秸稈發酵生產高蛋白飼草技術

文│朱寶成（河北農業大學）

王來福（河北眾邦生物技術有限公司）

目前在畜牧業養殖成本中飼料成本占到了60%～80%，養殖成本的高低關系到企業的經濟效益和發展空間。為什么牛羊可以食草長肉？為什么奶牛可以食草泌乳？大量研究證實，反芻動物的這些特性都與瘤胃微生物的活動相關。據此，我們在系統研究瘤胃微生物的基礎上，模擬瘤胃微生物的作用原理，創建了發酵秸稈（草）生產高蛋白飼草技術，給動物增加一個體外人工瘤胃，對飼草進行飼前預加工。

秸稈發酵生產高蛋白飼草技術體系可以概括為：模擬瘤胃微生物作用原理，建立菌劑工業化生產技術，降解秸稈纖維素，產生揮發性脂肪酸及乳酸，轉化利用外源無機氮源合成菌體真蛋白，節省飼料用糧，降低養殖成本，提高經濟效益。即一項技術（秸稈發酵高蛋白飼草技術）、兩個理論依據（瘤胃微生物分解利用纖維素產生揮發性脂肪酸、瘤胃微生物轉化利用外源無機氮源合成菌體蛋白），產生兩個重要的營養物質（揮發性脂肪酸、菌體真蛋白），發揮三個方面的作用（拓展利用發酵秸稈飼草養畜，緩解人畜爭糧矛盾；節省飼料用糧，降低養殖成本，增加經濟效益；有效防治畜禽腸道疾病，減少抗生素使用，提高肉蛋奶的產品質量）。現已確定的發酵秸稈粗蛋白含量分為三個標準：黃、干秸稈發酵后粗蛋白可以達到12%以上；青玉米秸稈發酵后粗蛋白可以達到15%以上；全株玉米秸稈發酵后粗蛋白可以達到20%以上。

20多年來我國養殖業取得巨大的成績的同時，也存在著憂患，突出問題就是養殖業未能擺脫對糧食的過分依賴。每年畜牧業飼料用糧接近我國糧食總產量的1/3～2/5，其中絕大部分用于生豬飼料。

目前，我國對農作物秸稈的利用還停留在傳統方式的層面上，如直接焚燒、燃燒用作能源、秸稈還田作為肥料，而加工成秸稈飼草的為數不多。國家高度重視秸稈資源綜合利用，有關部門連續出臺了多項法規。

根據聯合國環境規劃署的統計，世界上各種農作物每年產生的秸稈多達20余億噸，其中玉米秸稈約占35%，小麥秸稈約占21%，稻草約占19%，大麥秸稈約占10%。我國每年產生秸稈近7億噸，約占世界總產生量的1/3。農作物秸稈含有植物光合作用所積累的一半以上的能量，雖然我國農作物秸稈資源豐富，但目前用于畜禽養殖的不足20%，經過處理后飼喂的秸稈量不足10%。秸稈作為非競爭性的飼料資源，只要能進行合理的加工處理，提高對纖維素的消化利用率，用來飼喂畜禽，特別是用來飼喂牛羊等反芻家畜，仍然能夠成為重要的飼料資源。

目前所報道的秸稈處理方法很多，如揉絲、青貯、微貯、氨化等，但只能解決秸稈的適口性問題，相應地提高了一定程度的消化率，但秸稈經過處理后增值部分的效益基本被秸稈處理成本所抵消，經濟效益不高。

一、秸稈的組成

秸稈主要由纖維素、半纖維素、木質素組成，纖維素和半纖維素為細胞壁結構性碳水化合物，也是反芻動物瘤胃微生物碳水化合物發酵的重要來源。木質素是酚酸多聚體混合物，不是碳水化合物，一般不能被瘤胃微生物降解，但它與纖維素和半纖維素緊密交織在一起，是影響纖維素、半纖維素降解的主要因子。纖維素是由許多葡萄糖分子經β-1,4-糖苷鍵結合形成的分子聚合物，在自然界中主要以微纖維組成的結晶型形式存在，而纖維素酶難以直接水解結晶型的微纖維；由于木質素和半纖維素包裹在纖維素之外，以屏蔽效應阻遏纖維素酶吸附纖維素分子，兩者構成了秸稈中的纖維素難以被降解利用的主要因素。

二、瘤胃微生物的作用

為何牛羊反芻動物能夠有效利用纖維素中的能量，為何反芻動物能夠有效利用尿素等外源非蛋白氮？大量研究表明，反芻動物瘤胃中的微生物在粗纖維的消化和非蛋白氮的利用過程中起著非常重要的作用。

