植物秸稈飼料化技術研究進展
目前秸稈的世界產量為20～30億t/年，我國秸稈年產量超過6億t，約為北方草原打草量的50倍，約占世界秸稈總量的百分之二十到三十。目前，大部分農作物秸稈或是焚燒、或被直接還田，僅有少量用于造紙、紡織等行業。這種處理方式不僅污染環境，破壞土壤結構，還造成了資源的大大浪費。在能源日益緊張的今天，合理利用資源豐富、價格低廉的植物秸稈顯得尤為重要。
植物秸稈主要由植物細胞壁組成，基本成分是纖維素、半纖維素、木質素、硅酸鹽以及少量蛋白質等，是一種可循環利用的物質資源。纖維素是由D-吡喃型葡萄糖殘基經β-1，4糖苷鍵聯結成的聚合物。半纖維素是由葡萄糖、木糖、戊糖、己糖、多糖醛酸及其甲酯縮合而成，不溶于熱水，溶于稀酸。木質素是一種廣泛存在于植物體中由苯丙烷及其相應衍生物通過碳一碳鍵、二芳基鍵、烷醚鍵等連接而成的無定型的、分子結構中含有氧代苯丙醇或其衍生物結構單元的芳香性高聚物，它是動物吸收各種養分的主要限制因素。木質素填充于纖維素構架中，與纖維素、半纖維素緊密結合、相互纏繞構成粗纖維。粗纖維中營養含量少，適口性差，吸水易潤脹，不易消化。
植物秸稈若直接作為飼料，從營養的角度分析，其粗纖維含量高、蛋白質、礦物質、可溶性碳水化合物和胡蘿卜素等含量低、營養價值低；從口感的角度分析，其質地堅硬、口感不好；因而家畜采食量小，消化率低。但若對植物秸稈進行適當的合理的加工處理，降低秸稈中木質纖維素的含量，增加蛋白質的含量，改善其適口性，提高營養價值，便可在一定程度上提高動物對秸稈的采食量、消化率。從而提高植物秸稈的利用率，緩解能源緊缺的現狀，提高飼料報酬及經濟效益。
植物秸稈飼料化的方法有物理法、化學法和生物法等。
秸稈飼料的物理處理法較為簡單，方便。有粉碎、浸泡、切短、壓塊、蒸煮、輻射等方法，但多為其它方法的前處理。粉碎、切短能在一定程度上分離纖維素、半纖維素、木質素的結合，破壞木質纖維素的晶體結構，以便于動物的采食和適當的提高消化率，但這種處理方法不能提高植物秸稈的營養價值。 高壓蒸汽處理、膨化處理是近年來秸稈飼料化常用的物理處理方法，它是將秸稈中的木質素進行軟化并部分水解，這種方法對設備和能量的要求高，成本大。據用大于2.0×107焦耳的輻射處理秸稈的報道顯示，輻射技術能促使秸稈的木質纖維素含量降低，體外消化率增高。蘇秀俠等研究了對玉米秸稈采用不同物理處理法后的飼料對肉牛增重效果的影響，結果顯示，除鍘碎型外，制劑、壓塊和擠壓成棒狀等方法對于育肥牛的增重效果都很明顯。 化學處理法主是通過化學試劑與秸稈內分子結構相互作用，使其內部分子發生化學變化，生成的產物易于動物消化、吸收的一種提高秸稈消化率的方法?；瘜W法可分為堿處理法、氨處理法、酸處理法、高錳酸鉀處理法、氧化劑處理法、復合化學法等。這些方法都能改變植物秸稈的化學組成，增加秸稈飼料的可利用性，但不能從根本上改善微生物的生存環境和營養條件，并且在處理過程中使用的酸、堿如不能合理的回收利用，就會對環境造成污染。 2.1 堿處理法 堿處理常用的試劑有NaOH、CaO、Ca(OH)2等。堿處理可使秸稈纖維素內部氫鍵結合力變弱，酯鍵和醚鍵被破壞，使得木質素、纖維素、半纖維素之間的聯系減弱，纖維素分子膨脹，半纖維素和部分木質素溶解川。但堿處理法用堿量大，處理后需用大量的水沖洗，易造成水的浪費以及環境的污染。 