添加剂对青贮水稻秸秆发酵品质的改善作用

郑子乔，罗 星，祝经伦

（1.中国农业大学烟台研究院设施专业，山东烟台 264000；2.中国农业大学烟台研究院理工学院，山东烟台 264000；3.同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200092）

水稻养殖业产生大量的作物秸秆，这些秸秆是谷物收获后的剩余部分。稻秆由圆锥花序主轴、叶片、叶鞘和茎组成，稻谷与水稻秸秆的平均比例为1∶1.25（吴万春，1991）。有20% 的水稻秸秆用于工业用途（生产乙醇、造纸和肥料）和养殖（反刍动物饲料），大部分剩余的秸秆从地里移走或就地烧掉。秸秆焚烧是秸秆处理的最快方式，但会增加空气中温室气体的含量，造成环境污染。在大多数水稻养殖区域，特别是东南亚国家，水稻秸秆被用于反刍动物饲料原料，但由于其蛋白质含量低、酚类物质、二氧化硅和木质素含量高，限制了其消化率。人们一直在研究如何提高农业残留物的消化率和利用率，其中一个方法就是利用微生物菌或酶进行生物处理。然而，有些处理方法侧重于物理方式（研磨、制粒）和化学方式（尿素和氨、氢氧化钠和石灰），以提高水稻秸秆的饲用价值。在现有的水稻秸秆处理方法中，主要以生物和化学处理为主。根据Sarnklong等（2010）报道，氢氧化钠被认为是处理水稻秸秆最有效的方法，但它会加快反刍动物瘤胃的反刍过程，同时增加排尿量。近年来，青贮对水稻秸秆的饲用价值有了很大提高。因此，有必要对提高水稻秸秆营养价值的方法进行充分研究，使其得到有效利用。水稻秸秆的中部是空心的，水溶性碳水化合物含量低，附生乳酸菌少，青贮效果不理想（文奇男等，2011）。因此，需要更深入的了解涉及微生物种群和水稻秸秆收获条件的复杂因素，提高青贮饲料的稳定性。本文综述了相关研究报道，着重介绍水稻秸秆青贮饲料的加工方法，以及利用添加剂提高水稻秸秆发酵质量。

1 水稻秸秆的现状

过去10年，全球水稻产量以年均2.5%的速度大幅增长，2014年已经达到7.444亿t，其中全球约90.49%的水稻来自亚洲，亚洲国家水稻秸秆利用率较高，这些水稻秸秆的利用率占作物秸秆总量的20%（FAO，2014）。由于水稻种植量大，亚洲热带国家90%的反刍动物是用水稻秸秆饲喂。

1.1 焚烧秸秆对环境造成的影响 焚烧是经济、有效、快捷的秸秆处理方法。然而，秸秆燃烧是不完全的，会释放出大量的空气污染物，如挥发性有机化合物、一氧化碳、细小/可吸入颗粒物、致癌的多环芳香烃（冯伟等，2011）。据报道，生物体燃烧有潜在的毒性，在日本，秸秆燃烧与儿童哮喘的病因有关（Torigoe等，2000）。此外，燃烧农业残留物会形成棕色云，影响空气质量、大气能见度和全球气候。焚烧农作物秸秆会导致秸秆中约30%～35%的磷、40%的氮、40%～50%的硫和80%～85%的钾流失（Dobermann和Fairhurst，2002）。

1.2 水稻秸秆利用的局限性 消化率是宿主动物通过瘤胃微生物分解和发酵从饲料中吸收营养物质的量，使营养物质可用于生长、繁殖等。饲料消化率和反刍动物消化能力在很大程度上受植物原料细胞壁及其含量的影响。细胞含量和少量纤维可能是植物唯一可消化的部分，因为动物可以很容易消化植物细胞内容物，但不能消化细胞壁（赵林果等，2001）。水稻秸秆细胞壁由5.5%的木质素、40%的纤维素和18%的半纤维素组成（苏衍菁等，2010）。木质素是细胞壁的主要成分，是由不同酚类化合物组成的非晶态聚合物，降低了水分通过木质部的渗透性，从而在水分和营养物质流动中发挥着积极作用。由于反刍动物缺乏特定的酶来消化纤维素，从秸秆饲料中获得的能量也由此减少。水稻秸秆的二氧化硅含量极高，约为其干物质的15%，土壤中的二氧化硅被植物吸收和代谢，与木质素具有相似的重要作用（Sarnklong等，2010）。植物中纤维素由晶体和非晶态结构组成，纤维素结晶度的高低被认为是影响纤维素分解速率的重要因素，其中高结晶度降低了纤维素微生物降解速率（Harmsen等，2010）。一般来说，水稻秸秆含有较高的纤维、二氧化硅和木质素，与其他饲料作物相比，木质素在瘤胃中缓慢发酵，因此，如果饲料组成主要来自水稻秸秆，会降低动物的采食量。

