生物发酵农作物秸秆及其在反刍动物饲料中的应用

■ 孙展英 高 健 郭孟娇 成艳芬*

（1.南京农业大学动物科技学院，江苏南京 210095；2.南京农业大学动物消化道营养国际联合研究中心，江苏南京 210095）

中国是农业大国，种植的农作物以水稻、小麦、玉米等粮食作物为主。2022年我国粮食产量6.86亿吨，全球排名第一，其中玉米产量2.76 亿吨，水稻产量2.11亿吨，小麦产量1.37亿吨[1]，大规模粮食作物的种植为我国提供丰富的秸秆资源。据统计，1998—2020年我国农作物秸秆总量增长4.39亿吨，总体呈不断增长的趋势。仅2021 年，全国农作物秸秆产量8.65 亿吨，其中可收集量7.34 亿吨[2]。但长期以来，我国大部分农作物秸秆未被充分利用，多被作为废弃物，甚至直接焚烧，不仅严重污染大气环境，破坏土壤结构，同时造成资源浪费。2023 年中央一号文件明确大力发展青贮饲料，加快推进秸秆养畜。因此，如何科学、合理、有效地利用秸秆资源，对畜牧业可持续发展和保护农业农村生态环境意义重大。与肥料化、燃料化、基料化等其他利用方式相比，农作物秸秆的饲料化利用对于我国畜牧业发展有着重要的意义。

农作物秸秆作为潜在的饲料资源，广泛应用于我国畜牧生产中，但是较高的木质纤维素含量与低营养价值严重限制了秸秆作为反刍动物饲料的利用效率。体外两步消化试验显示，苜蓿的干物质消化率可达50%以上，而秸秆类粗饲料的消化率仅40%左右[3]，日粮中添加大量秸秆影响反刍动物瘤胃微生物区系及其互作关系，从而降低瘤胃微生物对全混合日粮的利用效率[4]。基于此，利用物理、化学和生物法等措施预先降解农作物秸秆木质类纤维素，提高其营养价值与饲用价值，在实际生产中广泛应用。尤其是随着生物工程技术发展，生物发酵农作物秸秆不仅可改善饲料营养价值，还可以提高动物消化利用率。因此，文章分析农作物秸秆的资源现状和饲料化利用方式、生物发酵在农作物秸秆饲料化中的应用、生物发酵农作物秸秆在反刍动物生产上的应用，旨在为农作物秸秆饲料化提供参考，进一步促进农作物秸秆的饲料化利用。

1 农作物秸秆的饲料化利用技术发展现状

1.1 农作物秸秆资源化利用方式

我国主要农作物秸秆有近20 种，农作物秸秆中蕴藏着巨大的养分资源，作物吸收的养分有近一半留在秸秆中[5]（见表1）。“十一五”到“十四五”期间，我国农作物秸秆综合利用比例由2005 年的73.4%到2021 年的88.1%，综合利用比例提高14.7 个百分点，但秸秆利用效率较低，且仍有11.9%未充分利用。按照2021年的秸秆总量估算，约1 亿吨秸秆资源被浪费[6-7]。当前，农作物秸秆的资源化利用方式主要分为“五化”，即肥料化、饲料化、燃料化、基料化、原料化。其中，肥料化使用率最高，由2005 年的9.8%提高到2021 年的60%，说明现在秸秆使用还是主要以还田为主，秸秆还田具有方便、高效、节约成本等诸多优点，但易造成病害繁衍、损害作物根系，焚烧还田还易污染环境，国家已明令禁止秸秆焚烧还田。秸秆燃料化主要指直接燃烧、制作秸秆炭、乙醇、沼气等能源，提供燃料供给需求。然而，由于燃料化收储、运输、设备成本较高等原因，燃料化利用率由2005 年的34.8%下降至2021年的8.5%。秸秆基料化利用包括食用菌基料、植物育苗与栽培基质、动物饲养过程中所使用的秸秆垫料等，基料化主要是为植物生长提供条件，具有促进植物根系固定、水气协调、养分固持等功能，并提供植物生长必需的碳源、氮源和矿物质等营养物质。但是，基料化用量小，仅占秸秆总产量的5%以内。此外，秸秆含有的大量纤维可用于造纸、板材等工业技术，但利用过程中存在废水排放、投入高等问题，因此该利用方式的使用率仅维持在秸秆总量的2%左右。

