木质纤维素青贮研究现状与展望

张慧芳，孔祥婕，赵淑忻，薛慧婷，李冠华1,

(1.内蒙古大学生命科学学院省部共建草原家畜生殖调控与繁育国家重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010070； 2.内蒙古大学生命科学学院牧草与特色作物生物技术教育部重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010070； 3.内蒙古医科大学基础医学院，内蒙古 呼和浩特 010010)

反刍动物市场需求逐年增加，价格持续走高，市场需求和价格的“双高”推动着饲料工业的快速发展。青贮已有3 000多年的应用历史，19世纪以来，研究、建立现代化的饲料青贮工艺体系受到各国政府的广泛关注。青贮是以乳酸菌为优势菌种的自然或部分人工控制的发酵过程，产生的有机酸能够显著抑制有害微生物生长，减少饲料营养损失，提高家畜采食率，调节动物肠道菌群，改善舍饲环境，是制备反刍动物饲料的重要方法。目前，青贮研究重点围绕微生物筛选和菌群动态变化展开，对于原料和反应器报道较少，这阻碍了青贮发展。本研究将青贮原料、添加剂和反应器三者有机结合，系统综述了最新研究概况，并结合相关新技术和新理念，提出了青贮发展新方向。

1 木质纤维素原料

木质纤维素原料来源广泛，种类多样，可分为农业原料、工业原料和牧草原料。青贮可以减少饲料营养损失，促进本地植物饲用转化。农业原料具有产量大、收集半径小的优点，大部分农业原料属于农业生产剩余物，开发成青贮饲料可实现废弃物的资源化利用，避免焚烧污染，促进生态农业发展。玉米、小麦和水稻是世界3大粮食作物，纤维素含量丰富、生物量大、种植面积广。水稻和小麦主要利用籽粒收获后的剩余茎秆制成青贮饲料；全株玉米或其脱穗的茎杆是青贮最主要的原料；向日葵、豆秸等富含植物蛋白，是优质的高蛋白质青贮原料；大麦、高粱抗逆性强，是农牧交错的低温干旱地区的理想青贮原料。工业原料属于工业生产剩余物，具有形态均一、分布集中、便于加工、部分产品营养价值高、活性成分可以调节肠道菌群、利于动物健康等优点，青贮有助于实现工业原料综合利用，增加产品附加值，提高企业经济效益。甜菜渣、甘蔗渣和马铃薯渣的可溶性碳水化合物含量丰富，茶叶废弃物和中药剩渣富含多种氨基酸、维生素和黄酮类活性成分，酒糟富含有机氮且具有独特酒香味益于动物采食，均可作为优质的青贮原料。牧草原料来自天然或人工草场。紫花苜蓿粗蛋白质含量丰富是第一大人工牧草；黑麦草可以在低温环境下生长，羊草是温带草原的优良牧草，苏丹草质地柔软、鲜嫩多汁，象草产量高、适口性好。青贮原料化学成分差异显著，多种原料混合青贮有助于提高青贮效率，均衡营养，促进家畜生长。辣木叶和水稻秸秆混合青贮时乳酸菌丰度提高37.86%[1]，紫花苜蓿和红三叶草混合青贮利于减少紫花苜蓿粗蛋白质损失[2]，奶牛采食黑麦草和红三叶草混合青贮饲料后产奶量提高30.68%[3]。

饲用植物在自然进化过程中形成的抵抗微生物及酶作用的天然结构称为抗降解屏障。天然抗降解屏障的存在显著降低了青贮效率，导致饲用植物难以被动物充分消化利用。综合考虑区域特点和饲用需求，围绕地区农牧业特色，根据原料差异，建立与之相对应的预处理工艺是推动青贮饲料产业化发展的有效举措。物理、化学预处理能够破坏木质素、降解半纤维素、暴露纤维结晶区、增大比表面积并促进青贮微生物生长[4-5]。粉碎和剪切是常见的预处理方法，另外甲酸预处理能改善饲料适口性，氨水预处理能提高饲料氮含量[6-7]，因而也是常用的预处理方法。

2 青贮添加剂

2.1 微生物添加剂

青贮微生物种类多样，不同环境、不同原料表面的微生物组成差异显著，已报道种类达几百种。青贮不同阶段微生物种类和数量高度动态变化，发酵初期参与的微生物主要有Lactococci、Leuconostoc、Pediococcus和Weissella属，中后期的主体发酵由Lactobacilli属主导[8-9]。乳酸菌是青贮过程的优势菌群[10]，主要来自于Lactobacillus、Streptococcus、Pediococcus、Enterococcus、Lactococcus和Leuconostoc6个属，可分为同型发酵乳酸菌和专性异型发酵乳酸菌两类。同型发酵乳酸菌将可溶性碳水化合物发酵为乳酸，在青贮初期占据主导地位[11]；专性异型发酵乳酸菌的产物除乳酸外还会生成乙酸、二氧化碳等，能够抑制酵母菌和霉菌生长繁殖[12]。

