微生物發(fā)酵粗飼料在反芻動物生產(chǎn)中的應(yīng)用研究進展
摘 要:粗飼料是指天然水分含量小于45%,干物質(zhì)中粗纖維含量大于或等于18%,并以風(fēng)干物質(zhì)為飼喂形式的飼料。利用微生物發(fā)酵處理粗飼料,可以改變其適口性差、消化率不高等缺點,降低粗飼料中的抗?fàn)I養(yǎng)因子,改變其微觀結(jié)構(gòu),提高反芻動物消化率及免疫力。文章就粗飼料原料種類、處理方法、微生物發(fā)酵粗飼料作用機理、菌種種類、生產(chǎn)工藝貯存方式以及其在反芻動物生產(chǎn)當(dāng)中的應(yīng)用等進行綜述。
隨著畜牧業(yè)的不斷發(fā)展,農(nóng)牧民對粗飼料的認(rèn)知與利用越來越成熟。但是粗飼料適口性差、消化率較低,為改善粗飼料品質(zhì),提高適口性、消化率以及控制養(yǎng)殖業(yè)飼料成本,新型低成本粗飼料研發(fā)開始引起廣泛關(guān)注。微生物發(fā)酵粗飼料因其優(yōu)異的適口性、低廉的價格、較高的飼用價值逐漸成為研究的熱門。
1粗飼料種類和利用近況
粗飼料是反芻動物營養(yǎng)的主要來源途徑,通常占飼糧構(gòu)成的40%~80%,選擇優(yōu)質(zhì)的粗飼料可以直接影響動物的健康與生長性能。國內(nèi)粗飼料種類繁多,如各類秸稈飼料、秕殼飼料、干草、樹葉和其他飼用林產(chǎn)品等,不同種類之間品質(zhì)差異較大。在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部制定的《全國節(jié)糧型畜牧業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2011~2020年)》中計劃加大牧草、農(nóng)副產(chǎn)品、輕工副產(chǎn)品等非糧飼料資源的利用,畜牧業(yè)在減少糧食消耗的同時可以提高畜產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量。2017年我國青飼料播種面積1874.14khm2,2018年我國青飼料播種面積1970.69khm2,青飼料播種面積逐步提高,而2019年2~11月全國飼料累計產(chǎn)量達(dá)到23756.8萬t。要減少其中的糧食消耗,就需要加大我國在粗飼料種類的推廣,以提高非糧飼料資源的利用。 2粗飼料常規(guī)處理方法 粗飼料除能量外,含有的蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)等養(yǎng)分都極低,因為有較高纖維素含量,導(dǎo)致其消化能低于10.5MJ/kgDM,有機物消化率低于65%且適口性差,這對于粗飼料的推廣利用有很大影響。但通過對粗飼料進行有效預(yù)處理,可提高其營養(yǎng)價值、提升適口性、加大轉(zhuǎn)化力度,從而提高資源利用率。目前普遍采用物理加工處理法、化學(xué)加工處理法和生物加工處理法。 2.1 物理法 物理法主要包括剪切、粉碎、浸泡、碾青、蒸煮、微波處理等。其中剪切、粉碎、碾青等機械粉碎法主要是通過增大粗飼料表面積,減小粗飼料長度和粒徑,提升干物質(zhì)采食量,加快進食速度,提高適口性。蒸煮、熱噴等熱處理法通過用高能量破壞粗飼料中的木質(zhì)素和纖維素等成分的同時破壞纖維結(jié)構(gòu)增大接觸面積。