添加劑對(duì)青貯水稻秸稈發(fā)酵品質(zhì)的改善作用

鄭子喬，羅 星，祝經(jīng)倫

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院設(shè)施專(zhuān)業(yè)，山東煙臺(tái) 264000；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院理工學(xué)院，山東煙臺(tái) 264000；3.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

水稻養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生大量的作物秸稈，這些秸稈是谷物收獲后的剩余部分。稻稈由圓錐花序主軸、葉片、葉鞘和莖組成，稻谷與水稻秸稈的平均比例為1∶1.25（吳萬(wàn)春，1991）。有20% 的水稻秸稈用于工業(yè)用途（生產(chǎn)乙醇、造紙和肥料）和養(yǎng)殖（反芻動(dòng)物飼料），大部分剩余的秸稈從地里移走或就地?zé)?。秸稈焚燒是秸稈處理的最快方式，但?huì)增加空氣中溫室氣體的含量，造成環(huán)境污染。在大多數(shù)水稻養(yǎng)殖區(qū)域，特別是東南亞國(guó)家，水稻秸稈被用于反芻動(dòng)物飼料原料，但由于其蛋白質(zhì)含量低、酚類(lèi)物質(zhì)、二氧化硅和木質(zhì)素含量高，限制了其消化率。人們一直在研究如何提高農(nóng)業(yè)殘留物的消化率和利用率，其中一個(gè)方法就是利用微生物菌或酶進(jìn)行生物處理。然而，有些處理方法側(cè)重于物理方式（研磨、制粒）和化學(xué)方式（尿素和氨、氫氧化鈉和石灰），以提高水稻秸稈的飼用價(jià)值。在現(xiàn)有的水稻秸稈處理方法中，主要以生物和化學(xué)處理為主。根據(jù)Sarnklong等（2010）報(bào)道，氫氧化鈉被認(rèn)為是處理水稻秸稈最有效的方法，但它會(huì)加快反芻動(dòng)物瘤胃的反芻過(guò)程，同時(shí)增加排尿量。近年來(lái)，青貯對(duì)水稻秸稈的飼用價(jià)值有了很大提高。因此，有必要對(duì)提高水稻秸稈營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的方法進(jìn)行充分研究，使其得到有效利用。水稻秸稈的中部是空心的，水溶性碳水化合物含量低，附生乳酸菌少，青貯效果不理想（文奇男等，2011）。因此，需要更深入的了解涉及微生物種群和水稻秸稈收獲條件的復(fù)雜因素，提高青貯飼料的穩(wěn)定性。本文綜述了相關(guān)研究報(bào)道，著重介紹水稻秸稈青貯飼料的加工方法，以及利用添加劑提高水稻秸稈發(fā)酵質(zhì)量。

1 水稻秸稈的現(xiàn)狀

過(guò)去10年，全球水稻產(chǎn)量以年均2.5%的速度大幅增長(zhǎng)，2014年已經(jīng)達(dá)到7.444億t，其中全球約90.49%的水稻來(lái)自亞洲，亞洲國(guó)家水稻秸稈利用率較高，這些水稻秸稈的利用率占作物秸稈總量的20%（FAO，2014）。由于水稻種植量大，亞洲熱帶國(guó)家90%的反芻動(dòng)物是用水稻秸稈飼喂。

1.1 焚燒秸稈對(duì)環(huán)境造成的影響 焚燒是經(jīng)濟(jì)、有效、快捷的秸稈處理方法。然而，秸稈燃燒是不完全的，會(huì)釋放出大量的空氣污染物，如揮發(fā)性有機(jī)化合物、一氧化碳、細(xì)小/可吸入顆粒物、致癌的多環(huán)芳香烴（馮偉等，2011）。據(jù)報(bào)道，生物體燃燒有潛在的毒性，在日本，秸稈燃燒與兒童哮喘的病因有關(guān)（Torigoe等，2000）。此外，燃燒農(nóng)業(yè)殘留物會(huì)形成棕色云，影響空氣質(zhì)量、大氣能見(jiàn)度和全球氣候。焚燒農(nóng)作物秸稈會(huì)導(dǎo)致秸稈中約30%～35%的磷、40%的氮、40%～50%的硫和80%～85%的鉀流失（Dobermann和Fairhurst，2002）。