温度是影响青贮微生物种类和数量的重要因素，表现为对青贮微生物生长的抑制或促进作用，以及引起同型乳酸菌与专性异型乳酸菌间的转化[13]。筛选耐受高温或寒冷环境的区域适应性乳酸菌，是青贮乳酸菌添加剂的重要研究方向。Doi等[14]筛选到能够在30～43℃环境生长的Lactobacillusplantarum，L.rhamonsus,L.rapi,Pediococcuspentosaceus和P.lolii；关皓等[15]筛选到能够在45℃生长且产乳酸能力较强的L.rhamnosus和L.salivarius；Tanizawa等[16]筛选到可在4℃生长且产乳酸的L.hokkaidonensis；张越等[17]筛选到能够在10℃生长产乳酸的L.plantarum和Leuconostocmesenteroides。开发同型和专性异型乳酸菌的复合添加剂能够有效提高青贮效率。Ding等[18]发现添加L.plantarum和L.brevis混合菌剂，能够使可溶性碳水化合物含量降低71.91%，乳酸含量增加77.59%；Si等[19]研究发现添加L.plantarum和L.buchneri混合菌剂，能够使乳酸含量增加116.67%；Arriola等[20]研究发现添加P.pentosaceus和L.buchneri混合菌剂，能够使乳酸含量增加200.69%。非乳酸菌添加剂功能多样，能够抑制杂菌生长，同时发挥益生作用。Lara等[21]发现接种Bacillussubtilis可使霉菌数量降低39.39%；Zanine等[22]发现接种Streptococcusbovis后青贮饲料的氨氮含量降低7.25%，pH值更低；Duniere等[23]发现接种Saccharomycescerevisiae有益于反刍动物肠道健康。充分认知青贮微生物菌群的动态变化及相互作用，根据原料组成和环境条件差异，开发乳酸菌和非乳酸菌的复合菌剂是改善动物肠道菌群、提高饲料营养价值的重要途径。Xu等[24]研究表明，同时接种S.cerevisiae和L.buchneri能够增加青贮饲料中的有益菌，利于动物健康；Lara等[25]发现接种B.subtilis和L.plantarum，霉菌数量减少，体外干物质表观消化率提高23.75%。

2.2 化学添加剂

甲酸、乙酸和丙酸等有机酸能够改变原料理化性质，抑制杂菌生长。青贮前添加适量甲酸能够降低干物质损失，提高可溶性碳水化合物含量，抑制好氧菌生长，减少丁酸和氨态氮生成量。Zhang等[26]发现加入3.3 g/kg甲酸可使青贮黑麦草的氨态氮含量降低82.14%；乙酸和丙酸的主要作用是抑制霉菌和酵母菌，防止后期出现二次发酵；Chen等[27]发现丙酸可抑制肠杆菌生长，增加乳酸菌数量，特别是能够显著提高有氧阶段乳酸含量，增强产品稳定性。

营养物添加剂具有促进微生物生长，改善动物膳食营养的优点。不同种类、不同生长和生理阶段的家畜营养需求差异显著，单一的青贮饲料往往难以满足家畜生长需要，基于营养均衡的原则，合理搭配，按需复配不同营养物对提高青贮效率和改善动物健康具有重要意义。制糖工业副产品糖蜜能够提供大量的可发酵糖，促进微生物生长，增加乳酸含量。Zhao等[28]研究表明，添加糖蜜后青贮稻草的乳酸含量增加了77.38%。尿素和氨水可以调节饲料碳氮比，同时发挥抑菌作用。Santos等[29]研究表明添加尿素使青贮高粱的乳酸菌数量增加4.58%，并降低了干物质损失量。

2.3 酶添加剂

纤维素酶、半纤维素酶、蛋白酶和淀粉酶等酶制剂能够促进饲料营养物质的分解，提高家畜对饲料的利用率。Han等[30]发现添加纤维素酶能够使青贮玉米的可溶性碳水化合物增加28.87%；He等[31]发现添加纤维素酶可使青贮桑叶的乳酸含量增加25.24%；Nawaz等[32]发现水牛采食添加纤溶酶的青贮燕麦后体重增长率提高13.00%；Zhao等[33]发现添加半纤维素酶，青贮水稻的半纤维素含量降低17.48%，乳酸浓度增加15.05%，干物质利用率提高23.43%；Oliveira等[34]发现添加淀粉酶使青贮玉米的乳酸菌含量增加48.19%。