微波處理法通過改變纖維素的結(jié)晶度、破壞物料表面結(jié)構(gòu)并增大比表面積,提高粗纖維的酶解率。彭霄鵬等利用微波液化法處理木質(zhì)纖維素組,除了起到去除木質(zhì)素和木聚糖的作用外,還破壞了纖維素的生物抗降解屏障,使得后續(xù)酶解糖化處理中酶解轉(zhuǎn)化效率提高。 2.2 化學(xué)法 化學(xué)處理法有堿處理法、氨處理法、高錳酸鉀處理法、酸處理法、氧化劑處理法、復(fù)合化學(xué)法等,主要是通過水解纖維素或者破壞組分之間的結(jié)合鍵,分解部分半纖維素,降低纖維素聚合度和結(jié)晶度,脫除木質(zhì)素。 2.3 生物法 生物法主要分為青貯、黃貯、微貯和微生物處理。青貯是將青綠飼料切短后,壓實密封入青貯窖或青貯袋中,保持無氧環(huán)境,使得乳酸菌持續(xù)厭氧發(fā)酵形成酸性環(huán)境,從而抑制其他微生物的繁衍,達(dá)到長時間保存的作用,具有改善反芻動物生產(chǎn)效益,降低飼養(yǎng)成本的優(yōu)點。黃貯原料選用水分較低的玉米秸稈,添加適量水和生物菌劑后壓實密封儲存,其同樣利用微生物厭氧發(fā)酵形成酸性環(huán)境,起到保存飼料營養(yǎng)價值的作用。微貯是指在玉米秸稈中加入微生物活性菌,在密閉容器中經(jīng)過發(fā)酵,使木質(zhì)素糖化,然后糖類在有機酸發(fā)酵下轉(zhuǎn)化為乳酸和揮發(fā)性脂肪酸,形成酸性環(huán)境抑制其他微生物生長。微生物發(fā)酵是利用有益微生物將農(nóng)業(yè)與食品加工副產(chǎn)物進行發(fā)酵后制備成新型飼料原料,其適口性好、價格低廉、營養(yǎng)價值相對較高,能維持動物腸道微生物平衡,提高免疫水平,提高生產(chǎn)性能。本文僅就微生物發(fā)酵粗飼料作用機理、生產(chǎn)貯存、菌種選擇以及在反芻動物生產(chǎn)中的應(yīng)用展開綜述。 3微生物發(fā)酵的作用 3.1 提高粗飼料適口性及營養(yǎng)價值 粗飼料經(jīng)微生物發(fā)酵有助于提高風(fēng)味感和色澤,改善適口性,經(jīng)三菌(白腐菌、酵母菌、康氏木霉菌)發(fā)酵后的稻草呈黃色,而添加乳酸菌和纖維素酶的青貯苜蓿,德國農(nóng)業(yè)協(xié)會青貯感官評分均為優(yōu),且兩組青貯苜蓿都散發(fā)出較重的香味。在營養(yǎng)價值方面,經(jīng)微生物發(fā)酵的粗飼料,粗蛋白質(zhì)含量提高,干物質(zhì)消化速率加快,粗纖維含量降低。Zheng等使用芽孢桿菌發(fā)酵豆粕,發(fā)現(xiàn)芽孢桿菌能夠降解抗?fàn)I養(yǎng)因子(ANFS)以及改變發(fā)酵豆粕蛋白的微觀結(jié)構(gòu),改善發(fā)酵豆粕的營養(yǎng)品質(zhì)。 3.2 促進瘤胃發(fā)育和微生物定植 反芻動物維持生產(chǎn)性能及健康所需的能量和蛋白質(zhì)主要依賴于瘤胃中的微生物的發(fā)酵和生長。而瘤胃環(huán)境與其中的微生物相互作用,適宜的瘤胃環(huán)境有利于微生物定植,有益的瘤胃微生物構(gòu)成良好的瘤胃環(huán)境,促進瘤胃健康發(fā)育。改善日糧,優(yōu)化精粗比是最易實現(xiàn)的調(diào)控手段。因為精飼料能促進瘤胃乳頭的分化與發(fā)育,粗飼料則會促進瘤胃發(fā)育與微生物定植。