表1 农作物秸秆资源化利用方式比较

由于秸秆作为粗饲料具有物理填充牛羊瘤胃的作用，饲料化是我国农作物秸秆的重要资源化利用方式之一。2005 年，我国秸秆饲料化占比25.8%，2015 年和2020 年维持在18%左右（见图1）。秸秆纤维含量高、蛋白质含量低、适口性差等缺点制约了秸秆的饲料化应用。经物理、化学、生物等方法处理后，农作物秸秆适口性、营养价值和消化效率显著提高，因而促进了秸秆的饲料化利用。生物处理法是当前农作物秸秆的最佳处理方式，能够充分提高其营养价值、减少秸秆饲料资源的浪费，对促进绿色农业的发展、加速农业循环经济的改革、保持生态平衡和减轻环境污染等也具有重要现实意义[8]。

图1 农作物秸秆资源化利用情况

1.2 农作物秸秆的饲料化利用技术

农作物秸秆主要由高度木质化的细胞壁组成，占干物质的80%，其中包括纤维素、半纤维素和木质素（比例为4∶3∶3），且纤维素、半纤维素与木质素结合紧密，由愈创木基丙烷结构单体（G）、紫丁香基丙烷结构单体（S）、对羟基苯基丙烷结构单体（H）通过不同类型的醚键和C-C 键连接组成的一种复杂的高分子聚合物（如图2 所示），其中以5-5’和b-5 为代表的共价键不易水解[9]。因此，农作物秸秆直接作为饲料使用，很难被动物消化吸收。

图2 木质素结构及典型键

因此，需通过物理、化学或生物技术预处理破坏农作物秸秆纤维，使秸秆转变为易被动物消化利用的饲料。

物理处理法包括切短、粉碎、膨化、热处理等，主要通过物理手段破坏部分木质纤维素结构，便于动物咀嚼，从而提高其营养价值，但在实际生产中往往由于其加工过程中高能源需求而导致成本增加[10]。化学处理包括碱化处理、氨化处理、酸处理和酸碱复合处理等，目的是将农作物秸秆木质素转化为羟基木质素来使植物细胞壁变得松散，易于反刍动物的消化，但缺点是容易带入化学物质，需要额外的工艺来去除，且使用后化学残留会流失到环境中，危害环境[11]。生物处理法主要是针对秸秆木质纤维素的复合结构，用真菌、细菌、酶等对秸秆进行处理，改善秸秆适口性和提高利用率。经生物处理的农作物秸秆，其适口性以及营养价值显著提高[12]（见表2）。

表2 三种主要农作物秸秆饲料化利用方式效果

2 生物发酵在农作物秸秆饲料化中的应用

2.1 生物发酵农作物秸秆的优势

生物发酵饲料被誉为“第四代活的饲料”，通过添加有益微生物降解或转化饲料大分子物质与抗营养因子，可有效提高饲料消化率，同时微生物中间代谢产物可调节动物肠道微生物菌群结构，促进肠道健康。生物发酵秸秆饲料是在秸秆饲料中添加具有特异性的活菌制剂、酶制剂、菌酶复合制剂等，在封闭的厌氧环境中，微生物大量生长繁殖并分泌各种酶，通过降解多糖和木质素，破坏秸秆细胞壁中难以消化的纤维素-半纤维素-木质素结构，使细胞壁内可消化碳水化合物等营养物质释放出来，提高秸秆中养分消化率，同时，菌体自身生物量的增长能够提高饲料中真蛋白含量。秸秆经生物发酵处理后，秸秆饲料含有微生物蛋白、各种酶、营养因子、维生素等微生物代谢产物，提高秸秆饲料营养价值。

2.2 生物发酵农作物秸秆菌种

2.2.1 真菌

农作物秸秆类饲料木质纤维素含量高，直接作为粗饲料使用，其营养价值和消化率较低。因此，降解木质纤维素对提高秸秆的营养价值至关重要。真菌具有较强的木质纤维素降解能力，在降解农作物秸秆中的研究非常广泛。这主要归功于其两种高效酶系统，一种是产生高效水解酶的水解系统，另一种是细胞外氧化酶分解系统[26]。真菌在生长过程中能产生菌丝，菌丝具有很强的穿透能力，能穿透植物角质层的阻碍，紧紧依附和穿插在纤维物质上，分泌酶降解内部的纤维素，提高降解效率[27]。其中白腐真菌、褐腐真菌、木霉、曲霉等真菌在秸秆木质纤维素降解中较为理想。曲霉中的黑曲霉（Aspergillus niger）和米曲霉（Aspergillus oryzae）产生的纤维素酶活性较高，通过酶解作用能够提高秸秆中营养物质的转化，提高饲料营养价值。

