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导读：近年来，随着我国动物性产品消费比重的快速增加，饲料用粮成为我国粮食安全的主要压力。牛羊肉产业是节粮型畜牧业，发展牛羊肉产业有利于减缓我国的人畜争粮局面，在维护我国食物安全中具有重要的战略作用。同时牛羊肉产业的发展还能充分利用我国各类粗饲料与非常规农业资源，变废为宝，减少处理过程中的环境污染。我国是一个农业大国,小麦、玉米、水稻等作物的种植面积非常大,每年都会产生大量的农作物秸秆。大力推进秸秆饲料化利用，不仅对拓展饲料来源、降低粮食消耗、推动牛羊等草食家畜发展具有不可替代的作用，而且对减少秸秆露天焚烧、改善空气质量、发展绿色循环农业具有重要意义。本期特邀华中农业大学梁运祥教授以“利用生物技术，加快秸秆‘高值饲料化’转化，促进草食畜牧业发展”为题，结合团队多年的研究工作，论述了在秸秆饲料化过程中，如何利用生物技术手段，并结合其他技术方法，突破秸秆消化率低等难题，为大力推进秸秆饲料化利用提供思路，供行业同仁学习参考。
我国居民日常膳食中动物性食品占比逐年增加，由此带来饲料用粮比例不断提高，成为我国粮食安全的主要压力。牛羊肉蛋白质含量高，富含必需氨基酸及矿物质、脂肪和胆固醇含量低，易于被人体吸收，相较于猪肉、鸡肉更利于健康。生产牛羊肉和奶等畜产品的草食畜牧业是节粮型畜牧业，发展牛羊肉产业有利于减缓我国人畜争粮的局面，对保障我国粮食安全具有重要的战略作用[1]。然而，我国饲草产量难以满足逐年增长的草食畜牧业需求，饲草供给出现了严重短缺，亟需开发新的粗饲料资源支撑草食畜牧业的可持续发展。我国有丰富的秸秆资源，虽然不是草食动物优质饲料，但通过合适的技术加工，有望替代饲草成为草食动物的“主粮”。
1我国肉食消费结构和变化
1.1 我国养殖业规模与结构
我国养殖业从改革开放以来持续快速增长，随着专业化生产水平的不断提高，各种畜禽养殖规模也不断扩大。如图1所示，肉类产量由1980年的1 205.4万吨快速增加至2014年的8 817.9万吨，增加了6.315倍，年均复合增长率达5.38%，其中猪肉和牛羊肉产量分别增加了5.13倍和14.63倍；此后的5年间肉类产量又缓慢下降至2018年的8 624.6万吨，这主要源于猪肉产量的小幅降低；2018—2020年间，由于非洲猪瘟使猪肉产量下降23.88%，导致肉类总产量下降至7 748.38万吨，降幅达10.16%；而在此期间，其他畜产品产量仍维持增长趋势。
2020年，我国的猪肉、牛肉、羊肉、牛奶、禽蛋和禽肉的年产量分别为4 113.33、672.45、492.31、3 440.14、3 467.76万吨和2 370.29万吨。2021年预计猪肉年产量将恢复至非瘟前的5 400万吨水平。以此来看，现阶段我国养殖业以食粮畜种（猪鸡等单胃动物）为主，肉类年产量达7 700万吨，约占肉类总产量的86%，以食草畜种（牛羊等反刍动物）为辅，牛羊肉年产量约1 160万吨，约占肉类总产量的13%。单胃动物养殖业消耗工业饲料约2.3亿吨，约占工业饲料总产量的86%；草食畜牧业消耗工业饲料约0.13亿吨，占工业饲料总产量约5%。我国饲料用粮已超过了粮食总产量的50%。整体上我国目前粮食安全度较高，口粮（稻谷和小麦）的自给率为98.7%以上[2]，进口约1亿吨大豆，主要用途是作为饲料原料。
1.2 我国肉类消费发展趋势分析