反芻動物最大的營養特點就是能夠借助瘤胃微生物的作用，利用日糧蛋白降解產生的氨、肽和氨基酸作為氮源，利用日糧碳水化合物發酵產生的揮發性脂肪酸和ATP作為碳骨架和能量合成微生物菌體蛋白。日糧中的碳水化合物（包括淀粉、纖維素、半纖維素等）在瘤胃微生物的作用下生成乙酸、丙酸、丁酸等揮發性脂肪酸，這些揮發性脂肪酸是反芻家畜主要的能量來源，可以滿足宿主動物總能量需要的70%～80%。微生物菌體蛋白是反芻動物最主要的氮源，能提供40%～80%的蛋白需要量。

1.瘤胃微生物對碳水化合物的降解機理。通常玉米淀粉作為畜禽重要的能量來源。由于淀粉在反芻動物瘤胃中大部分被微生物所降解，所以也是瘤胃微生物生長的重要能量來源。

由于纖維素與淀粉不同的組成結構，造成了功能上的巨大差異。纖維素雖然與淀粉一樣是由葡萄糖分子單元構成的，但其葡萄糖分子間的連接方式卻有所不同，淀粉分子組成中的D-葡萄糖是以α-1,4糖苷鍵相連接，而纖維素中的D-葡萄糖是以β-1,4糖苷鍵相連接。纖維素不溶于水，也不溶于稀酸、稀堿，而在一定程度上能夠被瘤胃微生物所降解利用。

在反芻動物的瘤胃中，淀粉、纖維素、半纖維素等碳水化合物的降解利用可分為2個階段：首先是復雜的碳水化合物在各種酶的作用下逐級降解成單糖；然后這些單糖迅速被瘤胃微生物利用轉化成丙酮酸，丙酮酸再經過各種代謝途徑轉化成乙酸、丙酸、丁酸等揮發性脂肪酸。

揮發性脂肪酸是指碳鏈為1～6的短鏈脂肪酸，對動物的能量吸收利用具有重要意義。對動物體代謝作用最為重要的有乙酸、丙酸和丁酸，約占瘤胃發酵揮發性脂肪酸總量的95%，乙酸是產量最大的揮發性脂肪酸，約占揮發性脂肪酸總量的70%～75%。反芻動物對飼料碳水化合物的吸收利用主要以揮發性脂肪酸的形式進行。研究表明，揮發性脂肪酸約占反芻動物吸收總能量的70%左右，因此揮發性脂肪酸在反芻動物碳水化合物營養中占有極其突出的重要地位。

2.瘤胃微生物利用外源無機氮源合成菌體蛋白的機理。隨著反芻動物營養學研究的深入和飼喂技術的發展，尿素等非蛋白氮已廣泛應用于牛、羊的養殖中，在飼料中添加一定量的非蛋白氮可部分代替少量飼料中的蛋白質。瘤胃微生物能夠分解飼料中的纖維素，同時微生物產生的脲酶可將飼料中加入的非蛋白氮分解成NH3和CO2，然后微生物菌株利用NH3作為氮源，與碳水化合物分解產生的酮酸共同合成微生物菌體蛋白。這些菌體蛋白有很高的營養價值，其提供的氨基酸占到反芻動物小腸吸收氨基酸總量的40%～80%，且具有相對穩定的氨基酸類型和配比。菌體蛋白在胃腸蛋白酶的進一步作用下分解為氨基酸，而后在小腸中被吸收利用。

農業部2013年第2045號公告《飼料添加劑目錄（2013）》規定的非蛋白氮有：尿素、碳酸氫銨、硫酸銨、液氨、磷酸二氫銨、磷酸氫二銨、異丁叉二脲、磷酸脲、氯化銨、氨水。其中尿素具有很高的蛋白當量，其純品的理論蛋白當量高達288%（含氮量46.0%×蛋白換算系數6.25）。

三、該項技術的總體水平

“秸稈發酵飼料多菌系復合菌劑的研制與應用”項目，2008年通過了河北省科學技術廳組織的成果鑒定，以中國工程院院士任繼周、中國科學院院士陳文新等11名專家組成的鑒定委員會認為“該成果研究思路新穎，自主創新特色明顯，為產業化生產奠定了基礎，具有顯著的經濟效益、社會效益和生態效益，開發應用前景十分廣闊”。

之后，在該項目的深化和應用示范過程中得到了河北省農業科技成果轉化資金“秸稈發酵飼料復合菌劑的生產中試與秸稈發酵示范”、國家星火計劃重點開發項目“河北省太行山區秸稈發酵飼料示范與推廣”以及合作企業長春瑞豐生物工程有限公司、河北眾邦生物技術有限公司、河北潤捷生物技術有限公司、內蒙古藍亭生物工程有限公司等的鼎力支持，并取得了系列性成果。其中《秸稈發酵飼料復合菌劑的研制及其生產工藝》項目獲2013年度河北省科技進步二等獎。