Van Soest（1965）认为，当细胞壁含量占饲粮干物质的50%～60%会限制采食量。此外，自由采食预计与饲料纤维含量成反比，因为动物的采食量有限。同样，随着中性洗涤剂纤维摄入量的增加、原料粉碎粒度的增大、饲料粒度的增加、饲料消化率的降低，饲料过胃速率也会降低。水稻秸秆含有3%～5%的粗蛋白质，只饲喂水稻秸秆会降低动物体重，因为动物饲料中8%～10%的粗蛋白质是动物生长和发育所必需的营养物质。稻秆营养品质还取决于多种因素，如植物成熟期（木质素含量随成熟期的增加而增加）、肥料水平（氮肥施用量）、土壤肥力、叶鞘、叶片和茎的比例、收获时秸秆长度、秸秆在收割过程中的衰老程度、植物抗虫性、收获和储存之间的时间以及植物健康状态和天气状况（Van Soest，2006）。过去，人们为提高这些农业残留物的利用率和消化率进行了许多尝试，如对水稻秸秆进行物理预处理，通过粉碎和制粒增加纤维素的有效表面积和孔隙大小，这种处理结果并不令人满意，因此经常与其他预处理如化学和生物处理结合使用，以提高效率。

2 水稻秸秆的青贮发酵

青贮饲料是将水分充足的草料或其他植物原料进行厌氧贮藏，特别是萎凋后的农作物，以防止好氧微生物的破坏而形成的产品。青贮过程的基本原理是保持整个青贮过程的厌氧条件，通过乳酸菌使pH迅速下降（王加启等，2005）。农作物以干草的形式晒干保存或通过酸化、杀菌青贮发酵，干草在干燥的气候条件下很适合干得快的饲料作物，其关键原理是快速干燥至水分＜15%，以防止霉菌生长，然而，在干燥条件不确定的情况下，为了尽可能保持饲料的营养价值，青贮方法更有优势。制作青贮饲料的主要目的是通过使用作物中含有大量附生细菌和糖分来加强发酵，厌氧细菌产生酸使作物成分保持长期稳定。

2.1 好氧阶段 青贮过程的第一阶段是利用氧气，特别是作物切碎和包装过程中存在的空气。在此过程中，植物会继续呼吸几个小时或几天，这取决于包装条件。在这个阶段，植物酶（蛋白酶）一直维持在高活性条件下，直到留存的氧气被耗尽。如果青贮包装不良或氧气渗透，青贮料会受到霉菌和酵母的不良发酵，导致蛋白质分解和发酵温度过高。

2.2 停滞阶段 这一阶段的特点是通过厌氧菌作用使青贮料中的氧消耗殆尽。青贮条件（如微生物生长基质的可用性、水分含量和微生物菌群的数量）决定了微生物的发酵类型，主导整个青贮过程。随着乳酸菌数量的增加，利用水溶性碳水化合物产生乳酸，青贮饲料pH下降到抑制其他腐败微生物生长的临界点以下，在这个阶段，大多数耐酸梭菌会被抑制（Jonsson，1991）。

2.3 发酵或稳定阶段 这一阶段是青贮过程中最长的阶段，一直持续到微生物生长完全被高酸水平（低pH）抑制为止，pH的急剧下降阻碍梭菌和大肠杆菌的生长，在此期间，干物质在发酵过程中起重要作用（Driehuis和 Oude Elferink，1999）。随着含水率的增加（＞70%），乳酸菌的生长受到抑制，从而降低了发酵速率和发酵程度，值得注意的是，有害细菌往往会大量繁殖，导致蛋白质的过度降解、有毒物质的产生和干物质损失，青贮前将草料萎蔫至干物质含量30%～35%以上，可消除有害细菌的影响。