Khonkhaeng等通過給肉牛分別飼喂從平菇和草菇中提取培養(yǎng)的白腐菌發(fā)酵的稻草,發(fā)現(xiàn)飼喂4h后,瘤胃中的細(xì)菌分別增加0.60×1010、0.15×1010cell/mL,原生生物減少0.58×106、1.00×106cell/mL,且瘤胃中NH3-N含量分別增加1.76、1.91mg/dL。原因可能是白腐菌通過分解稻草纖維提高了外源細(xì)胞壁降解酶活性,從而使細(xì)菌附著增加、刺激瘤胃微生物種群豐富度以及加強與瘤胃微生物水解酶的協(xié)同作用。且瘤胃NH3-N是蛋白質(zhì)消化的主要產(chǎn)物,可供瘤胃微生物利用,NH3-N含量增加利于微生物定植。這一結(jié)果也驗證了Khonkhaeng經(jīng)白腐菌發(fā)酵過的粗飼料能增加瘤胃中NH3-N含量的觀點。有試驗發(fā)現(xiàn),酵母培養(yǎng)物含有豐富的活性多糖、多肽、有機酸、多種酶類和促生長因子等營養(yǎng)活性物質(zhì)有利于瘤胃中的細(xì)菌定植,且酵母菌能提高瘤胃細(xì)菌對酵母培養(yǎng)物利用率,提高細(xì)菌定植數(shù)量,進一步有利于瘤胃發(fā)育。因此,飼喂微生物發(fā)酵的粗飼料更利于瘤胃發(fā)育、微生物定植以及能量與蛋白質(zhì)合成。 3.3 抑制有害微生物,提高動物免疫水平 微生物發(fā)酵粗飼料對有害生物的抑制作用主要表現(xiàn)在有益菌會與病原菌相互競爭抑制。益生菌是指當(dāng)給予某種菌足夠數(shù)量時,可使宿主獲得健康益處的菌種。最常見的益生菌包括乳酸桿菌、雙歧桿菌、腸球菌、糞大腸桿菌、梭菌和丙酸桿菌。姜鑫等研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)納豆芽孢桿菌和乳酸桿菌發(fā)酵的飼料可使?fàn)倥Q獫{IgA和IgG較對照組分別顯著增加16.39%和12.16%(P<0.05);T-SOD、CAT和T-AOC較對照組分別顯著提高12.50%、33.89%和23.08%(P<0.05)。免疫球蛋白(IgM、IgG、IgA)是體液免疫系統(tǒng)的重要組成部分,其含量代表了免疫水平,抗氧化能力增強有助于提高機體免疫力。崔瑩等通過在肉羊飼喂的TMR中加入10%混合菌(酵母菌、枯草芽孢桿菌以及乳酸菌植物桿菌)。發(fā)現(xiàn)其血清IgG、IgM、IL-6含量及GSH-Px活性顯著高于未添加混合菌的對照組(P<0.05)。 4微生物發(fā)酵粗飼料菌種 國務(wù)院規(guī)定,飼料添加劑選用須參照其下屬農(nóng)業(yè)行政主管部門制定并公布的種類目錄。目前,飼料中允許添加35種微生物菌種。添加益生菌(唾液乳桿菌、枯草芽孢桿菌和釀酒酵母)可提高發(fā)酵飼料中乳酸含量,降低總揮發(fā)性脂肪酸含量,有利于保存更多的營養(yǎng)物質(zhì)。豐富了一些具有抗菌活性的潛在有益微生物和小分子化合物,可能有助于抑制病原體的生長。不同菌種改善作用不同,一些菌種只改善粗飼料營養(yǎng)成分含量,對降低ANFs(抗?fàn)I養(yǎng)因子)有正面影響,有一些菌種只對改善腸道內(nèi)酶活性有正面影響,而另一些微生物可以同時改善這兩個方面。比如芽孢桿菌能夠降解抗?fàn)I養(yǎng)因子;植物乳桿菌發(fā)酵的飼料能夠改善腸道內(nèi)酶活性從而提高消化率;酵母菌可提高奶牛瘤胃內(nèi)某些微生物活性,從而提高泌乳性能,并降低高淀粉日糧飼喂奶牛時因谷 物改變而引起亞急性瘤胃酸中毒的風(fēng)險。