四、關于該項目的技術性問題

1.先進成熟的菌劑生產工藝。

（1）芽孢發酵生產工藝。采用60～120噸發酵罐液體深層發酵培養，發酵終期芽孢數量達到150～180億/毫升，芽孢形成率達到90%以上，保證了后續的干燥后處理。

（2）先進的離心濃縮和噴霧干燥工藝。芽孢發酵液經離心濃縮后芽孢數達到500億～800億芽孢/毫升以上，噴霧干燥后的菌粉中芽孢含量超過2000億芽孢/克。芽孢菌粉可以根據需要配兌成不同芽孢含量的產品，如100億個芽孢/克的成品，便于使用。

2.產品形式新穎。所研制出的產品為高含量芽孢菌粉，成品定位為100億芽孢/克，便于貯存、運輸、使用。

3.產品中活菌（芽孢）含量高。產品中的含菌量可以根據需要任意調整。如果沒有濃縮和干燥工藝，很難保證菌劑產品的有效含菌量、菌活性及貯存時間。所研制的秸稈發酵菌劑的使用總量為10000億/噸干秸稈，作用效果明顯。

4.芽孢菌劑保質期長。所研制出的菌劑為干燥后的芽孢粉，保質期超過2年，可達3～5年。

5.適用范圍廣。所研制出的發酵菌粉適用于玉米秸、稻草、稻殼、棉稈、甘蔗渣、大豆秸、花生殼、花生秸等農作物秸稈及加工副產品的發酵，青秸稈、干秸稈均可，尤其是對于干秸稈（加水濕潤）的發酵，有效延長了秸稈的可發酵季節，擴大了使用期間和范圍。

五、發酵秸稈飼料的應用效果

1.生化檢測指標。玉米秸稈經發酵后粗蛋白含量可以達到12%～16%（根據輔料和菌劑的添加量進行合理調整），全株玉米發酵粗蛋白超過20%；中性洗滌纖維含量由65%～70%降至40%左右，降解率約40%，纖維素轉化利用率大大提高。發酵產生大量揮發性脂肪酸，秸稈發酵后的pH降至4.0左右，利于貯存。

2.動物飼喂效果。2009年初開始了菌劑的工業化規模生產。2009年5月起開始利用發酵菌劑分別在吉林、遼寧、河北、內蒙古、山東等地進行了大量的發酵秸稈應用示范，在牛、羊、兔、豬、鵝上均取得了顯著的節糧飼喂效果。

以育肥羊為例：粗蛋白含量40%的育肥羊蛋白濃縮料售價約為3500/噸，每天每只羊需飼喂0.2～0.25千克，費用0.7～0.9元/天。如果減少2/3的濃縮料飼喂量，每只羊每天可節約蛋白精飼料成本為0.47元～0.6元，在此營養水平上每只羊每個月多增重1千克多。另外，在不減少蛋白濃縮料時每只羊每月多增重2～3千克，經濟效益顯著。

據河南省飼草飼料站利用發酵麥秸飼喂肉牛試驗：經檢測發酵后的麥秸粗蛋白質含量為13.2%。用發酵麥秸代替普通麥秸，減少30%精料、增加30%發酵麥秸的試驗組增重效果最好，西門塔爾母犢牛頭平均日增重1.152千克；發酵麥秸代替普通麥秸、精料不減試驗組次之，頭平均日增重0.997千克；而常規麥秸飼喂方式育肥效果最差，頭平均日增重0.452千克。按活牛25元/千克計算，三個組的頭日均經濟效益分別為20.61元、15.93元、3.34元。

2013年委托吉林省農業科學院畜牧分院以新吉細毛羊為試驗對象，通過釆用飼養試驗、生長代謝試驗和絕食代謝試驗相結合的方法，考察了飼喂發酵玉米秸稈對育肥羊的碳、氮沉積及能量代謝的影響。經檢測，發酵秸稈中的粗蛋白含量為13.52%，比青秸稈提高了134%；中性洗滌纖維降低了39.43%，酸性洗滌纖維降低了40.07%。飼喂結果表明，在基礎日糧同等的條件下，飼喂50%發酵秸稈＋50%青玉米秸稈的試驗組比全部飼喂青玉米秸稈的對照組差異顯著。日增重提高了46.64%。試驗組的氮表觀消化率平均提高了14.95%，氮的沉積量平均提高了79.29%，氮總利用率提高了57.92%；沉積碳平均提高了48.76%；總能消化率提高了11.24%，沉積能提高了77.17%；甲烷排放量平均降低了22.09%，甲烷能損失降低了22.31%。