2.2.2 细菌

相较于真菌，细菌的种类众多，环境适应能力强，能快速繁殖。近年来，由于细菌的独特优势，对细菌降解木质纤维素的相关研究逐渐增多。已知的降解木质纤维素细菌主要有放线菌门、变形菌门、厚壁菌门和拟杆菌门。许多厌氧细菌利用高亲和力的纤维素酶组成稳定的附着于膜上的多酶体系，为细菌特有的纤维小体，能够极大地促进细菌对生物质的有效转化。其中，热纤梭菌（Clostridium thermocellum）分泌的纤维素酶以纤维小体形式存在，与其他真菌纤维素降解机制相似，成为国内外研究热点。有研究表明，热纤梭菌在60 ℃条件下液态发酵3 d，纤维素降解率为34.44%[28]。江高飞等[29]发现嗜热脂肪芽孢杆菌B-11（Geobacillus stearothermophilusB-11）在75 ℃时，纤维素降解相关酶热稳定性强，75～80 ℃依然保持较高活性，纤维素内切酶和外切葡聚酶的最适温度为75 ℃，β-葡萄糖苷酶最适温度为75～80 ℃。

2.2.3 纤维降解相关酶

农作物秸秆中最难以消化利用的是细胞壁，木质纤维素是细胞壁的主要成分，其中纤维素占细胞壁组分的40.6%～51.2%，半纤维素占28.5%～37.2%，木质素占13.6%～28.0%。酶处理秸秆技术主要是利用纤维素酶和半纤维素酶对秸秆进行降解，将秸秆中部分纤维素和半纤维素转化为易于被动物吸收利用的可溶性糖等物质。纤维素降解酶是降解纤维素生产葡萄糖的一组酶的总称，是起协同作用的多组分酶系，主要由内切葡聚糖酶（endo-β-1,4-glucanase，EC 3.2.1.4）、外切葡聚糖酶（exo-β-1,4-glucanase，EC 3.2.1.91）、β-葡 萄 糖 苷 酶（β-1,4-glucosidase，EC 3.2.1.21）组成，3 者共同作用将纤维素降解成小分子的物质（如寡糖链、多糖链或者葡萄糖）[30]。降解半纤维素的酶主要有木聚糖酶、甘露聚糖酶、β-葡聚糖酶和半乳聚糖酶等，禾本科农作物秸秆细胞壁中的半纤维素主要是木糖相互连接形成（包括葡萄糖、木糖、甘聚糖、阿拉伯糖和半乳糖），各单糖以共价键、氢键等化学键相连接成稳定的化学结构。木聚糖酶是半纤维素降解过程中起主要作用的一个酶系。Vallejo等[31]研究结果表明，纤维素酶和木聚糖酶能够有效提高反刍动物对秸秆的体外消化率。黄枭等[32]利用饲用复合酶制剂发酵玉米秸秆，发酵后粗纤维含量降低12.5%，粗蛋白含量和粗脂肪含量分别提高28.7%和12.6%，中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量均显著降低。张贵花等[33]试验结果表明，将1%的纤维素酶添加至玉米秸秆中进行青贮发酵，随后对肉牛进行饲喂，发现在玉米秸秆中添加纤维素酶可大幅度提升饲料的利用率，同时肉牛的瘤胃发酵能力也得到改善，并且甲烷等不良气体的排放量也得到了有效降低。