1.2 水稻秸稈利用的局限性 消化率是宿主動(dòng)物通過(guò)瘤胃微生物分解和發(fā)酵從飼料中吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的量，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)可用于生長(zhǎng)、繁殖等。飼料消化率和反芻動(dòng)物消化能力在很大程度上受植物原料細(xì)胞壁及其含量的影響。細(xì)胞含量和少量纖維可能是植物唯一可消化的部分，因?yàn)閯?dòng)物可以很容易消化植物細(xì)胞內(nèi)容物，但不能消化細(xì)胞壁（趙林果等，2001）。水稻秸稈細(xì)胞壁由5.5%的木質(zhì)素、40%的纖維素和18%的半纖維素組成（蘇衍菁等，2010）。木質(zhì)素是細(xì)胞壁的主要成分，是由不同酚類(lèi)化合物組成的非晶態(tài)聚合物，降低了水分通過(guò)木質(zhì)部的滲透性，從而在水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流動(dòng)中發(fā)揮著積極作用。由于反芻動(dòng)物缺乏特定的酶來(lái)消化纖維素，從秸稈飼料中獲得的能量也由此減少。水稻秸稈的二氧化硅含量極高，約為其干物質(zhì)的15%，土壤中的二氧化硅被植物吸收和代謝，與木質(zhì)素具有相似的重要作用（Sarnklong等，2010）。植物中纖維素由晶體和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)組成，纖維素結(jié)晶度的高低被認(rèn)為是影響纖維素分解速率的重要因素，其中高結(jié)晶度降低了纖維素微生物降解速率（Harmsen等，2010）。一般來(lái)說(shuō)，水稻秸稈含有較高的纖維、二氧化硅和木質(zhì)素，與其他飼料作物相比，木質(zhì)素在瘤胃中緩慢發(fā)酵，因此，如果飼料組成主要來(lái)自水稻秸稈，會(huì)降低動(dòng)物的采食量。

Van Soest（1965）認(rèn)為，當(dāng)細(xì)胞壁含量占飼糧干物質(zhì)的50%～60%會(huì)限制采食量。此外，自由采食預(yù)計(jì)與飼料纖維含量成反比，因?yàn)閯?dòng)物的采食量有限。同樣，隨著中性洗滌劑纖維攝入量的增加、原料粉碎粒度的增大、飼料粒度的增加、飼料消化率的降低，飼料過(guò)胃速率也會(huì)降低。水稻秸稈含有3%～5%的粗蛋白質(zhì)，只飼喂水稻秸稈會(huì)降低動(dòng)物體重，因?yàn)閯?dòng)物飼料中8%～10%的粗蛋白質(zhì)是動(dòng)物生長(zhǎng)和發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。稻稈營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)還取決于多種因素，如植物成熟期（木質(zhì)素含量隨成熟期的增加而增加）、肥料水平（氮肥施用量）、土壤肥力、葉鞘、葉片和莖的比例、收獲時(shí)秸稈長(zhǎng)度、秸稈在收割過(guò)程中的衰老程度、植物抗蟲(chóng)性、收獲和儲(chǔ)存之間的時(shí)間以及植物健康狀態(tài)和天氣狀況（Van Soest，2006）。過(guò)去，人們?yōu)樘岣哌@些農(nóng)業(yè)殘留物的利用率和消化率進(jìn)行了許多嘗試，如對(duì)水稻秸稈進(jìn)行物理預(yù)處理，通過(guò)粉碎和制粒增加纖維素的有效表面積和孔隙大小，這種處理結(jié)果并不令人滿(mǎn)意，因此經(jīng)常與其他預(yù)處理如化學(xué)和生物處理結(jié)合使用，以提高效率。

2 水稻秸稈的青貯發(fā)酵

青貯飼料是將水分充足的草料或其他植物原料進(jìn)行厭氧貯藏，特別是萎凋后的農(nóng)作物，以防止好氧微生物的破壞而形成的產(chǎn)品。青貯過(guò)程的基本原理是保持整個(gè)青貯過(guò)程的厭氧條件，通過(guò)乳酸菌使pH迅速下降（王加啟等，2005）。農(nóng)作物以干草的形式曬干保存或通過(guò)酸化、殺菌青貯發(fā)酵，干草在干燥的氣候條件下很適合干得快的飼料作物，其關(guān)鍵原理是快速干燥至水分＜15%，以防止霉菌生長(zhǎng)，然而，在干燥條件不確定的情況下，為了盡可能保持飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，青貯方法更有優(yōu)勢(shì)。制作青貯飼料的主要目的是通過(guò)使用作物中含有大量附生細(xì)菌和糖分來(lái)加強(qiáng)發(fā)酵，厭氧細(xì)菌產(chǎn)生酸使作物成分保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。