除了使用單 一菌種,如今將兩到三種菌種混合使用逐漸成為發(fā)展的 趨勢。王偉等發(fā)現(xiàn)混合菌株降解玉米秸稈效果顯著高 于單菌株(P<0.05)。Li等也通過試驗證明,相比單獨 使用植物乳桿菌,植物乳桿菌、干酪乳桿菌和布氏乳桿 菌混合使用能顯著提高發(fā)酵稻草中的NH3-N占總氮的百 分比、粗蛋白質(zhì)、乙酸以及乳酸含量(P<0.05),使得發(fā) 酵后的稻草營養(yǎng)水平更高,風(fēng)味更佳,從而提高稻草的 適口性和消化率?;ㄉ斩捊?jīng)復(fù)合菌種發(fā)酵后,粗蛋白 質(zhì)含量提高了53.39%,粗灰分含量降低20.10%、粗纖維 含量降低57.97%,中性洗滌纖維含量降低14.66%,酸性 洗滌纖維含量降低21.53%,纖維素酶活性提高98.51%, 因此大大提高了飼料品質(zhì)。 5微生物發(fā)酵粗飼料的生產(chǎn)貯存 5.1 微生物發(fā)酵粗飼料生產(chǎn) 微生物發(fā)酵粗飼料的生產(chǎn)主要分為液態(tài)發(fā)酵和固態(tài) 發(fā)酵兩種。液態(tài)發(fā)酵是指將粗飼料與水按1:1.5至1 :4 的比例混合后,經(jīng)發(fā)酵液中微生物的代謝活動將飼料充 分發(fā)酵形成穩(wěn)定狀態(tài)。液態(tài)發(fā)酵飼料在養(yǎng)豬生產(chǎn)上應(yīng) 用廣泛,在反芻動物中的報道較少。固態(tài)發(fā)酵是指 微生物在不溶于水但具有一定濕度的固體培養(yǎng)基中發(fā)酵 時,不斷吸收固體培養(yǎng)基基質(zhì)顆粒中的水分,在吸收過 程中通過水的流動逐漸將固態(tài)發(fā)酵發(fā)展至黏稠發(fā)酵以及 固體顆粒懸浮發(fā)酵。相比液態(tài)發(fā)酵,固態(tài)發(fā)酵更接近 于自然發(fā)酵。采用酵母菌制備固態(tài)發(fā)酵飼料,其粗蛋白 質(zhì)、總酚、維生素B2和低分子量肽含量在發(fā)酵后顯著提高 (P<0.05),酵母活菌數(shù)折算干重達(dá)到1.30×1010CFU/g。 5.2 微生物發(fā)酵粗飼料貯存方式 發(fā)酵粗飼料的貯存方式?jīng)Q定其使用期限,孫果麗試驗結(jié)果表明,經(jīng)桶裝與袋裝兩種不同的貯存方式制成 的玉米青貯飼料在pH值、粗蛋白質(zhì)、粗灰分、可溶性碳 水化合物含量上差異顯著(P<0.05),桶裝要好于袋裝。司華哲等認(rèn)為采用青貯瓶貯存黃貯玉米秸稈的方式在 營養(yǎng)物質(zhì)保存和有氧穩(wěn)定性結(jié)果上相較青貯袋更為優(yōu)秀。 6微生物發(fā)酵粗飼料在反芻動物生產(chǎn)應(yīng)用 6.1 微生物發(fā)酵粗飼料對反芻動物生長性能的影響 反芻動物生長性能主要指標(biāo)為采食量、日增重、料 重比、養(yǎng)分消化率。玉霞研究發(fā)現(xiàn),飼喂玉米秸稈發(fā)酵飼料的肉羊相比對照組,平均日增重提高(P<0.05) 了8.3%,并顯著提高(P<0.05)心臟器官重和熟肉率等。為解決粗飼料纖維素含量高的問題。王紅梅通過不同 配伍酶制劑發(fā)酵玉米秸稈飼喂肉羊,發(fā)現(xiàn)3組試驗組相比 對照組平均日增重分別提高1.8%、14.2%、23.5%,料重 比分別降低9.2%、13.6%、20.6%,各營養(yǎng)物質(zhì)表觀消化率均高于對照組。