改革开放以来，随着收入增加，人民的膳食结构中植物性饮食比例逐渐减少，动物性产品比例逐渐增加。近10年来，我国人均肉类年消费量总体基本稳定，维持在60~63 kg，而牛羊肉的人均消费量从7.5 kg增加至9.8 kg，提高了30%。2010—2019年我国牛羊肉的产量仅增长9.8%，远低于30%的牛羊肉消费增长速率，其间巨大的缺口主要由进口满足。因为非洲猪瘟疫情引起猪肉消费量下降和牛羊肉等消费量的替代性增长，2020年我国进口牛羊肉248万吨，较2019年增加了21%，进口量相当于我国牛羊肉产量的21.3%，使牛羊肉在肉类消费中的比重从11.7%提高到17%（见图2）。我国奶业情况与此类似，10年间人均牛奶的消费量增加了42.7%，而牛奶产量仅增长了5.3%，远低于消费需求的增长。2020年，我国进口乳制品（折合生鲜乳）1 875万吨，较2019年增加了8.3%，进口量相当于我国牛奶产量的54.5%[2]。2020年9月，国务院办公厅印发《关于促进畜牧业高质量发展的意见》（国办发[2020]31号），在发展目标中明确提出“牛羊肉自给率保持在85%左右，奶源自给率保持在70%以上”，这对我国草食畜牧业提出了明确的发展要求，同时也意味着草食畜牧业还有巨大的发展空间。
目前我国牛羊肉呈现户外消费比重大、城乡差异大、正向全民消费转变的特点，但随着经济发展、城市化进程与消费观念转变等因素的促进，可以预见未来我国牛羊肉和牛奶等高品质食草动物畜产品的需求将持续快速增加，而禽肉和猪肉的消费量会趋稳[3]。此外，在牛羊肉消费中，我国与世界的消费差距以牛肉消费量差距为主，羊肉在肉类消费量中的占比已与世界羊肉消费比重的平均水平一致，未来增长空间要小于牛肉的增长空间。综上所述，今后我国草食畜牧业的发展将以奶业和肉牛产业发展为主[4-5]。
2食草动物养殖和消化特点
猪鸡等单胃动物自身及消化道内微生物不产生纤维素酶，所以单胃动物无法利用干草及秸秆等粗饲料。牛羊等食草的反刍动物不同于单胃动物的最大特点在于反刍动物拥有消化功能强大的瘤胃，使其能够消化利用粗饲料中的木质纤维素获取生产净能，供反刍动物生长发育。此外，反刍动物独特的瘤胃还具有如下几个特点和功能。
① 瘤胃容积大，采食量大，粗饲料在瘤胃中消化时间长，消化率高。反刍动物具有瘤胃、网胃、瓣胃、皱胃4个胃，成年牛瘤胃可占胃总容积的近80%，一头600 kg重的牛的瘤胃体积可达80 L。反刍动物每日采食的干物质量可达体重的3%~5%，大量采食的粗饲料大都未经充分咀嚼就进入瘤胃，经过瘤胃液浸泡软化后再逆呕回口腔缓慢咀嚼，并再次混入唾液进入瘤胃中消化。瘤胃食糜小于1 mm才能通过网胃-瓣胃出口流入后部消化道，有些物料在瘤胃内停留时间可长达72 h，流出网胃的食糜依次进入瓣胃、皱胃、小肠和大肠进行消化，故粗饲料在消化道停留时间长，粗饲料消化率高[6]。
② 瘤胃中微生物种类多且数量庞大，瘤胃内环境稳定。瘤胃是一个精巧复杂的生态系统，内部栖息着复杂多样的微生物群，主要包括细菌、古菌、瘤胃原虫、厌氧真菌及少量噬菌体，每毫升瘤胃液含1.0×1010~1.0×1011个细菌、1.0×108~1.0×109个古菌、1.0×105~1.0×106个瘤胃原虫，厌氧真菌数量较少，约1.0×103~1.0×104个。其中绝大多数微生物都专性厌氧，彼此间既有协同又有竞争，共同承担分解复杂有机物的工作，为微生物自身和宿主提供营养[7]。但瘤胃内微生物的种类和数量会受包括年龄、季节、添加剂使用以及日粮结构在内的多种因素影响而发生明显变化。瘤胃又像一个厌氧发酵罐，给微生物提供稳定的pH（5.3~6.7）、渗透压（260~340 mmol/L）、温度（38~41 ℃）和氧化还原电位（-450~-250 mV）等条件，使内部的微生物可以持续降解纤维等各种饲料成分[5]。
③ 粗饲料在瘤胃内被微生物代谢成挥发性脂肪酸并吸收。食草动物采食粗饲料后通过反刍过程将秸秆颗粒进一步缩小并混入唾液调节瘤胃环境，再次进入瘤胃后多种微生物会附着在秸秆表面。这些细胞表面分泌的纤维素酶复合体将木质纤维素降解，降解产物被产纤维素酶微生物及其他微生物进一步分解利用变成小分子，产物不是糖而是短链挥发性脂肪酸（以乙酸、丙酸和丁酸为主，约占总量95%）、CH4和CO2[8]。经过长期进化，复杂的瘤胃微生物系统可以消化除了木质素外的所有木质纤维素组分。产生的挥发性脂肪酸通过瘤胃壁细胞吸收后氧化供能或者在肝脏内通过糖异生合成葡萄糖或脂肪。