2.1 好氧階段 青貯過(guò)程的第一階段是利用氧氣，特別是作物切碎和包裝過(guò)程中存在的空氣。在此過(guò)程中，植物會(huì)繼續(xù)呼吸幾個(gè)小時(shí)或幾天，這取決于包裝條件。在這個(gè)階段，植物酶（蛋白酶）一直維持在高活性條件下，直到留存的氧氣被耗盡。如果青貯包裝不良或氧氣滲透，青貯料會(huì)受到霉菌和酵母的不良發(fā)酵，導(dǎo)致蛋白質(zhì)分解和發(fā)酵溫度過(guò)高。

2.2 停滯階段 這一階段的特點(diǎn)是通過(guò)厭氧菌作用使青貯料中的氧消耗殆盡。青貯條件（如微生物生長(zhǎng)基質(zhì)的可用性、水分含量和微生物菌群的數(shù)量）決定了微生物的發(fā)酵類(lèi)型，主導(dǎo)整個(gè)青貯過(guò)程。隨著乳酸菌數(shù)量的增加，利用水溶性碳水化合物產(chǎn)生乳酸，青貯飼料pH下降到抑制其他腐敗微生物生長(zhǎng)的臨界點(diǎn)以下，在這個(gè)階段，大多數(shù)耐酸梭菌會(huì)被抑制（Jonsson，1991）。

2.3 發(fā)酵或穩(wěn)定階段 這一階段是青貯過(guò)程中最長(zhǎng)的階段，一直持續(xù)到微生物生長(zhǎng)完全被高酸水平（低pH）抑制為止，pH的急劇下降阻礙梭菌和大腸桿菌的生長(zhǎng)，在此期間，干物質(zhì)在發(fā)酵過(guò)程中起重要作用（Driehuis和 Oude Elferink，1999）。隨著含水率的增加（＞70%），乳酸菌的生長(zhǎng)受到抑制，從而降低了發(fā)酵速率和發(fā)酵程度，值得注意的是，有害細(xì)菌往往會(huì)大量繁殖，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的過(guò)度降解、有毒物質(zhì)的產(chǎn)生和干物質(zhì)損失，青貯前將草料萎蔫至干物質(zhì)含量30%～35%以上，可消除有害細(xì)菌的影響。

3 青貯過(guò)程的微生物區(qū)系

青貯飼料微生物區(qū)對(duì)發(fā)酵過(guò)程成功與否起積極作用。這些微區(qū)系可分為兩大類(lèi)：適宜區(qū)系和不適宜區(qū)系。適宜微生物區(qū)系為乳酸菌，不適宜微生物區(qū)系按其在青貯飼料腐敗中的作用進(jìn)行分類(lèi)。好氧微生物區(qū)系參與厭氧腐敗（如大腸桿菌和梭菌），而厭氧微生物區(qū)系參與好氧腐敗（如霉菌和酵母菌）。好氧菌群和厭氧菌群的腐敗不僅對(duì)青貯飼料有影響，而且對(duì)采食青貯飼料的動(dòng)物也有影響（Driehuis和 Oude Elferink，1999）。

3.1 乳酸菌 乳酸菌是革蘭氏陽(yáng)性菌的一個(gè)分支，具有不呼吸、不形成孢子、耐酸和附生的性質(zhì)。與青貯飼料有關(guān)的乳酸菌屬有白串珠菌屬、腸球菌屬和片球菌屬（McDonald，1981）。青貯飼料的水溶性碳水化合物和干物質(zhì)含量促進(jìn)了乳酸菌的生長(zhǎng)和增殖，大多數(shù)乳酸菌的適宜生長(zhǎng)溫度為20～40℃，最適溫度為30℃（熊素玉等，2006）。青貯飼料總的乳酸菌集中在其降低pH的能力上，根據(jù)飼料作物不同可將pH降低到4或5。所有的乳酸菌都對(duì)好氧條件有自然反應(yīng)，但也有一些乳酸菌偏愛(ài)厭氧條件。