2.2.4 菌酶复合

由于秸秆难以降解的特性，生物发酵处理秸秆常用复合菌剂或菌酶协同来降解秸秆，以达到破坏其纤维结构、提高营养价值的效果。复合菌系降解秸秆时，各种微生物会产生多种酶，大量研究证明，菌和酶共同作用于秸秆，两者互作，不仅可以降解秸秆中的纤维素，还可以将释放的还原糖转变为乳酸，抑制腐败菌的增长，改善秸秆饲料的品质。陈合等[34]利用黄孢原毛平革菌和外源纤维素酶、木聚糖酶菌酶协同共降解工艺降解玉米秸秆，玉米秸秆经菌酶共降解，木质素、纤维素、半纤维素的降解率分别达到67.0%、60.4%、33.0%。Sujani 等[35]用纤维素酶和木聚糖酶发酵处理稻秸，体外产气试验结果显示，各处理组体外产气量和干物质消化率均显著高于对照组。魏如腾等[36]研究了黑曲霉Z3、芽孢杆菌T7、里氏木霉单一菌和复合菌对玉米秸秆的降解率，结果表明复合菌对玉米秸秆降解率显著高于单一菌种，经解脂假丝酵母预处理后的复合菌（黑曲霉Z3+芽孢杆菌T7+里氏木霉）降解率为42.1%，与黑曲霉Z3、芽孢杆菌T7、里氏木霉相比，分别提高14.1%、21.8%、11.4%。崔鸿亮等[37]以水稻秸秆降解率为指标构建微生物复合菌，成功构建出以菌株B（Bacillus cereus）、D2（Bacillus amyloliquefaciens)、W1（Ochrobactrum intermedium）和G1（Bacillus licheniformis）组成的复合菌，对水稻秸秆降解率达73.21%。结果表明，将具有不同功能的菌种结合为复合菌剂，降低反馈抑制，形成代谢互补，可有效地改善水稻秸秆生物降解的效果。姜碧薇等[38]利用纤维素酶和复合益生菌（主要成分为酵母菌、乳酸杆菌和枯草芽孢杆菌）为处理剂（酶菌比为8∶20）处理荞麦秸秆、稻草和苜蓿干草，可显著降低其中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量，且改善发酵品质并破坏其纤维结构。陶莲[39]用酶（纤维素酶+木聚糖酶+β-葡聚糖酶）菌（植物乳杆菌+布氏乳杆菌）复合添加剂用于青贮玉米秸秆制备，其中2 个酶菌复合处理组中NDF、纤维素在瘤胃中降解能力显著高于其他处理组。结果表明，添加酶菌复合添加剂能够有效破坏玉米秸秆青贮饲料的特殊木质素-纤维素-半纤维素复合体结构，改善秸秆青贮饲料的发酵品质。

3 生物发酵农作物秸秆在反刍动物上的应用研究

3.1 生物发酵农作物秸秆对肉牛的影响

饲料成本是肉牛生产过程中的重要制约因素，如何合理地利用廉价的饲料资源来降低养殖成本，是获取最大经济效益的关键。农作物秸秆成本低廉、来源广泛，且经过生物发酵处理后，其适口性和营养价值也得到了极大的改善，因此在肉牛的生产中有着很大的应用潜力。李成云等[40]研究发现，生物发酵稻秸具有柔软多汁、适口性好、气味酸香等特点，饲喂乳酸菌青贮稻草组比饲喂风干稻草黄牛的日采食量提高93.13%。史占全等[41]研究Strawzyme 酶制剂对青贮晚稻草发酵品质和育成牛生产性能的影响，结果发现，在稻草青贮中添加Strawzyme 酶制剂和6%的麸皮，稻草的NDF含量降低了6.3%，稻草干物质在瘤胃内48 h的降解率提高了23.8%，且育成牛的采食量较饲喂未发酵稻秸增加58.6%，日增重提高34.3%。Nazli 等[42]研究发现，饲喂全株玉米青贮与饲喂稻草相比，肉牛的采食量和体增重均显著增高，饲喂全株玉米青贮组的日增重能稳定在808 g/d。陶莲[39]研究发现饲喂发酵的小麦秸秆较饲喂未发酵小麦秸秆的肉牛，日增重提高0.2 kg，养殖收益提高。Shibata等[43]研究发现，在日本黑牛育肥阶段，使用生物发酵全株稻秸替代精料日粮，不影响生产性能，还可以改善黑牛的肌肉滴水损失，肌肉中α-生育酚和β-胡萝卜素含量显著升高。