④ 瘤胃微生物可利用氨合成微生物蛋白。饲料中的蛋白质进入瘤胃后大部分经过微生物的代谢降解成小肽和氨基酸，剩余20%~40%的过瘤胃蛋白和微生物蛋白一起进入后部的消化道被消化吸收。还有部分小肽和氨基酸会被瘤胃细菌进一步降解成氨，小部分被直接吸收并形成尿素排出，大部分氨被瘤胃微生物同化合成微生物蛋白。瘤胃细菌所需总氮量的60%以上为氨，当氨态氮浓度为60~90 mg/L时，瘤胃微生物生长最快，当浓度低于60 mg/L时，微生物蛋白合成受限。因为瘤胃微生物具有利用氨的能力，在肉牛日粮中可以添加尿素或无机氮以增加氮源供应，减少蛋白饲料消耗，同时还能显著提高秸秆的消化率[6]。
⑤ 瘤胃会发生酸中毒现象。粗纤维等结构性碳水化合物的消化净能低于玉米等非结构性碳水化合物，为增加能量供应以保证快速育肥，反刍动物饲养时日粮中会添加大量玉米等精饲料。但如果精饲料添加量高，淀粉易被瘤胃微生物快速分解产生大量挥发性脂肪酸以及乳酸，使瘤胃pH迅速降低，而且粗纤维摄入不足会导致反刍减少，使调节瘤胃pH的唾液分泌减少，从而导致瘤胃酸中毒。瘤胃长期处于低pH状态，内部的生态系统崩溃，微生物不能发挥正常功能，对饲料的分解转化能力下降，导致动物生产水平降低，甚至会影响正常生理功能，出现中毒症状。所以反刍动物日粮中需一定比例的粗饲料以维持瘤胃的正常生理功能，另外添加碳酸氢钠等添加剂也可以一定程度缓解瘤胃酸中毒现象。
得益于瘤胃的独特生理作用和强大的粗饲料消化能力，反刍动物日粮中粗饲料占比可超过50%。瘤胃内的微生物系统具有强大的纤维降解能力和合成微生物蛋白的能力，能够消化利用粗饲料中的木质纤维素获取生产净能，也能在低蛋白日粮（补充无机氮）饲喂时生长，这使得反刍动物具有耐粗饲料和蛋白饲料需求低的特点。
3我国饲草生产和草食畜牧业现状
我国是世界羊肉生产第一大国，牛肉生产第三大国，2020年底牛存栏量9 562万头，羊存栏量30 654万只，2019年牛出栏量4 565万头，羊出栏量约3.2亿只。我国牛羊肉产业的总产值近6 000亿元、约占畜牧业总产值的20%，已成为增加农民收入，繁荣农村经济的重要产业。但由于我国草场不足，人工牧草产量低，草食畜牧业发展面临优质粗饲料资源短缺的制约，发展受限，产量难以满足国内日益增长的消费需求。
3.1 我国草场、草地面积和饲草生产能力
饲草是草食畜牧业发展的前提，是反刍动物生产的重要基础保障。优质的饲草可以满足动物生产的营养需求，进而产生优质的畜产品供人类使用。我国是草地资源大国，草原面积广阔，自然资源丰富，草地面积近4亿公顷，占国土总面积41.7%，但大部分是天然草地，牧草生产能力低，每公顷草地年产草量仅为0.9~3.0 t，不适于放牧和收集，无法用于草食畜牧业。20世纪90年代中后期我国饲草产业兴起，其资源包括天然草场、人工草地、林间草场、饲用作物及农作物秸秆等，其中天然和人工草地的总产草量约3.7亿吨，2018年，全国食草家畜动物饲养量39 339.0万头（只），折合羊单位约77 942.2万头（只），按每只羊所需饲草量400 kg计，年饲草需求量约3.2亿吨。现在天然草地大部分禁牧，但所产牧草产量低，难以收集利用，所以我国饲草有巨大缺口[9]。受气候和生态变化影响，我国的草地面积受自然因素和人为破坏两方面的影响而逐年减少，其中过度放牧导致每年约67万公顷的草地发生退化、沙化及盐碱化，而我国草地总的“三化”面积已达9 000万公顷。
