共同作用，合成微生物菌体蛋白。 经研究分析发现:瘤胃中40余种瘤胃细菌对氮源的要求，其中 80%的菌株能够利用氨态氮作为唯一氮源生长，26%的菌株必须依靠氨态氮生长，55%的菌株既可以利用氨态氮，也可以利用氨基酸氮生长。 6 这些菌体蛋白(MCP)有很高的营养价值，其提供的氨基酸占反刍动物小肠内氨基酸总量的40%,80%，并具有相对稳定的氨基酸类型与配比。菌体蛋白在胃肠蛋白酶的作用下，被分解为氨基酸，从而在小肠中被吸收利用。 在反刍动物饲料中经常加入尿素等无机氮源，以增加动物对氮素的利用率。饲料中的尿素不能被动物直接吸收，而是进入瘤胃后在脲酶的作用下，分解为氨和二氧化碳。瘤胃微生物再利用氨合成菌体蛋白，菌体蛋白进入真胃和小肠后被吸收。 反刍动物利用尿素非蛋白氮的过程 饲料添加剂品种目录(中华人民共和国农业部公告 第1126号2008) 非蛋白氮:尿素、碳酸氢铵、硫酸铵、液氨、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、缩二脲、异丁叉二脲、磷酸脲。 适用范围:反刍动物 但是，单胃动物不能直接利用非蛋白氮，只有通过微生物的发酵形成菌体蛋白，才能被吸收利用。 根据上述原理秸秆发酵饲料技术概括为: 模拟瘤胃微生物发酵原理; 7 创造了体外秸秆发酵技术。 给猪禽增添一个人工瘤胃; 让牛羊再造一个人工瘤胃。 用秸秆纤维素替代淀粉能量; 合成菌体蛋白节约蛋白饲料。 有效利用秸秆资源发展养殖。 六、秸秆发酵的研究与利用状况 利用微生物发酵秸秆可以使秸秆中的纤维素、半纤维素得以降解，其降解产物可以进一步被酵母菌等微生物利用，转化成优质的菌体蛋白。不仅可以提高粗纤维、果胶和蛋白质的利用效率，而且产生的多种有机酸能够软化秸秆、改善秸秆的适口性，使畜禽采食量提高，显著提高其生产性能，节约饲养成本;同时，含有的多种有益微生物对改善瘤胃微生物发酵、调整胃肠道的微生态平衡、防治肠道疾病具有重要作用。 目前常见的秸秆微生物发酵菌剂中含有:乳酸菌、酵母菌、丝状真菌、芽孢杆菌四大类，各有其特点和用途，但主要目的和作用是改善秸秆的适口性和调整动物胃肠道微生态平衡。 目前常见的秸秆微生物发酵菌剂中含有:乳酸菌、酵母菌、丝状真菌、芽孢杆菌四大类，各有其特点和用途，但主要目的和作用是改善秸秆的适口性和调整动物胃肠道微生态平衡。 (1)乳酸菌: 乳酸菌发酵产生乳酸能够软化秸秆、改善发酵饲料的适口性、提高采食量，并且达到保护饲料的目的(降低pH)。但乳酸菌产生分解酶的能力较低，产生的乳酸又不能改变秸秆粗纤维的结构，因此，对动物消化率的提高影响不大。 (2)酵母菌: 酵母菌在有氧的条件下细胞大量增殖，利用其它微生物发酵产物，合成自身蛋白质和B族维生素等营养成分。酵母细胞一般含蛋白质50%左右，是很好的蛋白饲料。酵母菌在无氧条件下进行酒精发酵，使发酵饲料具有特殊的酒香味。 8 但酵母菌本身一般不能产生分解秸秆纤维素的各种酶类，只能利用其它微生物分解秸秆后产生的单糖等代谢产物合成菌体蛋白，因此，在生产实际中多用于和其它微生物配合使用，提高蛋白质的合成效率。 (3)丝状真菌: 主要包括曲霉和木霉，如黑曲霉、米曲霉、康氏木霉等，此类菌株能产生多种纤维素酶、蛋白酶，可对秸秆中的粗纤维进行有效降解，但丝状真菌主要是通过固体发酵方式制备菌剂，发酵过程粗放，产品质量不稳定。 重要的是丝状真菌为耗氧菌，在厌氧条件下不能生长(如在秸秆物料堆深处)，所以在秸秆生料中的生长势弱，易造成杂菌污染，致使秸秆发酵失败。 (4)芽孢杆菌: 近来研究的热点是芽孢杆菌，芽孢杆菌具有较高的蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、纤维素酶活性，对粗纤维具有较强的降解能力。 更重要的是芽孢杆菌能产生芽孢，便于菌剂的工业化生产。且芽孢杆菌为兼性厌氧菌，繁殖快，生长势强，发酵秸秆生料易获得成功。另外，芽孢杆菌菌体进入动物肠道后能迅速消耗大量氧，保持肠道的厌氧环境，抑制致病菌的生长，维持肠道正常微生态平衡。 