3.2 生物发酵农作物秸秆对奶牛的影响

生物发酵饲料在奶牛日粮中的占比非常大，其品质的好坏直接影响奶牛的健康状况、产奶量及所产牛奶的质量，是奶牛生产性能和饲养成本的重要影响因素之一。孙金艳等[44]用发酵玉米秸秆饲喂泌乳期奶牛，与饲喂未处理秸秆组对比，奶牛瘤胃菌体蛋白浓度、纤维素酶活性显著提高，瘤胃液pH、氨态氮、挥发性脂肪酸、乙酸等浓度显著提高，说明发酵玉米秸秆能够向瘤胃微生物提供更多的消化酶和营养底物，促进纤维分解菌的生长和繁殖，提高纤维素酶活性，进而改善瘤胃内环境，提高瘤胃发酵功能。Iqbal等[45]发现，使用乳酸菌进行生物发酵处理的大麦秸秆作为奶牛的基础日粮时，在不影响实际产奶量和乳糖浓度的情况下，提高了牛奶中的乳脂含量和蛋白质比例。赵超[46]研究表明，菌酶复合制剂处理的豆渣与玉米秸秆的混合发酵能够提高奶牛瘤胃中氨态氮、总挥发性脂肪酸、乙酸、丙酸浓度，提高血液中血糖球蛋白浓度，降低β-羟丁酸、非酯化脂肪酸和谷丙转氨酶浓度，并可改善瘤胃发酵环境，代替全株玉米青贮对奶牛生产性能无影响。Wang 等[47]研究了甜菜浆与稻草混合青贮饲料替代整株玉米青贮对奶牛的影响，结果显示，随着甜菜浆与稻草混合青贮饲料替代整株玉米青贮的比例增加，奶牛产奶量呈线性增加，氨态氮和牛奶尿素氮浓度减少，产奶量线性增加，45%的替代水平为最佳。

3.3 生物发酵农作物秸秆对肉羊的影响

与肉牛的实际生产相类似，生物发酵饲料在肉羊生产中也取得了较好的饲喂效果，并在一定程度上降低了饲料成本。韩颖洁[48]比较微生物发酵玉米秸秆与传统青贮玉米秸秆，结果表明，微生物发酵玉米秸秆较传统青贮玉米秸秆，粗纤维、酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维均显著降低，氨基酸总量提高了15.37%。并研究了微生物发酵稻秸对育成小尾寒羊生产性能的影响，结果发现，添加75%微生物发酵稻秸的育成小尾寒羊具有最为适宜的氮代谢以及能量代谢水平，其体增重、屠宰率和净肉率显著提高。Donmez等[49]研究生物发酵玉米秸秆对肉羊瘤胃代谢及瘤胃微生物的影响，结果发现，饲喂生物发酵玉米秸秆显著提高了瘤胃中原生动物的种类以及总挥发性脂肪酸的浓度，而丙酸与丁酸的浓度无显著差异。徐尧[13]和周雅琦[14]研究表明，饲喂生物发酵稻秸显著提高了湖羊的生长性能，提高了瘤胃中Prevotella和Unclassified-Muribaculaceae以及多个代谢通路的相关丰度，提高了瘤胃中挥发性脂肪酸转运效率，进而显著提高湖羊的生长性能和肉产品品质，并显著降低饲喂成本。冯文晓等[50]用菌酶复合制剂处理小麦秸秆，用菌、酶复合青贮剂和复合酶制剂处理小麦秸秆饲喂肉用绵羊，结果显示，饲喂发酵小麦秸秆提高了秸秆日粮营养物质的消化率和日增重，对肉羊生长性能具有显著的改善作用，可替代部分优质牧草。姜碧薇等[38]用酶菌混合处理荞麦秸秆、稻草和苜蓿干草饲喂滩羊，对滩羊瘤胃细菌的功能基因和碳水化合物活性酶产生了一定影响，提高了滩羊瘤胃内的部分半纤维素降解酶活性和部分非结构碳水化合物酶的活性，促进了滩羊对粗饲料的消化和吸收。能够显著提高滩羊的总增重、平均日增重和提高生长量等生长性能指标。有提高滩羊胴体重、屠宰率、眼肌面积和净肉重的趋势，且有降低GR 值的趋势，并有改善滩羊肉色和肉品质的作用。

4 小结与展望

生物发酵技术是饲料工业中正在兴起的一种新技术，利用生物发酵技术提高农作物秸秆饲料利用率的研究越来越深入。我国农作物秸秆资源非常丰富，通过生物发酵技术促进农作物秸秆的饲料化利用，不仅可取代秸秆直接焚烧的方式，减少对环境的污染，同时也可避免资源浪费。农作物秸秆含有多种适于家畜生长需求的营养元素，且大量研究表明，生物发酵农作物秸秆的适口性、采食率、瘤胃微生物降解率等方面都有很大提高。农作物秸秆饲料化不仅可以促进秸秆资源利用，也可以缓解粗饲料资源缺乏，且可以降低养殖成本，促进畜牧业可持续发展。