提高秸秆饲料利用率和营养价值的研究进展

    农作物秸秆作为一种非竞争性资源，在我国具有数量大、分布广、种类多、价格低廉的特点。目前全国年产秸秆约为6亿多吨，而用于饲料的还不足10% [1] 。由于秸秆自身的理、化特性，使其作为饲料存在着很多问题。秸秆的茎杆粗硬，且在消化道停留的时间长，影响家畜的采食量和适口性；秸秆含氮量低，一般含粗蛋白仅3%-5%；同时，秸秆的粗纤维含量高达35%-50%，并且粗纤维中的纤维素与木质素结合成较为坚固的结构，动物难以消化利用。一般来讲，反刍动物对秸秆的消化率仅有20%-30%。[2]
    针对秸秆类作为饲料的适口性差，采食量和消化率及营养价值低的特点，长期以来人们在改善秸秆的适口性，提高消化率，增加其营养价值等方面进行了大量深入的研究和生产实践，取得了很大的进展。本文就目前应用较为广泛有效的复合化学处理、生物处理以及通过对瘤胃内环境进行营养调控等提高秸秆饲料利用率和营养价值的方法分别加以论述，为生产者更有效的利用秸秆饲料，提高其营养价值提供参考。
    1 秸秆的加工处理方法
    1.1 复合化学处理
    对于秸秆的加工利用，目前应用最普遍的是秸秆的化学处理。主要有氨化（尿素、无水氨、碳酸氢氨，硫酸铵等），碱化（NaOH，Ca（OH）2）等。经多年的研究和生产实践，秸秆经过氨化后，其适口性改善，采食量增加，消化率增加。研究表明，当秸秆、水和尿素的添加量比为25:10:1时，秸秆的粗蛋白含量将增加1?1.5倍，动物对秸秆的采食量增加20%左右，有机物消化率增加20%左右，纤维素消化率提高20%?30%。碱化处理秸秆的主要作用是提高干物质的消化率[3]。秸秆经碱化处理后，其采食量提高20%?30%，干物质消化率提高20%?30% [2]。一般情况下，氨化处理秸秆可提高瘤胃降解率10个百分点，碱处理秸秆可提高降解率约为20个百分点（冯仰廉，1992）。
    近年来，随着秸秆化学处理的研究进展，研究者提出了用尿素加氢氧化钙调制秸秆的复合化学处理法。试验表明，这种调制方法的效果高于氨化或碱化单一处理。毛华明等研究得出，以尿素氨化加氢氧化钙处理稻草，压制成粒，瘤胃48小时干物质消化率比对照组提高21个百分点，进食量达到每100Kg体重1.82Kg[4]。冯仰廉等（1992）用尿素加氢氧化钙调制秸秆得出复合处理比单独用尿素或氢氧化钙处理的秸秆干物质降解率提高了一倍 [5]。另外，尿素和氢氧化钙的用量对秸秆瘤胃消化率也有明显的影响，当用量为40g尿素/Kg秸秆干物质+50g氢氧化钙/Kg秸秆干物质时，稻草的消化率从48.3%提高到71.2%,而用尿素单独处理的消化率为60.6%,秸秆的粗蛋白含量可从4.31%提高到10.39%[6]。因此，复合化学处理不仅能更有效的提高秸秆饲料在瘤胃中的降解率和粗蛋白的含量，而且这种处理方法成本低，简便易行，对人畜无害。
    为了适合规模饲养的养殖场以及秸秆饲料工业化发展的要求，人们研究将秸秆复合化学处理于与成型加工相结合对秸秆营养价值的影响，并取得了很大进展。毛华明，冯仰廉就复合化学处理与成型加工工艺条件对秸秆营养的影响[7]进行研究得出，复合处理剂的用量对麦秸体外有机物消化率（IVOMD）有明显影响。麦秸IVOMD为38.75%，经过不同剂量的尿素和氢氧化钙处理，颗粒出机后IVOMD平均提高到50.10%,最好处理组合达55.62%,提高了16.87个百分点。如果颗粒出机后密封4天，IVOMD最好处理组合可达59.99%,提高21.24个百分点。另外，秸秆水分为30%时，添加复合化学剂，颗粒出机后再密封10天以上，IVOMD还可提高4个百分点。杨文大和王培力[8]研究表明，复合氨化处理，在相同尿素量、反应时间和环境条件下，成品秸秆饲料中粗蛋白的含量、干物质、粗蛋白及粗纤维的瘤胃消失率均显著高于尿素单独处理。因此，复合化学处理结合适宜的机械加工工艺，无论从提高家畜的采食量、适口性、饲料转化率及经济效益等方面均优于单一的手工氨化、碱化处理，并使大量秸秆用于家畜规模化饲养成为可能。