人工草地牧草产量和质量均远高于天然草场，可较大程度促进草食畜牧业的发展，苜蓿人工草的年产量可达22.5 t/hm2，是天然草地的11倍；青贮玉米的干物质年产量可达45 t/hm2，是天然草地的23倍。据测算每增加1%人工草地面积，可提高4%食草动物生产水平[10]。因此，大力发展优质人工草地生产牧草对缓解我国饲草资源短缺、发展草食畜牧业和通过“以小保大”对草原进行生态保护都具有重要作用[2]。近些年，我国大力推进“粮改饲”政策，通过推广青贮玉米、苜蓿草和燕麦草等饲草作物品种的种植，提高饲草产量，按照《全国种植业结构调整规划（2016—2020年）》要求，我国青贮玉米种植面积达到167万公顷，在一定程度上可加大农区食草动物优质粗饲料供给，提高生产水平。然而养殖业快速发展导致牧草需求仍旧旺盛，国内商品牧草自给率还不到1/3，每年进口大量的苜蓿草、燕麦草等优质牧草以满足需求[11]。
3.2 “耗粮”型中国草食畜牧业
我国北方的多数牧区仅依靠天然草地的饲草进行畜牧生产，这导致夏秋季饲草供应充足时牛羊膘肥体壮，而冬春季草枯时牛羊瘦弱甚至死亡，食草家畜陷入“夏肥、秋壮、冬瘦、春亡”的循环，畜牧业生产效率还有很大的提升空间。而在西南和中原产区以及广大的北方农区，牛羊对优质饲草的需求较难得到满足，通常以“秸秆+精料”的模式进行饲养，小型化粗放式的养殖方式常使用高比例纤维含量高的秸秆等粗饲料和低质量蛋白饲料的错位日粮结构，导致牛羊无法得到均衡营养，严重影响了养殖业的效益[12]。而由于秸秆营养价值低，提供的营养有限，动物生产主要靠精料维持，使我国形成了大规模“耗粮”型的草食畜牧业。为解决草地“三化”问题，我国实施了退耕还林还草以及封山禁牧等政策保护生态环境，将自然放牧转成圈养舍饲，我国的草食畜牧业因此正向集约化、规模化和现代化方向迈进，更是提高了“耗粮”型草食畜牧业比例。
我国是一个农业自然禀赋相对不足的国家，人均耕地面积不足0.1 hm2，人均年粮食产量470 kg，仅略高于国际安全水平的400 kg。在现今保证粮食供应及生态环境的前提下，一方面没有更多土地可供发展草食畜牧业，另一方面以粮食消耗为主的畜牧业在发展中势必会因“人畜争粮”的矛盾而陷入发展瓶颈。因此，调整畜牧业结构并开发新的粗饲料资源，加速发展草食畜牧业，走“耗粮型”与“节粮型”并重的发展道路，这对我国养殖业的长久稳定发展具有重要的战略意义。
4秸秆饲料利用现状
在长期的禁牧政策下，圈养舍饲将是草食畜牧业的主要生产方式，秸秆将是满足粗饲料缺口的主要来源之一。如此将一方面缓解我国草食畜牧业发展受粗饲料原料不足的限制，另一方面将促进我国废弃秸秆的资源化利用。农作物光合作用产物一半以上存在于秸秆中，因此秸秆是最丰富的可再生农业资源。我国是世界上的农业大国，秸秆产量居世界第一，年产量超9亿吨。目前秸秆饲料化利用率不足20%，秸秆饲料化的利用方式主要是干秸秆直接饲喂，青贮秸秆和黄贮秸秆占比较少，主要在妊娠牛羊和哺乳牛羊以及奶牛中使用。
4.1 秸秆的营养与结构特点
秸秆等木质纤维素主要由纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质和灰分组成，其中大多数秸秆的纤维素含量30%~45%，半纤维素含量20%~30%，木质素含量15%~30%，灰分等其他物质含量15%~20%[13]。对秸秆的利用受限于其惰性的木质纤维素结构，该结构主要特征是纤维素、半纤维素和木质素相互镶嵌，三者共占秸秆干重60%~70%，其中木质素与半纤维素通过氢键和共价键结合形成网状结构，将纤维素包埋在内部，纤维素和半纤维素及木质素通过氢键结合[14]。木质素化学结构复杂，具有非水溶性、难被分解的特点，纤维素被这种天然屏障包裹，无论高温高压、酸碱处理或生物酶作用，其都保持结构稳定，难以被降解。