3 青贮过程的微生物区系

青贮饲料微生物区对发酵过程成功与否起积极作用。这些微区系可分为两大类：适宜区系和不适宜区系。适宜微生物区系为乳酸菌，不适宜微生物区系按其在青贮饲料腐败中的作用进行分类。好氧微生物区系参与厌氧腐败（如大肠杆菌和梭菌），而厌氧微生物区系参与好氧腐败（如霉菌和酵母菌）。好氧菌群和厌氧菌群的腐败不仅对青贮饲料有影响，而且对采食青贮饲料的动物也有影响（Driehuis和 Oude Elferink，1999）。

3.1 乳酸菌 乳酸菌是革兰氏阳性菌的一个分支，具有不呼吸、不形成孢子、耐酸和附生的性质。与青贮饲料有关的乳酸菌属有白串珠菌属、肠球菌属和片球菌属（McDonald，1981）。青贮饲料的水溶性碳水化合物和干物质含量促进了乳酸菌的生长和增殖，大多数乳酸菌的适宜生长温度为20～40℃，最适温度为30℃（熊素玉等，2006）。青贮饲料总的乳酸菌集中在其降低pH的能力上，根据饲料作物不同可将pH降低到4或5。所有的乳酸菌都对好氧条件有自然反应，但也有一些乳酸菌偏爱厌氧条件。

3.2 大肠杆菌 肠杆菌科是大多数饲料作物上发现的附生微区系，在这些群体中，水草恩拉氏菌和草生欧文氏菌在新鲜作物中占主导地位，但青贮处理后，很快被沙雷氏菌和大肠杆菌所取代（Heron等，1993）。大肠杆菌具有较弱的蛋白水解活性，能脱羧和脱氨基一些氨基酸，这些活性有助于青贮饲料中氨和生物胺的生成，其中生物胺是一种有毒化合物，对反刍动物的采食量和适口性有不良影响。大肠杆菌的另一个特性是能将硝酸盐还原为亚硝酸盐，亚硝酸盐还原为一氧化二氮和氨。在青贮过程中，接触空气使一氧化氮氧化为气态氮氧化物的混合物，最后，二氧化氮和一氧化氮与水反应生成硝酸和亚硝酸。这些气体和酸会刺激呼吸道，引起肺炎症状。然而，在储存过程中，无论是通过厌氧菌还是通过乳酸菌在pH为4.5～5.0时增加乳酸来酸化，大肠杆菌的代谢活动都很容易受到抑制。

3.3 梭状芽孢杆菌 青贮饲料中存在梭状芽孢杆菌属，是一种引起厌氧腐败和对饲料价值产生负面影响的污染物。它的许多种类都能分解碳水化合物和蛋白质，与青贮有关的梭状芽孢杆菌包括双酶梭菌、产孢子梭菌、丁酸梭菌和酪丁酸梭菌，前两种蛋白水解性极强，后两种蛋白水解性较弱（McDonald，1981）。在这些梭菌中，酪丁酸梭菌是青贮饲料中研究最多的，其耐酸性能达到了pH=4.0。与青贮饲料发酵腐败有关的梭菌主要有两种类型，即溶糖型和蛋白型（腐败型）。糖水解类型的特点是发酵糖和乳酸产生氢，二氧化碳和丁酸，青贮饲料经历这种发酵的特点是pH和丁酸含量升高。蛋白水解型可以水解氨基酸和蛋白质，包括脱氨、脱羧和氧化/还原。青贮饲料经梭状发酵后，pH高，氨、丁酸、胺含量高，然而，pH的快速下降抑制了梭状芽孢杆菌的生长和水活性，因为梭状芽孢杆菌对青贮前植物原料萎蔫导致的低水分很敏感（Elferink等，2000）。