    1.2 生物处理
    1.2.1 酶制剂发酵处理秸秆
    酶制剂是近年来研究较多的一种黄（青）贮填加剂，主要是纤维素酶，其他还有半纤维素酶，β?葡聚糖酶，植酸酶，果胶酸酶等[9]。卢庆萍[10]等分别用纯纤维素酶（上海生化制剂厂，14853U/g）、溢多利复合酶制剂（珠海，630U/g）、Econase复合酶（芬兰，27781U/g）、Novo复合酶（瑞典，29900U/g）等饲料级纤维酶和生化级纤维素酶处理玉米秸、稻草及麦秸，结果表明，各处理组DM、NDF的瘤胃降解率较对照组无明显改变，秸秆中NDF的含量也无明显变化。只是对处理后秸秆的发酵特性有一定的改善作用，NH3-N含量降低，pH值降低。由于酶的反应往往发生在细胞表面，不能穿透细胞壁，所以对细胞壁结构的破坏作用不大 。要将酶制剂用于秸秆调制，必须对秸秆进行预处理，这必然会提高处理成本，生产中难以推广。因此，单纯用酶制剂在秸秆调制中的意义不大。但也有许多试验表明，反刍动物日粮中添加外源纤维分解酶可提高饲料消化率。据孔祥浩[11]报道，加拿大的Rode等在泌乳早期乳牛日粮中添加了一定量的木聚糖酶和纤维素酶混合物，结果，试验组较对照组的产奶量提高3.6Kg/d；营养物质消化率分别提高：干物质7.4%，中性洗涤纤维8.5%,粗蛋白8.1%。
    1.2.2 微生物制剂发酵处理秸秆
    生产中最常见的微生物制剂是乳酸菌接种剂。这种制剂发酵贮存秸秆，主要依靠乳酸菌发酵，使pH下降，抑制有害菌的繁殖，并且在发酵后，由于粗硬秸秆变软，有酸香味，能刺激家畜的食欲，从而提高家畜的采食量 。卢庆萍等[12]分别用新疆海星牌秸秆发酵活杆菌和日本颗粒型青贮宝（主要含乳酸菌）发酵贮存玉米秸、稻草及麦秸，结果表明，用乳酸菌发酵秸秆只能提高秸秆的适口性，提高采食量，不能降解秸秆的纤维性物质，也不能提高秸秆DM、NDF的瘤胃降解率，但可以增加玉米秸发酵的产酸量及降低氨态氮，有利于秸秆的发酵，防止霉变。需注意的是，用这种制剂发酵贮存秸秆时要有足够的可溶性碳水化合物作为微生物发酵的底物。对于营养价值低略的秸秆，其可溶性碳水化合物含量很少，只添加微生物制剂是没用的。
    1.2.3 复合生物发酵处理秸秆
    针对单纯用微生物制剂发酵贮存秸秆效果的缺点，对秸秆先进行化学预处理，再利用筛选的一些特异性菌株进行秸秆的发酵，即秸秆的复合生物处理技术[13]。这种方法不仅很大程度上改善了秸秆饲料的适口性，而且降低了秸秆的纤维性物质，同时也提高了秸秆DM、NDF的瘤胃降解率和营养价值。李大鹏，高玉荣等[14]在粉碎揉搓松散的玉米秸秆中按一定比例加入玉米粉、尿素、水混合均匀，并按一定比例接种一定量的绿色霉菌、酵母菌、曲霉菌，经过特定的发酵工艺处理，发酵的玉米秸秆中纤维含量由原来的40.2%降低至13.6%，降低了66.2%。粗蛋白由2.8%提高至28.8%，同时，无氮浸出物及粗灰分都有一定的提高。发酵好的饲料有一定的酸香味，适口性好。王立新等[15]用多菌种发酵粗饲料并通过育肥猪的饲养试验发现，多菌种双重发酵粗饲料，粗纤维降解率达46.21%，粗蛋白含量提高116.93%,营养价值显著提高。育肥猪的生长速度提高16.2%,饲料转化率和饲料效益分别提高7.86%和45.86%。因此，适宜的秸秆复合生物发酵贮存从营养价值，饲喂效果和经济效益等放面都有很大的适用价值。
    1.2.4 利用微生物发酵降解秸秆中的木质素