秸秆含有反刍动物所需的多种养分，如玉米秸秆含碳水化合物50%以上，蛋白质3%~5%，脂肪0.5%~1.0%，为饲料化利用奠定了物质基础。但是干秸秆适口性差、采食量低、消化率也低，无法作为反刍动物单一能量来源，原因主要有以下5个方面。①营养价值低，粗蛋白仅含3%~5%，远低于反刍动物生长需求，不足以为瘤胃微生物提供足够氮源，瘤胃微生物活力差，对秸秆的消化利用能力减弱[15]；消化能净能低，消化能仅为2~4 MJ/kg，只相当于牧草的一半；维生素缺乏，维生素含量仅2~5 mg/kg；钙磷含量低而硅酸盐含量高，其中高硅酸盐会降低其他营养物质的吸收，而钙磷比例失调也会造成营养代谢病。②木质素和半纤维素以酯键、醚键、糖苷键和醛缩键等共价键连接形成的镶嵌结构复合体对纤维素形成“保护”屏障，阻碍瘤胃微生物和消化酶对秸秆中纤维组分及其他细胞内容物的利用[16]。③秸秆中纤维素分子有“结晶型”和“不定型”两种。“不定型”纤维排列散乱，酶解位点多且暴露在外，易被纤维素酶水解。“结晶型”纤维排列规整，分子间依靠相互作用形成稳定抗蚀结构，酶解位点包裹在内部，纤维素酶难以接触发挥水解功能，而秸秆中的纤维素多为“结晶型”。④秸秆在瘤胃内消化时附着的菌群易受秸秆中酚醛类化合物的影响，这些分解纤维素能力较强的微生物含量的减少致使秸秆消化速率减慢，整体消化率降低。⑤秸秆表皮外覆盖有一层难降解的蜡质，限制了瘤胃微生物对秸秆内部营养物质的分解，降低了秸秆利用率。
4.2 瘤胃对秸秆的消化能力
秸秆在瘤胃中的消化率一般都不到50%，木质化程度高的秸秆消化率甚至不足30%。经测算稻草秸秆、小麦秸秆和玉米秸秆对肉牛的综合净能分别为2.68、2.29、3.61 MJ/kg，而苜蓿干草的综合净能为4.51 MJ/kg，远高于秸秆；玉米等谷物籽实的综合净能为7~8 MJ/kg，反刍动物采食2~3.5 kg秸秆才可获得相当于1 kg谷物籽实的消化能。秸秆蓬松且消化速率慢，在瘤胃内停留时间较长，如仅饲喂秸秆，反刍动物获得的消化净能严重不足，从饲料中获得的能量和其他营养都难以满足快速生长的需求，畜产品生产能力低下。
反刍动物采食的饲料颗粒大小降至1 mm以下才能离开瘤胃，秸秆本身消化速率慢、体积大，在瘤胃内滞留时间长，动物持续存在饱腹感，导致采食量降低，生产效率上不去。通常中性洗涤纤维含量越高，纤维成分比例就越大，在瘤胃中占的体积就越大。
4.3 青贮秸秆
青贮秸秆是将新鲜的秸秆压实堆积密封厌氧发酵，利用乳酸菌将原料所含糖分转化为以乳酸为主的有机酸，使秸秆pH降低至4.2以下抑制包括乳酸菌在内所有微生物活动，达到长期保存和提高适口性及营养价值的目的[17]。青贮发酵时必须含有较高的水分（70%左右）和充足的可溶性碳水化合物（2%以上），否则pH无法快速降至足够低（4.2以下），可能导致耐酸能力较强的梭菌等微生物生长，引起碳水化合物和蛋白质水解，产生丁酸、氨态氮及胺，降低青贮秸秆品质甚至导致秸秆腐败无法使用[16]。为提高青贮秸秆品质，秸秆青贮时可添加微生物菌剂、酶制剂、无机盐和防霉剂等添加剂以缩短青贮时间，增加乳酸含量，降低pH，减小丁酸菌生长概率，提高青贮品质以及有氧稳定性[18]。用于青贮的乳酸菌有两类：同型发酵乳酸菌，其碳水化合物的分解产物主要为乳酸，如植物乳杆菌、干酪乳杆菌、粪肠球菌、乳酸片球菌等；异型发酵乳酸菌，如布氏乳杆菌，其分解产物除乳酸外还有乙酸、乙醇、丙二醇和CO2[19]。
青贮所用秸秆为未完全成熟的农作物秸秆，其木质化程度低，水溶性营养物质含量高，实际上是保鲜的青绿饲料，可看作是种植的青贮饲草。青贮玉米秸秆的原料为专门种植用于全株青贮的品种，籽粒未完全成熟就收割青贮。而对于普通的粮食玉米籽粒收获后的秸秆，木质化程度高，水溶性物质低，无法作为青贮原料。
4.4 黄贮秸秆