通过基因工程的方法使益生菌获得功能明确、产量较高的酶蛋白，是未来研究酶制剂的重要发展方向。Liu等[35]将纤维素酶基因导入L.lactisHT2，青贮苜蓿的可溶性碳水化合物含量提高47.00%；Guo等[36]将多功能糖苷水解酶的基因导入L.plantarum，可有效降解半纤维素和纤维素，青贮苜蓿的可溶性碳水化合物含量显著增加；Hu等[37]将纤维二糖转运蛋白和β-葡萄糖苷酶基因导入S.cerevisiae中，纤维二糖消耗率提高180%；Wang等[38]将淀粉脱支酶基因导入B.subtilis中，所产酶的活性提高100.69%。

3 青贮反应器

青贮反应器包括青贮窖、青贮塔、青贮堆和青贮袋。应根据环境条件、青贮原料和生产实际采用不同的青贮工艺。青贮窖多为长方形，建于土壤坚硬、地势偏高的地方，灌装原料后通过密封达到厌氧目的，分为地下式、地上式和半地下式。青贮塔是一种由不锈钢、砖和水泥等材料构成的圆筒状永久性反应器，顶部填原料，产品经底部或顶部取出。青贮塔占地面积小，便于机械化操作，但建造与维护成本高，只适用于规模较大的农场储存饲料。青贮堆是一种将原料置于平坦地面，堆叠成垛后覆盖塑料布膜压实而成的方法。该方法操作简单、成本较低且贮存灵活，但存在好氧暴露的风险。

青贮袋是指利用塑料膜包装原料，营造厌氧环境后进行的青贮发酵，每个包装袋相当于一个单独的反应器。青贮袋具有制作简便、营养损失低、易于贮存、运输方便灵活的特点，但受农场机械化程度影响较大，且对原料要求较高，外部膜损坏也易使青贮受到污染。为了解决此问题，也可将原料切碎、压实、捆装，利用薄膜密封制成小型青贮袋，该方法操作更简单，成本更低。青贮袋已成为青贮反应器的首选，开发隔氧性能好、绿色环保、低残留的生物基材料的青贮袋已成为当前研究重点。Szterk等[39]制备出淀粉基可生物降解的隔氧膜，满足青贮要求的同时，可避免混入的薄膜对奶牛产生危害；Borreani和Tabacco[40]研究表明，淀粉基可生物降解薄膜有望成为聚乙烯薄膜经济环保的替代品投入青贮生产。

4 展望

反刍动物对青贮原料的利用表现为对细胞壁纤维素的降解，从植物本征结构出发，系统解析细胞壁结构与可消化性的内在联系，提高细胞壁营养成分的利用效率是青贮工艺研究的核心。因地制宜，选择理想的青贮原料，开发基于地方特色植物的混合青贮；青贮前建立合适的预处理工艺，提高原料可消化性；青贮过程中复配多种酶制剂，提高青贮效率；青贮后添加营养补充剂，均衡饲料营养；是推动青贮产业规模化、标准化和集约化发展的基础。

微生物是影响青贮品质的决定因素。充分认识青贮微生物组成及动态变化规律，基于地方特色植物资源，筛选区域适应性乳酸菌；利用转基因技术特别是合成生物学方法定向、高效、安全地改造乳酸菌，获得具有优良性状，特别是对反刍动物甚至人体有益的乳酸菌株；了解青贮微生物组成，明确不同微生物的功能及其相互作用机制，制备多菌种协同作用的菌剂；加强微生物检测，抑制真菌生长，减少毒素生成；是推动青贮产业规模化、标准化和集约化发展的核心。

青贮反应器是青贮工艺落地、发展的前提。根据工艺要求和生产实际情况，开展与经济和生态效益相适应的反应器研制工作；深入研究青贮过程的热、质传递难题，建立发酵强化技术，提高青贮效率；结合数字化成像与图形处理技术，实现青贮过程的可视化和青贮品质的可控化；充分挖掘现有技术，实现多技术集成创新，推进青贮生产的机械化进程；加强新材料研究，制备绿色、低残留的新型可生物降解材料；是推动青贮产业规模化、标准化和集约化发展的保障。