    秸秆成分中纤维素和半纤维素能够被家畜瘤胃充分降解利用，但由于木质素和纤维素镶嵌在一起形成坚固的酯键，阻碍了瘤胃微生物对粗纤维的降解，导致秸秆的消化率降低。因此，提高秸秆消化率的关键是降解木质素，打断酯键。微生物中只有少数真菌能降解木质素。目前，国内外研究最多并表现出有效降解能力的白腐真菌主要有香菇菌[16] 和黄孢原毛平革菌（Phanerochaete Chrysosporium）[17]。用白腐真菌处理秸秆时，秸秆不需要进行化学或物理的预处理，即对底物没有选择性。Zabrazil[18]等进行了大量白腐真菌处理秸秆的研究试验，结果表明，经白腐真菌处理的秸秆，木质素降解40%-60%，纤维素和半纤维素降解20%-40%，干物质损失10%-40%，粗蛋白从3.7%左右升高到4.0%-5.0%，体内干物质消化率可从处理前40%左右提高到50%-60%。英国Aston大学最近从秸秆堆中分离出一种白腐真菌，这种微生物只降解木质素，不降解纤维素，可以使秸秆的体外消化率从19.63%提高到41.13%。更令人惊喜的是，经白腐真菌处理的秸秆不仅营养成分有极大的提高，而且具有愉快的水果香味，质地柔软，适口性明显改善。但由于不同的白腐真菌发酵秸秆时受到温度、水分含量、通风状况、酸碱度、秸秆碳氮比及发酵时间等因素的影响，实际操作中很难把握。而且，实际生产中由于存在着大量霉菌和其它杂菌，在氧气、温度和湿度等适宜条件下，杂菌会迅速繁殖，竞争性抑制白腐真菌的正常生长，使秸秆发霉变质，影响白腐真菌处理秸秆的效果。同时，白腐真菌处理秸秆时，对干物质和能量消耗比较大。这些因素很大程度上限制了其在实际生产中的推广应用。所以，目前绝大部分利用白腐真菌处理秸秆营养价值的研究仅限于试验室。但随着研究的进展，白腐真菌处理秸秆的技术一旦取得突破性的成果并付诸于生产实践，它将为我国草食家畜的发展做出不可估量的贡献。
    另外，据孟冬丽[19]报道，新疆师范大学生物系从1991年开始，利用木质纤维分解菌降解木质纤维类物质以及利用有机酸发酵菌产生挥发性脂肪酸的特性，在体外进行了农作物秸秆的厌氧发酵试验，取得了较好的效果，经过8年的研究并中试后在全国范围内推广应用，得到了国内外著名畜牧专家、饲料专家、微生物专家的肯定。
    2 调控瘤胃内环境，提高反刍家畜粗纤维的利用率
    作物秸秆干物质一般由灰分、含氮化合物与非含氮化合物组成，而干物质的主要成分是细胞壁（CW）。若按CW中主要成分半纤维素、纤维素、木质素之和占CW总量的百分含量计算，大麦秸、燕麦秸为76%，冬小麦秸69%，黑麦秸80%[20]。由此可见，CW成分在作物秸秆中占70%以上。而反刍动物日粮精粗比常为50:50或60:40，能大量利用秸秆粗饲料。所以，改善瘤胃微生物生存环境，提高微生物合成强度，调动微生物分解CW的潜力，是提高秸秆利用率的重要措施[4]。
    2.1补充适量的淀粉或蔗糖等能量物质
    瘤胃内容物的能量浓度是决定瘤胃微生物合成速度最主要的因素。首先，能量水平对细菌的生长和繁殖有着决定性的作用。细菌利用氮或氨基酸（AA）是一个耗能过程，而这些能量主要由日粮中的碳水化合物发酵产生。其次，瘤胃细菌必须利用碳水化合物形成各种α-酮酸，才能通过氨化作用形成AA。大量试验已证明，当瘤胃中有充足的易利用能源时，瘤胃中氮的利用率高，蛋白质合成强度大，微生物生长繁殖快。而能量营养不足时，纤维素分解菌得不到充分的发育，使日粮中粗纤维素（CF）和其他营养物质的消化率降低。但是，能量过剩时也会引起上述营养物质的消化率降低。因为可溶性淀粉或糖过高时，会使瘤胃内容物的pH降至5-6，而纤维素分解菌迅速繁殖适宜的pH为6.2?7.0左右[21][22]。Mould等（1983年）的结论证明当瘤胃的pH低于6.2时，纤维素的消化减少。有试验表明，每天给饲喂低质蛋白干草的绵羊添加50-100g淀粉（或蔗糖），CF的消化率可以从43%提高到54.5%。若添加超过200g时，消化率降至34.1%（B.P.Эeπbkep,1974）。因此，日粮中适宜的易消化碳水化合物的添加量对提高CF的利用率非常重要。一般认为，反刍家畜每千克活重适宜供糖量通常为1-3g。A.B.MoЛЯHoB(1978)推荐：成年绵羊和肥育绵羊相应为2-4g和1.0-1.2g。