黄贮秸秆即微贮秸秆，指在密闭的适宜条件下，通过微生物发酵将秸秆转变为柔软多汁、气味酸香、适口性好的粗饲料。黄贮秸秆发酵过程及原理与青贮秸秆相似，但因为干秸秆可溶性糖含量低，所以需要加入糖蜜等可溶性碳水化合物或纤维素酶以保证有足够多可生成乳酸的碳源，否则物料pH难以降低至足够抑菌程度，同时也需添加乳酸菌为保证快速发酵营造酸性环境。稻草黄贮时添加乳酸菌可以提高乳酸、乙酸和粗蛋白含量，降低pH并减少丁酸产生，同时还能降低酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维的含量，并提高干物质和中性洗涤纤维的消化率[20]。秸秆黄贮时还可以添加其他农产品加工副产物（如豆腐渣、土豆渣、果渣、果皮、烂菜叶等）和其他饲料原料（如苋菜、构树枝叶、甜菜渣、甘蔗渣等）混合发酵以增强营养价值并达到长期保存目的。如将鲜苋菜和水稻干秸秆按干重2：9混合后接种植物乳杆菌并添加纤维素酶厌氧发酵，较自然发酵后pH更低，乳酸含量更高，氨态氮含量更低，且发酵后的有氧稳定性提高，甚至还可以降低发酵物料中肠杆菌含量[21]。黄贮秸秆所用原料为作物收获籽实后的干秸秆，经发酵后秸秆吸水软化并产生诱食香味，能提高采食量，但秸秆结构基本没有变化，即使添加纤维素酶，也不能明显提高瘤胃消化率[22]。
4.5 转化率低限制了秸秆的饲料化利用
秸秆作为饲料原料，从营养和消化角度看，存在明显不足：蛋白质含量低、粗纤维含量高、单胃基本不能转化利用，即便反刍动物消化利用率也不高，一般只有30%~50%。因此，以秸秆饲喂牛羊，养殖周期长、经济效益差。
适当的预处理（酸碱处理、高温高压蒸煮、热喷爆破等）能够打破秸秆纤维素、半纤维素和木质素之间的交联状态，使纤维素外部的木质素和半纤维素分解成小片段，破坏纤维素的结晶结构，增大表面积，暴露并溶胀内部的纤维素分子，使纤维素酶的可及性增强，从而提高木质纤维素的水解利用率，经过适当处理后的秸秆在瘤胃内的消化降解率可以提高到70%以上。一些预处理方法能够取得较好的效果，但较高的经济成本和实施过程中存在的安全、工程化问题使其难以推广应用。
5利用生物技术推动秸秆饲料化
自然界中秸秆等有机物质的分解转化主要靠微生物完成，在温和条件下，微生物可以将秸秆分解殆尽，但需要较长的分解周期。以生物技术为主，结合一定的预处理技术，通过在菌种、酶制剂及发酵工艺等诸多方面优化组合，是可以达成将秸秆转化为优质饲料原料目的的。
5.1 苜蓿草的价值与秸秆“苜蓿化”
苜蓿草被称为“牧草之王”，其适口性好，蛋白质含量高（16%~22%），氨基酸种类丰富且平衡性好，粗纤维含量适宜，富含维生素、微量元素、胡萝卜素等营养物质及消化率高。苜蓿草是豆科植物，可以和根瘤菌互利共生，因此可以减少肥料施用，其中紫花苜蓿是种植最广泛的栽培品种，每公顷鲜草产量60~140 t，干草产量15~32 t[23]。优质苜蓿草中必需氨基酸占粗蛋白比例达40%以上，中性洗涤纤维含量低于40%，可消化养分含量高于60%，是奶牛最好的粗饲料，也是实现奶牛高效产奶的必要条件。研究和生产已证实，奶牛饲喂苜蓿青干草可改善瘤胃健康状况，增强瘤胃微生物活力，减少奶牛疾病和淘汰率，促进对饲料的转化和利用，最终提高产奶量和乳品质量[24]。苜蓿草粉在妊娠母猪饲料中添加可以显著提高胰岛素样生长因子-Ⅰ（IGF-Ⅰ）水平，提高初乳的乳脂率和乳固形物含量，还可以使初生头数、产仔数和活仔率上升[25]。苜蓿中的黄酮具有提高家禽抗氧化的能力[26]，苜蓿皂苷有降低动物血压和促进免疫的效果[27]。苜蓿干草粉等量替代肉牛精料15%~20%，可以提高增重2.4%~3.3%并降低饲养成本[28]；在家禽日粮中添加苜蓿草粉可显著提高其消化吸收率，减少脂肪和胆固醇含量，提高瘦肉率[29]。
不同气候地区根据实际情况在苜蓿草集中收获后选择青贮或干草方式加工贮藏，然后在舍饲条件下作为奶牛粗饲料与精饲料混合进行饲喂。目前我国自产苜蓿草在产量和质量上都远远不能满足奶业的发展需求，需求量的1/3依赖进口，且缺口仍在逐年加大，优质粗饲料资源匮乏严重制约我国奶业发展。