3.4 酵母菌 与青贮相关的耐酸酵母菌属包括酵母属、酵母菌属和念珠菌属（Pahlow等，2003）。青贮过程中，酵母将糖发酵成二氧化碳和乙醇，然而，青贮饲料中乙醇的存在增加了干物质的损失，也影响了牛奶风味（Driehuis和Van Wikselaar，2000）。酵母菌是青贮饲料中引起好氧腐败的最重要微生物群之一，可以通过pH、厌氧菌和有机酸浓度来影响其生长（Pahlow等，2003）。

3.5 霉菌 霉菌是真核微生物，其代谢活性依赖于有氧呼吸。某些种类的霉菌（黑青霉菌、青霉和烟曲霉）可以在非常低的氧气浓度下存活，其生长受限于青贮饲料的表面，在青贮饲料中存在是由于压实和密封不良造成的。与青贮有关的最常见霉菌属是曲霉、毛霉菌、青霉、镰孢菌、木霉和地霉等（Yiannikouris和 Jouany，2002）。霉菌降低青贮饲料的适口性和饲用价值，由于霉菌毒素的产生，它们对动物健康也有有害影响，如降低免疫功能和繁殖性能。因此，青贮过程适当的密封和压实可以防止空气进入，确保pH降低，限制或防止霉菌的生长，抑制好氧腐败。

4 青贮过程中使用的酶制剂

酶是一种天然的生物催化剂，通过降低反应物的活性来加快生物化学反应的速度。青贮饲料生产中使用的酶添加剂具有两大功能，首先，它们在青贮过程中从植物中释放游离糖，供发酵微生物生产乙酸盐和乳酸盐，从而通过降低pH来保存青贮饲料；其次，是细胞壁的降解，降低青贮原料的纤维含量，进而提高动物对有机物的消化率和摄入量。此外，还有促进把复杂饲料分子分解成更小的有机分子，如葡萄糖和氨基酸可以被反刍动物消化（Curreli等，2002）。常用的酶基青贮饲料添加剂包括半纤维素酶、纤维素酶、木聚糖酶、果胶酶和淀粉酶，它们用于降解饲料的纤维部分。半纤维素酶用于提高纤维的整体消化率。半纤维素包括木聚糖的主链和阿拉伯糖侧链，其中阿拉伯糖侧链通常比木聚糖主链更易消化。因此，侧重于分解半纤维素的木聚糖骨架的酶混合物有增加饲料糖含量，提高消化率的潜力。水稻秸秆富含木聚糖的细胞壁中含有大量的木质素，这些木质素具有抗酶解能力。因此，水稻秸秆多糖在酶解成单糖之前需要经过碱消化、酸水解、蒸煮等预处理。纤维分解酶的研究表明，由于这些酶分解木质素-碳水化合物复合物内酯化键的能力有限，不能显著提高水稻秸秆的可降解性（Liu和Orskov，2000）。然而，也有研究报道表明，当纤维分解酶与其他预处理相结合时可降解性和体外发酵特性有所提高。

5 影响青贮水稻秸秆干物质摄入量的因素

青贮水稻秸秆的营养价值主要由采食量和消化率决定，反刍动物的生长性能变化与采食量密切相关，与净能量或日粮消化率无关（Mertens，1994）。青贮水稻秸秆干物质摄入量由水稻秸秆的发酵质量、成熟期、蛋白质添加量和萎蔫程度决定。在水稻成熟阶段，茎中组织和次生物的积累和比叶片，导致细胞壁中木质素、纤维素和木聚糖浓度高。饲料消化率和摄入量主要受纤维含量和可消化中性洗涤剂纤维的影响。采食量与中性洗涤纤维之间不是线性关系，因为中性洗涤纤维的质量和含量可以限制或增加采食量（Minson，1990）。

6 结论

优质青贮水稻秸秆生产的成功与否取决于两个主要因素：（1）水稻秸秆的性质。它决定了微生物菌群、缓冲能力、干物质含量、水溶性糖和化学成分。（2）预处理的方法。虽然不同生物、化学和物理处理方法已经被用于提高反刍动物的消化率和采食量，但这些处理方法的实际应用仅限于成本效益和安全性。适当的青贮发酵方法可以提高水稻秸秆的营养价值，提高动物生产性能。酶添加剂的使用与良好的管理措施可以提高和保证青贮水稻秸秆质量的稳定性。