    另外，补充能量，可使采食秸秆的家畜瘤胃中乙酸比例降低，丙酸的比例提高，为瘤胃内环境中补充生葡萄糖物质创造条件，以保证家畜正常的代谢和健康的体况。所以瘤胃内适宜的能量浓度，对提高CF的利用率和家畜本身健康都有非常重要的意义。
    2.2补加可发酵氮源
    瘤胃中的氮浓度是决定蛋白质合成的又一重要因素。氮是瘤胃微生物合成蛋白质的基本原料，故在微生物合成作用的最高限度内，当能量供应充足时，氨浓度的大小直接影响着蛋白质的合成。可发酵氮源缺乏，家畜采食量下降，瘤胃内微生物无法得到充足的氮源，其生长繁殖缓慢，瘤胃内发酵速度降低。一些研究提出的最佳NH3-N浓度范围是0.35-20mg/100ml瘤胃液（Slyter等，1979）。Okorie和Buttery等（1977）在瘤胃氮浓度为5×10-3mol时获得了最高的瘤胃蛋白质合成量。目前，适宜的可发酵氮源补加量应用较为普遍的是Burroughs等（1975）提出的尿素发酵潜量（UFP）和冯仰廉（1978）提出的氮能平衡原理中的有效用量（ESU）。
    2.3补充过瘤胃蛋白
    通过使用过瘤胃蛋白的调控，可以提高秸秆日粮中蛋白质的有效氨基酸水平，从而提高秸秆饲粮的利用率。试验证明，以碱化稻草为基础的日粮补充鱼粉后，育成牛日增重比对照提高28.5%[23]。
    2.4补充微量元素
    以秸秆为基础的日粮补充微量元素混合物可使绵羊瘤胃中NH3-N占总N的比例下降，真蛋白氮比例上升，使瘤胃微生物合成蛋白质的能力得到改善，繁殖力增强[24]。另据Forsberg[25]等报道，通过补充谷物饲料和微量元素，能提高微生物活力，并发现瘤胃中厌氧真菌能部分降解秸秆中最难消化的厚壁组织和木质部。
    2.5补充矿物质硫
    硫是保证瘤胃微生物最佳生长的重要养分，瘤胃中微生物含硫8g/KgDM(Bird,1973)。所以必须持续不断地给瘤胃微生物提供足够的硫源，硫缺乏时会影响反刍动物对纤维素的消化和瘤胃内VFA的比例，并会导致家畜食欲减退甚至丧失。特别在反刍动物以低质饲草为主的饲养模式中,补硫十分重要。一般用瘤胃液的N/S和硫化物浓度作为检测硫营养状况的指标。英国ARC（1980）综述的平均值为14∶1。另据报道，适宜的N/S是：10-14∶1（羊）和14-15∶1（牛），适宜的瘤胃液硫化物的浓度是10mg/ml。通常情况日粮内硫的安全水平是0.1%-0.2%之间[26]。但值得注意的是，硫过量时反而会使家畜采食量降低且纤维物质的消化率也随之降低。
    2.6日粮中脂肪的含量应适宜
    日粮中脂肪的含量也影响纤维素的分解利用。据研究，瘤胃中低浓度的脂肪对微生物的活力就有明显的抑制作用。Brooks(1954)进行的体外实验表明，培养基中玉米油含量达400mg/ml至800mg/ml就可以抑制纤维素分解菌的活性。而且一些脂肪酸，特别是多聚不饱和脂肪酸，具有较高的表面活性，一旦这些脂肪酸吸附在微生物细胞表面，就会影响它们的分裂和生长，从而抑制瘤胃微生物的活性，导致日粮中营养物质的利用率降低。反刍动物日粮中脂肪的添加量一般牛为700g-900g,相当于日粮DM的5%-7%[21]。如果超过此范围，会严重降低纤维素的消化率。有试验表明，除乙、丁、戊酸和甘油酯未影响粗纤维的消化率，其它饱和、不饱和脂肪酸均不同程度的降低粗纤维的消化率。
    因此，对瘤胃内环境条件进行系统营养调控，并制定有效的营养调控模式，充分利用秸秆饲料的营养潜力，可极大地激发瘤胃微生物的活性，促进纤维分解菌的繁殖，以提高反刍家畜对秸秆纤维性物质的的利用率。
    综上所述，对于如何提高秸秆饲料的利用率和营养价值，无论用化学处理还是用生物处理都取得了很大进展并已向工业化方向发展。但实际生产中究竟应用哪种方法，应根据当地条件，因地制宜，以高效益和低成本为准绳。同时，本文作者建议在给家畜饲喂调制好的秸秆或在秸秆压块、压粒时，一定要结合反刍动物瘤胃的调控，制定系统有效的营养调控模式，补充添加适量的与提高秸秆饲料利用率有关的营养物质，以更有效的提高反刍家畜对秸秆的利用率。