3.2 大腸桿菌 腸桿菌科是大多數(shù)飼料作物上發(fā)現(xiàn)的附生微區(qū)系，在這些群體中，水草恩拉氏菌和草生歐文氏菌在新鮮作物中占主導(dǎo)地位，但青貯處理后，很快被沙雷氏菌和大腸桿菌所取代（Heron等，1993）。大腸桿菌具有較弱的蛋白水解活性，能脫羧和脫氨基一些氨基酸，這些活性有助于青貯飼料中氨和生物胺的生成，其中生物胺是一種有毒化合物，對(duì)反芻動(dòng)物的采食量和適口性有不良影響。大腸桿菌的另一個(gè)特性是能將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，亞硝酸鹽還原為一氧化二氮和氨。在青貯過(guò)程中，接觸空氣使一氧化氮氧化為氣態(tài)氮氧化物的混合物，最后，二氧化氮和一氧化氮與水反應(yīng)生成硝酸和亞硝酸。這些氣體和酸會(huì)刺激呼吸道，引起肺炎癥狀。然而，在儲(chǔ)存過(guò)程中，無(wú)論是通過(guò)厭氧菌還是通過(guò)乳酸菌在pH為4.5～5.0時(shí)增加乳酸來(lái)酸化，大腸桿菌的代謝活動(dòng)都很容易受到抑制。

3.3 梭狀芽孢桿菌 青貯飼料中存在梭狀芽孢桿菌屬，是一種引起厭氧腐敗和對(duì)飼料價(jià)值產(chǎn)生負(fù)面影響的污染物。它的許多種類(lèi)都能分解碳水化合物和蛋白質(zhì)，與青貯有關(guān)的梭狀芽孢桿菌包括雙酶梭菌、產(chǎn)孢子梭菌、丁酸梭菌和酪丁酸梭菌，前兩種蛋白水解性極強(qiáng)，后兩種蛋白水解性較弱（McDonald，1981）。在這些梭菌中，酪丁酸梭菌是青貯飼料中研究最多的，其耐酸性能達(dá)到了pH=4.0。與青貯飼料發(fā)酵腐敗有關(guān)的梭菌主要有兩種類(lèi)型，即溶糖型和蛋白型（腐敗型）。糖水解類(lèi)型的特點(diǎn)是發(fā)酵糖和乳酸產(chǎn)生氫，二氧化碳和丁酸，青貯飼料經(jīng)歷這種發(fā)酵的特點(diǎn)是pH和丁酸含量升高。蛋白水解型可以水解氨基酸和蛋白質(zhì)，包括脫氨、脫羧和氧化/還原。青貯飼料經(jīng)梭狀發(fā)酵后，pH高，氨、丁酸、胺含量高，然而，pH的快速下降抑制了梭狀芽孢桿菌的生長(zhǎng)和水活性，因?yàn)樗鬆钛挎邨U菌對(duì)青貯前植物原料萎蔫導(dǎo)致的低水分很敏感（Elferink等，2000）。

3.4 酵母菌 與青貯相關(guān)的耐酸酵母菌屬包括酵母屬、酵母菌屬和念珠菌屬（Pahlow等，2003）。青貯過(guò)程中，酵母將糖發(fā)酵成二氧化碳和乙醇，然而，青貯飼料中乙醇的存在增加了干物質(zhì)的損失，也影響了牛奶風(fēng)味（Driehuis和Van Wikselaar，2000）。酵母菌是青貯飼料中引起好氧腐敗的最重要微生物群之一，可以通過(guò)pH、厭氧菌和有機(jī)酸濃度來(lái)影響其生長(zhǎng)（Pahlow等，2003）。

3.5 霉菌 霉菌是真核微生物，其代謝活性依賴(lài)于有氧呼吸。某些種類(lèi)的霉菌（黑青霉菌、青霉和煙曲霉）可以在非常低的氧氣濃度下存活，其生長(zhǎng)受限于青貯飼料的表面，在青貯飼料中存在是由于壓實(shí)和密封不良造成的。與青貯有關(guān)的最常見(jiàn)霉菌屬是曲霉、毛霉菌、青霉、鐮孢菌、木霉和地霉等（Yiannikouris和 Jouany，2002）。霉菌降低青貯飼料的適口性和飼用價(jià)值，由于霉菌毒素的產(chǎn)生，它們對(duì)動(dòng)物健康也有有害影響，如降低免疫功能和繁殖性能。因此，青貯過(guò)程適當(dāng)?shù)拿芊夂蛪簩?shí)可以防止空氣進(jìn)入，確保pH降低，限制或防止霉菌的生長(zhǎng)，抑制好氧腐敗。