2.2 氨化法 氨化法采用的試劑一般為氨氣、液氨和尿素。氨化法在起到堿化處理方法的同時，可以與秸稈中的有機物質發生反應，破壞木質素與多糖之間的酯鍵，并將其轉化成銨鹽。羅立娜等研究了不同尿素質量分數和不同預處理溫度對稻秸木質纖維素降解情況和對稻秸厭氧產氣特性的影響，試驗結果表明，尿素預處理能有效破壞木質纖維素的結構，對產氣量有20.67％～38.20％的提高。 2.3 高錳酸鉀處理 劉梅等考察了不同濃度的酸性高錳酸鉀溶液對玉米秸稈中纖維素、半纖維素、木質素及灰分的降解情況的影響。試驗表明，酸性高錳酸鉀溶液能使秸稈中木質素含量降低。 2.4 氧化劑處理 氧化劑處理采用的氧化劑有臭氧(O3)、二氧化硫(SO2)、堿性過氧化氫(AHP)等。其處理原理是氧化劑能破壞木質纖維素之間的共價鍵、使部分木質纖維素溶解，從而增大酶及酶制劑與細胞壁的接觸反應面積，提高飼料的消化率。 2.5 復合化學處理 對于木質化程度高，有機物消化率低的秸稈如甘蔗渣，棉花稈等，利用堿法和酸法結合使用能較大幅度提高此類秸稈的營養價值。徐清華等采用尿素、氧化鈣、氯化鈉符合處理麥秸、玉米秸稈等，處理后的秸稈能明顯提高綿羊的生長性能。 生物法處理秸稈的方法有青貯、微生物處理等。 3.1 青貯 青貯是指將新鮮的植物秸稈經切短、填入、壓實于青貯窖中，在隔絕空氣的條件下，經厭氧菌發酵將糖類轉化為有機酸而得的一種柔軟多汁、氣味酸香、營養豐富、易消化的粗飼料。青貯易受氣候的影響，且青貯需要建青貯窖，而青貯窖的投資較大，故在一定程度上制約了青貯的應用。 3.2 微生物處理 微生物處理是以有益微生物、復合酶為生物發酵劑，通過微生物作用將木聚糖鏈和木質素聚合物酯鏈酶解，使秸稈軟化，體積膨脹。這種將植物秸稈轉化成微生物菌體蛋白、氨基酸、活性益生菌、復合酶制劑為一體的生物發酵法能提高動物對粗纖維的消化、吸收和利用率，拓寬了秸稈的飼喂范圍，從而從根本上解決了飼料原料問題。微生物發酵菌常用的有真菌、纖維素分解菌、酵母菌、乳酸菌、細菌等。 3.2.1 不同成分的降解 木質素的降解：能降解木質素的微生物包括真菌、細菌、放線菌中的多種微生物，其中以真菌中的白腐真菌降解木質素及其衍生物的能力最強，白腐真菌能徹底降解木質素為CO2和H2O。細菌中放線菌的降解能力也不錯，絲狀細菌降解木質素降解率最高能達到20％。將細菌和真菌聯合作用，先用細菌將木質纖維物質改性，在用真菌降解，可顯著提高木質素的降解率。 木質素的降解主要通過多種胞外酶的協同作用實現，木質素降解酶研究最多的是木質素過氧化物酶(Lignin Peroxidase，LiP)、錳過氧化物酶(Manganese Pemxidase MnP)、漆酶(Laccase)；葡糖糖氧化酶、乙二醛氧化酶、芳醇氧化酶等對木質素的降解也能起到一定的作用。 纖維素的降解：纖維素酶種類繁多，來源很廣。 一般可分為三類：C1酶、Cx酶和β葡糖苷酶。C1酶最先對纖維素起作用，它能破壞纖維素鏈的結晶結構；Cx酶從多糖鏈的還原端或非還原端切下纖維二糖單位；然后伊葡糖苷酶將纖維二糖水解為葡萄糖。真菌纖維素酶產量高、活性大，在畜牧業和飼料工業中應用較廣。 纖維素酶制劑的研制已較成熟，有液態和固體2種。酶制劑較能產生纖維素酶的菌來說，保存和使用都很方便。 半纖維素的降解：半纖維素包含木聚糖、甘露聚糖、阿拉伯聚糖、阿拉伯半乳聚糖和木葡聚糖等多種組分。