秸秆“苜蓿化”设想是利用生物技术将秸秆加工成秸秆单细胞蛋白（发酵秸秆），主要通过酵母等微生物为菌种，利用秸秆自身化学能，将外加无机氮同化成菌体蛋白。发酵过程中秸秆纤维中的纤维素和半纤维素被分解利用（可降低至原来的一半），酵母细胞大量增殖的同时，合成多种B族维生素、甘露聚糖及未知生长因子等益生物质。最终，可以生产出真蛋白含量16%以上、物质组成和饲喂效果与苜蓿草接近的“苜蓿化秸秆”。
5.2 秸秆“高值饲料化”实施路径
秸秆“高值饲料化”产业化进展缓慢，但其产业前景吸引了不少研究。秸秆单细胞蛋白生产方式有液态发酵和固态发酵两种，液态发酵利用秸秆等处理后的水解液培养菌体然后再回收干燥制成饲料原料或添加剂，Rao等[30]和Wu等[31]的研究都是用秸秆预处理后的酶解液发酵产菌体蛋白，但相较而言，固态发酵更适合秸秆饲料化。固态发酵直接在固态秸秆基质上培养菌体，发酵后的菌体与秸秆基质共同作为饲料。如在2%氢氧化钠处理后的麦秸固态基质中培养平菇，可收获蛋白含量62.8%的菌体，其必需氨基酸含量达65.6%[32]；潘峰[33]用多种霉菌和酵母混合固态发酵5%氨处理的稻草96 h，分解了33.23%的纤维素和21.63%的半纤维素，将产物粗蛋白含量由5.96%提高至11.32%；王仪明[8]研究发现啤酒酵母：产朊假丝酵母：白地霉为1：1：1时混合发酵小麦秸秆，纤维素和半纤维素降解率分别可达28.2%和27.5%，粗蛋白含量可提高到15.43%。
从上述案例可以看出秸秆好氧发酵饲料的研究思路是利用秸秆中的纤维素和半纤维素为碳源，同化无机氮生成菌体蛋白，提高秸秆中蛋白含量。为有效降解木质纤维素组分，一般先用霉菌（木霉、曲霉或担子菌等产纤维素酶和漆酶能力较强的菌种）处理秸秆，降解木质素并破坏木质纤维素结构，然后再接种酵母等菌种发酵，或者添加纤维素酶进行分步或同步糖化发酵，将无机氮转化为菌体蛋白，提高秸秆饲料营养价值。
秸秆“高值饲料化”的工艺流程如图3所示，收集的秸秆需先粉碎，然后经物理、化学或者生物法进行预处理，之后对预处理产生的发酵抑制物进行脱毒处理，接下来添加辅料、酶制剂并接种微生物进行发酵，最后将发酵饲料干燥成商品或者直接进行饲喂。
为提高秸秆生物转化效率，往往需对秸秆进行有效预处理，释放木质纤维素结构中的纤维素和半纤维素，使纤维素酶高效水解纤维素和半纤维素成小分子糖，微生物能够利用这些降解产物作为碳源进行生物转化。在秸秆预处理方法中，物理处理方法简单易行，切短、揉搓、加热软化等已经广泛使用，这些方法可以有效解决动物口感问题，但对秸秆利用率低的问题改善有限。化学处理可以动摇秸秆纤维素的结晶状态，断裂纤维素与半纤维素和木质素之间的部分化学键，从而破解了秸秆中纤维素分解转化的难题。但化学处理带来的酸碱性需要中和，且化学处理往往产生有机酸及酚醛等副产物，阻碍后续的生物利用。通常越好的预处理效果，处理条件越苛刻，酚醛等抑制物产生越多，这又极大制约了化学方法的应用。
预处理抑制物含量高会对微生物产生细胞毒性，也会降低纤维素酶的酶活，需进行脱毒处理。水洗、萃取、化学试剂中和减毒、增大接种量、筛选耐性强的菌种以及微生物脱毒都是提高发酵效率的可行策略，但也都各有利弊[34]。水洗可以有效去除各种抑制物但会产生污染废水；萃取试剂及设备费用高，也会产生处理废液；增大接种量时，如果不能对菌种回收利用，会导致成本上升；生物脱毒效果好但是速度慢且营养物质消耗多，有时还需灭菌发酵，增加工艺复杂度；化学试剂速度快且效果好，但不太适用于固态物料。
单一物理处理、化学处理或生物处理都难以达到处理效果与经济可行的兼顾，物理、化学、生物方法的结合则能够取长补短。物理法推动秸秆的质地变化，化学法推动秸秆结构变化，生物法推动秸秆针对性物质转化。将物理方法的简、化学处理方法的快和生物方法的专一融合在一起，即可形成技术与经济统一的高效处理方法。因此，物理-化学-生物联合方法是秸秆饲料技术的主要发展方向。
5.3 秸秆“高值饲料化”的前景和意义