总的来讲，目前关于秸秆饲料发酵应用技术尚处在发展过程中，存在的问题可以概括为三个方面: 、基础研究严重不足 1 秸秆发酵离不开微生物的作用，但目前对用于秸秆发酵的微生物种质资源和发酵机理缺乏系统的研究，对秸秆纤维素的降解与利用机制、微生物利用无机氮源合成菌体蛋白也缺少深入研究。 2、秸秆发酵菌剂的生产有待于实现工业化 对用于秸秆发酵的微生物的系统研究一直是一个薄弱环节，严重影响了菌剂的生产和作用效果。集中表现为: (1)目前已确定的在我国适宜作饲料添加剂的菌种种类还太少，且菌种的发酵活力低 9 现仅规定乳酸杆菌、芽孢杆菌、白腐菌、酵母、曲霉、木霉和青霉等少数菌种可用作饲料添加剂。另外，对微生物菌种作为饲料添加剂和发酵剂的要求是应该有很大区别的。 (2)生产菌株稳定性差 菌剂从生产到实际应用，所处的环境大不相同，在营养状况、环境温度、pH等方面都发生了变化。首先面临的是菌剂失活问题，从而无法保证菌株正常发挥功能，致使实际应用效果大打折扣。所以要获得高稳定性的菌剂，需要在优良菌株的筛选、高活力菌剂的发酵工艺、菌体保护等关键技术方面获得突破。 (3)菌剂生产工艺多数不成熟 主要表现为制剂中的活菌菌数不够等问题。菌剂的活性是最重要的，但由于发酵和后处理生产工艺的不成熟往往使生产、保存中的活菌率低，影响了使用效果。 (4)国家相关法规的制定迟后 到目前为止，国家还没有出台关于微生物饲料添加剂生产和使用的强制性执行(仅规定了那些菌株可以使用，但无生产标准)，更无用于秸秆发酵菌剂的生产标准。 3、宣传不当 今年来许多生产厂家为了宣传其产品，夸大了秸秆处理技术水平和秸秆利用价值。如秸秆中粗蛋白质含量是以含氮总量推算的，如果不添加N原料，秸秆无论怎样处理，其蛋白质总量不会发生改变，只有在微生物利用添加的氮源转化成菌体蛋白才是真蛋白。 可以说:目前的秸秆处理技术真少伪多，严重影响了人们对秸秆发酵技术和发酵饲料的认识。 七、关于发酵秸秆菌株的选择标准问题 用于秸秆发酵的菌株必须符合下列条件: 1、菌株必须是芽孢杆菌，否则很难保证产品的质量稳定 10 选用芽孢杆菌菌株进行液体深层发酵，菌体在培养后期诱导形成芽孢。由于芽孢具有抗高温、抗干燥、耐酸碱、贮存期长等特性，使其能在干燥过程中保持了高稳定性，保证了菌剂的活性，延长了菌剂保质期。 不同的菌种的高温的耐受力差异较大，芽孢杆菌耐受力最强，110?下5 min损失只3,,5,，而在80?下5 min，乳酸杆菌、酵母菌损失70,,80,。一般制粒80?,100?对芽孢杆菌影响很小，对乳酸杆菌、酵母菌和粪链球菌等影响较大。 目前在秸秆发酵中使用的产酸菌株有嗜酸乳杆菌、乳酸乳杆菌、植物乳杆菌等。这些菌株均不产生芽孢，发酵菌剂均使用菌体制备而成，所以菌剂的活性保存期短，一般不超过半年，产品质量不稳定(活菌数迅速降低)，严重影响了使用效果。 根据上述弊端，我们在反刍动物肠道内容物和粪便中筛选出了能够产生有机酸、产生纤维素酶的芽孢芽孢杆菌菌株，优化了芽孢发酵条件，制备了发酵菌剂(芽孢粉)，用于秸秆发酵。芽孢干粉保存期长，保存2年以上活菌数没有明显降低。 2、菌株分泌的分解酶活性高，能够有效降解秸秆中的粗纤维 检测了4种主要酶的活性:纤维素酶系(分解纤维素)，木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶(3种酶联合作用降解木质素)。筛选出的菌株酶活性高，如其中1株枯草芽孢杆菌菌株的木质素过氧化物酶活为1660U/mL，锰过氧化物酶1760U/mL，漆酶150U/mL。 由于目前尚没有秸秆饲料发酵菌剂的国家标准，可参考有机物料腐熟剂的国家标准(秸秆腐熟后用做肥料)做一对比分析:秸秆腐熟剂国标规定纤维素酶活力?30U/mL即可，我们所筛选出的菌株酶活性大大超过国家标准。 3、菌株能够有效地利用无机氮源合成菌体蛋白 在秸秆物料中加入一定量的无机氮源供菌体生长合成菌体蛋白之用，由此提高了发酵秸秆的粗蛋白含量。要求筛选出的菌株对无机氮的利用率达到98%以上，发酵秸秆中基本无有利氨残留。 11 4、发酵秸秆后能产生足够量的挥发性脂肪酸 挥发性脂肪酸一方面使发酵后的秸秆保持低pH，利于发酵秸秆的保存，避免二次发酵;更重要的是挥发性脂肪为动物的能量物质。