半纖維素酶解需要多種酶的協同作用，其降解機理和纖維素相似。無論是化學法還是生物法都能很輕易地降解半纖維素，且一般纖維素酶菌都能產半纖維素酶，故在除去半纖維素時，無需專門選用特定的降解酶。 3.2.2 菌種的選用 在秸稈發酵飼料方面，混合菌種或復合菌制劑較單一菌劑發酵效果更為顯著，一般選用的發酵菌種要求能分解纖維素或木質素，合成和分泌更多的營養物質，能改變秸稈的適口性，且不產生毒副作用。對此國內外學者做了大量的研究。 3.2.3 蛋白飼料 微生物發酵秸稈生產蛋白飼料的研究是一個世界性的課題，目前已取得了重大的進展。不同菌種作用于不同植物秸稈，在不同工藝下，蛋白質的提高也不盡相同。 在發酵秸稈產蛋白飼料菌種的選用方面，人們越來越傾向于選用混合菌種發酵體系，在多菌種混合或酶菌聯合發酵中，酶能使纖維素分解轉化成單糖，糖又被發酵菌利用。這樣既可以維持降解物的濃度，又能消除降解物對酶合成作用的抑制作用。李大鵬、高玉榮等在玉米秸稈中加入一定量的玉米粉、尿素、水混合均勻后接種一定量曲霉菌、綠色霉菌、酵母菌，經發酵后，玉米秸稈中粗蛋白由2.8％增加到28.8％、纖維素含量由40.2％降低到13.6％，發酵好的飼料有一定的酸味、適口性好。 近年來酶制劑也被廣泛的應用到發酵中來，常用的酶制劑有纖維素酶、半纖維素酶、果膠酸酶、β-葡聚糖酶、植酸酶等。馬彩梅等陋1以稀酸預處理的甘草渣為發酵底物，采用固體復合酶制劑與酵母分步接種聯合發酵的方法發酵預處理甘草渣，所得產物蛋白質含量較低，但木質纖維素有一定程度的降解。 在多菌種發酵產蛋白飼料中，可以把多種菌按一定比例混合，同時接種。汪倫記等采用馬克斯克魯維酵母、白地霉和產朊假絲酵母組合發酵菊芋渣產蛋白飼料，其粗蛋白含量提高了90％以上。也可以先采用纖維素酶制劑或能釋放高活性纖維素酶的菌株水解纖維素成單糖或低糖，然后再接種酵母等微生物，這樣就可以在各菌種最佳條件下進行發酵。王慧杰等采用多菌種混合發酵方式，將玉米秸稈先氨化預處理后分步接種高活性的黑曲霉、康氏木霉、瘤胃細菌、酵母共發酵8d后，纖維素降解率為2.67％，粗蛋白含量達到29.41％。 在秸稈飼料化的各種技術中，物理處理雖污染小，但處理效果沒有化學、生物處理效果好；化學處理技術可以在一定程度上破壞木質纖維素的結構，提高動物的消化率，但不能增加飼料的營養價值，且處理過程中，試劑的回收將增大能耗；生物處理法不僅能破壞木質纖維素的包裹結構，如處理方法得當，還能增加飼料的營養價值。 目前，我國推廣使用了青貯、微貯等飼料加工技術，取得了一定的成效，但也存在貯存量小，占用空間大等缺點。而微生物發酵秸稈轉換蛋白飼料的研究越來越受到大家的關注，物理法和化學法常作為生物發酵蛋白飼料的前處理過程被應用。同時，生物法應用過程中篩選高產纖維素菌株、選育能降解木質素的高效微生物菌種、菌種的搭配使用及酶制劑的應用等將成為秸稈飼料化研究的熱點。 在糧食短缺、能源緊張和環境污染日趨嚴重的今天，合理有效地利用再生能源，通過將植物秸稈飼料化能有效緩解人畜爭糧矛盾，減少環境污染和資源浪費。相信，隨著研究的不斷深入，秸稈飼料化技術會越來越成熟，其對農業和畜牧業持續、健康發展具有十分深遠的經濟價值和戰略意義。 相關鏈接：1物理法
2化學法
3生物法
4結語與展望
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