血液生化指標(biāo)也可以較為直觀反應(yīng)動物營養(yǎng)狀況、生理狀態(tài)以及生長狀況。陳帥通過研究發(fā)現(xiàn),飼喂膨化秸稈生物發(fā)酵飼料的遼育白牛顯著提高 了(P<0.05)血液中血糖含量和降低(P<0.05)總膽固 醇含量,并能顯著提高(P<0.05)血液中免疫球蛋白IgG、 IgA含量,對白蛋白和總蛋白含量都有所提高(P>0.05), 但差異并不顯著。邱玉朗等研究發(fā)現(xiàn),秸稈與玉米漿 混合微生物發(fā)酵飼料相比未發(fā)酵的秸稈與玉米漿混合飼料,肉羊平均日增重提高36%(P<0.01),料重比減少 28.68%(P<0.05),血液中總蛋白(TP)、白蛋白(ALB)、血尿素氮(BUN)、血尿素氮(ALP)含量都顯著提高(P<0.05)。這可能是發(fā)酵粗飼料中的益生菌可以提高巨噬細(xì)胞活性,從而達(dá)到增強免疫力的效果。綜上所述, 微生物發(fā)酵粗飼料對于反芻動物生長發(fā)育以及健康有積極的影響。 6.2 微生物發(fā)酵粗飼料對反芻動物產(chǎn)品質(zhì)量的影響 在反芻動物生產(chǎn)中,肉品質(zhì)和奶產(chǎn)量是核心指標(biāo)。王莉梅等研究表明,飼喂土豆渣發(fā)酵飼料能顯著 (P<0.05)提高小尾寒羊熟肉率,由于發(fā)酵土豆渣提高 了肉中的肌紅蛋白的含量,使得有提升肉色的趨勢,并且剪切力相比對照組有降低的趨勢,因此有提升嫩度的效果 ;在肌肉營養(yǎng)價值方面,飼喂不同配方發(fā)酵土豆渣 的2個試驗組相比對照組粗蛋白質(zhì)含量分別提高3.65%和 5.31%,粗脂肪含量分別提高7.69%和13.46%。仲偉光等研究發(fā)現(xiàn),飼喂玉米秸稈膨化發(fā)酵飼料的育肥羊相比對照組,羊肉剪切力降低3.55%,這可能是發(fā)酵粗飼料中營養(yǎng)物質(zhì)和微生物蛋白含量改變,引起了粗脂肪和粗蛋白質(zhì)沉積發(fā)生改變,從而改善了羊肉嫩度。同樣的,粗脂肪和粗蛋白質(zhì)沉積的改變也影響了羊肉質(zhì)地,發(fā)酵粗飼料組的羊肉相比對照組彈性顯著降低(P<0.05), 咀嚼性顯著提高(P<0.05)。試驗組羊肉中亞油酸,亞麻酸和二十二碳六烯酸分別比對照組顯著提高(P<0.05) 9.38%,14.95%和11.50%,這對于提高羊肉保健效果,預(yù)防心腦血管等疾病有重要價值。 7展望 微生物發(fā)酵粗飼料,具有改善粗飼料粗纖維結(jié)構(gòu), 降低抗?fàn)I養(yǎng)因子,提高反芻動物采食量、消化率,提高免疫力等優(yōu)點,在反芻動物生產(chǎn)中前景廣闊。目前,發(fā)酵粗飼料中菌種具體作用機制研究尚未完全清楚,在單菌株選用,混合菌種配合機理、比例,粗飼料種類方面研究不夠完全。微生物發(fā)酵粗飼料對反芻動物生產(chǎn)性能有顯著提升,但在反芻動物產(chǎn)品品質(zhì)方面,盡管有改善肉質(zhì)的效果,但是并不顯著,對奶品質(zhì)也沒有顯著提高。因此,開展與之相關(guān)的菌種研究、動物免疫、腸道菌群、 養(yǎng)分代謝等研究工作,對于深入了解微生物發(fā)酵粗飼料作用機制,因地制宜開發(fā)不同菌種、不同粗飼料、不同動物種類發(fā)酵飼料將具有重要意義。 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