豆科植物和反刍动物是大自然给予人类的两大恩赐，前者为人类生产丰富的植物蛋白，后者将人类不能直接食用的植物纤维转化为动物蛋白。随着我国全面脱贫的实现和数亿国人收入的持续增长，食草动物畜产品消费需求还有巨大的增长空间。面对地少人多、资源禀赋的先天不足，如何在保障粮食安全和生态可持续发展的前提下，发展草食畜牧业，弥补我国畜牧业发展的短板，增加牛羊肉和牛奶等优质畜产品供给，是畜牧业需要解决的一个主要矛盾。而充分且高效地利用各种糟渣和农业废弃物将是缓解这种矛盾主要且有效的方式，通过提升秸秆营养价值和消化利用率，将废弃秸秆变为优质粗饲料，甚至达到媲美苜蓿草的效果，将有望跨越优质牧草对草食畜牧业造成的巨大障碍，助力我国反刍动物养殖业发展。秸秆高值饲料化的推进，势必会在秸秆预处理、纤维素酶生产、微生物菌种等方面获得技术进步，其技术溢出效应，还将推动纤维素乙醇、秸秆生物炼制等方面的发展，带动秸秆资源化综合利用。
6有关秸秆“高值饲料化”政策建议
① 增加“高值饲料化”秸秆利用补贴等政策，引导企业前期投入开发，待技术和市场成熟，具备盈利水平后逐渐市场化。关于秸秆饲料化利用的研究有很多，但至今还没有成熟方案在兼顾技术可行和经济可行的同时提高秸秆消化利用率，主要原因是没有找到一种适合规模化生产的秸秆预处理方式及配套的后续处理工艺，而酶制剂和发酵菌种上高成本也限制“高值饲料化”秸秆的产业化。通过政策扶持，将秸秆综合利用和粮改饲的补贴转移给当前秸秆饲料化利用企业，并进一步给予一定奖励，引导企业从将秸秆简单粉碎加工向“高值饲料化”方向发展，通过一段时间的发展和技术积累，在全国扶植起一批技术成熟，具备市场竞争力的秸秆“高值饲料化”企业，如星星之火一样，带动我国秸秆饲料高技术转化的产业发展。
② 加大“高值饲料化”秸秆生物转化研发支持，加快秸秆绿色高效预处理技术、发酵菌种选育、纤维素酶等关键技术的研发。秸秆“高值饲料化”的生产技术涉及秸秆预处理、抑制物去除、发酵菌种选育、酶制剂研发、发酵工艺研发等生产环节的诸多技术问题，加大技术研发的支持力度，可以在预处理、酶制剂和发酵菌种等主要环节取得重大技术进步，能大大提升生产效率并降低生产成本，使发酵秸秆与牧草相比，在同样饲喂效果下，具备成本优势。
③ 加快配套装备技术研制及反刍动物营养学研究，给发酵秸秆提供使用指导。秸秆“高值饲料化”是一个系统性工程，规模化生产还需要配套装备研制，以实现秸秆收储、预处理、发酵等环节的连续自动化和智能化，同时还要着力解决秸秆流动性差、传质不均匀、生产速率低等问题，为产业化提供装备支撑。针对秸秆高值化饲料在反刍动物中的使用，还需进行营养学研究，以指导食草动物不同品种和不同生长阶段的合理饲喂，实现畜产品的高效产出。
④ 鼓励科技人才深入大企业，以实际生产问题为研究课题，以技术促发展。由政府或大型科研机构主导，以饲料龙头企业需求为中心，汇聚多学科专业人才，尤其是发酵工程、酶工程、基因工程、微生物学、动物营养、农业机械化及其自动化和信息化管理等多学科人才，建设一支“有知识、有技术、有抱负、有拼劲”的科技队伍，实现产学研的紧密结合，大力解决阻遏秸秆“高值饲料化”的一系列技术瓶颈，实现新技术促进企业及产业发展。
作者简介
梁运祥,1982年华中农学院农业微生物专业本科毕业，1985年中国农业科学院研究生院土壤微生物专业毕业。现任华中农业大学生命科学技术学院二级岗教授，博士生导师，农业微生物学国家重点实验室和微生物农药国家工程研究中心固定研究人员。曾兼任微生物农药国家工程研究中心主任，农业农村部微生物产品质量监督检验测试中心常务副主任。武汉市城市合伙人，国家畜禽养殖污染治理创新联盟专家委员会委员。主要研究领域为微生物技术与产品的开发及其在资源利用、环境治理、节能减排的应用、在水污染治理、微生物发酵饲料、秸秆生物转化/生物肥料等方面工作形成了特色，产生了影响。
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