经检测，发酵后的秸秆中挥发性脂肪酸总含量达到了90,110g/Kg?干发酵秸秆，在节省粮食的前提下为畜禽生长提供了能量来源。 5、菌株的安全性 1989年美国食品与药物管理局(FDA)和美国饲料公定协会(AAFCO)公布的可安全用于微生态制剂的微生物菌种有43种，欧洲市售的微生态制剂约50种。2003年国家农业部公布了15种(类)可使于饲料添加剂的菌种:地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、双歧杆菌、粪肠球菌、屎肠球菌、乳酸肠球菌、嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌、乳酸乳杆菌 、植物乳杆菌、乳酸片球菌 、戊糖片球菌、产朊假丝酵母、酿酒酵母、沼泽红假单胞菌。我们所使用的菌株有枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、酵母菌菌株，均在国家规定范围之列，使用安全。 八、关于菌剂的生产工艺问题 1、芽孢发酵生产工艺 采用20吨发酵罐发酵培养，发酵周期短(13,15小时)，终期芽孢数量高，达到30,50亿/mL以上，芽孢形成率达到90%以上。保证了后续的干燥工艺。 2、离心浓缩和喷雾干燥工艺 芽孢发酵液经离心浓缩后芽孢数达到200亿个/mL以上，喷雾干燥后的菌粉中芽孢含量超过1000亿/g。芽孢粉可以根据产品规格的需要配兑成不同芽孢含量的产品，如100亿个芽孢/g的成品，保存使用方便。 九、发酵秸秆饲料的应用效果 1、生化检测指标 玉米秸秆经发酵后粗蛋白含量可以达到11%,15%(根据辅料添加量进行合理调整);每公斤发酵后的干秸秆中挥发性脂肪酸含量达到90g,110g;粗纤维降解率?30%。纤维素转化利用率大大提高，显著提高了秸秆的营养价值。秸秆发酵后的pH将至4.5以下，利于保存。 12 2、动物饲喂效果 本技术从2009年5月开始，分别在吉林、辽宁、河北省等地进行了大量的示范推广，在猪牛羊上均取得了显著的饲喂效果，在减少原饲料中的玉米粉等能量饲料30%(奶牛、育肥生猪),50%(肉牛、羊等)，减少豆饼粉等蛋白饲料40%,70%的情况下，可以达到与原配合饲料相同的饲喂效果(育肥生长速度)。 十、初步经济核算 以一例生猪简单配合饲料为例:饲料中含玉米粉70%、豆饼粉20%、麸皮10%(或玉米粉60%、豆饼粉20%、麸皮20%)。豆饼粉每吨按3000元计算，含20%豆饼粉成本为3000×20%=600元，减少40%的豆饼粉添加量可节约饲料成本240元/吨;玉米粉每吨按1800元计算，含70%玉米粉成本为1800×70%=1260元，减少30%的玉米粉添加量可节约饲料成本378元/吨;总的饲料成本每吨可节约600元左右。可大大降低生猪饲养成本。 十一、项目支撑 本项技术由多项研究成果做为技术支撑: 1、《秸秆发酵饲料多菌系复合菌剂的研制与应用》，2008年通过河北省科学技术厅组织的鉴定(成果登记号20082933)。 2、《秸秆木质素高效降解菌株的筛选鉴定及菌剂生产应用》，2009年通过河北省科学技术厅组织的鉴定(成果登记号20092333)。 3、《秸秆发酵饲料复合菌剂的生产中试与秸秆发酵示范》，2009年河北省农业科技成果转化项目。 4、《河北省太行山区秸秆发酵饲料示范与推广》，2010年度国家级星火计划重点开发项目(2010GA620010)。 5、《生猪节粮型生态养殖及零排放技术集成与示范》，2011年河北省自主创新重大成果转化项目。 6、《新型秸秆饲料的研制与推广应用》，2010年度保定市科学研究与发展计划项目。 13 7、《可用于微生态制剂的纳卡氏乳酸芽孢杆菌的筛选与发酵产芽孢工艺研究》，2008年通过河北省科学技术厅组织的鉴定(成果登记号20082339)。 8、《鸡源抗腹泻芽孢益生菌的筛选鉴定、发酵工艺优化》，2010年通过河北省科学技术厅组织的鉴定(成果登记号20100361)。2010年获河北省科学技术进步三等奖。 9、《鸡源抗腹泻芽孢益生菌制剂的开发应用》，2010年度国家星火计划项目(2010GA105010)。 14