4 青貯過(guò)程中使用的酶制劑

酶是一種天然的生物催化劑，通過(guò)降低反應(yīng)物的活性來(lái)加快生物化學(xué)反應(yīng)的速度。青貯飼料生產(chǎn)中使用的酶添加劑具有兩大功能，首先，它們?cè)谇噘A過(guò)程中從植物中釋放游離糖，供發(fā)酵微生物生產(chǎn)乙酸鹽和乳酸鹽，從而通過(guò)降低pH來(lái)保存青貯飼料；其次，是細(xì)胞壁的降解，降低青貯原料的纖維含量，進(jìn)而提高動(dòng)物對(duì)有機(jī)物的消化率和攝入量。此外，還有促進(jìn)把復(fù)雜飼料分子分解成更小的有機(jī)分子，如葡萄糖和氨基酸可以被反芻動(dòng)物消化（Curreli等，2002）。常用的酶基青貯飼料添加劑包括半纖維素酶、纖維素酶、木聚糖酶、果膠酶和淀粉酶，它們用于降解飼料的纖維部分。半纖維素酶用于提高纖維的整體消化率。半纖維素包括木聚糖的主鏈和阿拉伯糖側(cè)鏈，其中阿拉伯糖側(cè)鏈通常比木聚糖主鏈更易消化。因此，側(cè)重于分解半纖維素的木聚糖骨架的酶混合物有增加飼料糖含量，提高消化率的潛力。水稻秸稈富含木聚糖的細(xì)胞壁中含有大量的木質(zhì)素，這些木質(zhì)素具有抗酶解能力。因此，水稻秸稈多糖在酶解成單糖之前需要經(jīng)過(guò)堿消化、酸水解、蒸煮等預(yù)處理。纖維分解酶的研究表明，由于這些酶分解木質(zhì)素-碳水化合物復(fù)合物內(nèi)酯化鍵的能力有限，不能顯著提高水稻秸稈的可降解性（Liu和Orskov，2000）。然而，也有研究報(bào)道表明，當(dāng)纖維分解酶與其他預(yù)處理相結(jié)合時(shí)可降解性和體外發(fā)酵特性有所提高。

5 影響青貯水稻秸稈干物質(zhì)攝入量的因素

青貯水稻秸稈的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值主要由采食量和消化率決定，反芻動(dòng)物的生長(zhǎng)性能變化與采食量密切相關(guān)，與凈能量或日糧消化率無(wú)關(guān)（Mertens，1994）。青貯水稻秸稈干物質(zhì)攝入量由水稻秸稈的發(fā)酵質(zhì)量、成熟期、蛋白質(zhì)添加量和萎蔫程度決定。在水稻成熟階段，莖中組織和次生物的積累和比葉片，導(dǎo)致細(xì)胞壁中木質(zhì)素、纖維素和木聚糖濃度高。飼料消化率和攝入量主要受纖維含量和可消化中性洗滌劑纖維的影響。采食量與中性洗滌纖維之間不是線(xiàn)性關(guān)系，因?yàn)橹行韵礈炖w維的質(zhì)量和含量可以限制或增加采食量（Minson，1990）。

6 結(jié)論

優(yōu)質(zhì)青貯水稻秸稈生產(chǎn)的成功與否取決于兩個(gè)主要因素：（1）水稻秸稈的性質(zhì)。它決定了微生物菌群、緩沖能力、干物質(zhì)含量、水溶性糖和化學(xué)成分。（2）預(yù)處理的方法。雖然不同生物、化學(xué)和物理處理方法已經(jīng)被用于提高反芻動(dòng)物的消化率和采食量，但這些處理方法的實(shí)際應(yīng)用僅限于成本效益和安全性。適當(dāng)?shù)那噘A發(fā)酵方法可以提高水稻秸稈的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，提高動(dòng)物生產(chǎn)性能。酶添加劑的使用與良好的管理措施可以提高和保證青貯水稻秸稈質(zhì)量的穩(wěn)定性。