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全株玉米及其秸秆菌酶联用发酵技术

  • 领域:

    养殖业

  • 来源:

    国家部委计划

  • 单位:

    中国农业科学院饲料研究所

  • 地址:

    北京 北京市 海淀区 中关村南大街12号

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    单位简介

    中国农业科学院饲料研究所成立于1991年,是由科技部批准成立的全额拨款事业单位,现隶属于国家农业农村部和中国农业科学院。研究所以服务我国饲料工业和畜牧水产养殖业,推动行业科技进步为宗旨,是集饲料科学研究、成果转化与推广、技术咨询与服务、人才培养于一体的现代化国家级研究所,是我国第一个饲料科学博士生培养点。 中国农业科学院饲料研究所作为专业从事饲料科学研究的国家级研究所,其专业研究领域涵盖了饲料行业的各个方面是国内饲料科学研究领域最为齐全、研究实力最为雄厚的专业性科研机构。研究所目前设有“动物营养与饲料”、“动物兽用药物”、“农产品质量安全与控制”等3个学科领域,下设饲用酶工程、抗菌肽及抗生素替代品、单胃动物饲料、反刍动物饲料、水产动物饲料、饲料质量安全控制、新型饲料资源研究与利用、饲料加工等8个创新团队和1个饲料检测技术研究室。 全所现有在职职工112人,其中研究员30人,副研究员45人;博士生导师20人;现有博士70人,硕士27人;拥有国家杰出青年基金项目获得者1人、中华农业英才奖获奖者1人、科技部“万人计划”科技创新领军人才3人、“新世纪百千万人才工程”国家级人选者2名、农业部农业科研杰出人才2人、享受政府特殊津贴专家13人、省部级有突出贡献的中青年专家4人、科技北京百名领军人才1人、北京市科技新星2人。中国农科院一级岗位杰出人才1人、二级岗位杰出人才6人。人才梯队合理,专业覆盖面广,是一支充满朝气、极具进取精神的科技创新团队。 “十三五”以来,研究所共承担各类科研课题470余项,留所科研经费10300多万元,年均留所经费3400多万元;主持国家重点研发计划课题8项、“863”课题1项、公益性行业专项2项、“973”课题1项、国家现代农业产业技术体系岗位科学家项目4项、北京市现代农业产业技术体系岗位科学家项目7项、国家自然科学基金项目32项。研究所一直高度重视成果的培育与产出,获得各类奖励21项;评价成果5项;获得授权专利102件,累计发表SCI论文220余篇,编写著作20多部。 研究所研发出一大批具有自主知识产权和市场应用价值的高新技术成果及产品,有力地推动了饲料行业的技术进步。在饲料生物技术技术领域,研发出植酸酶、葡聚糖酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶、α-半乳糖苷酶、角蛋白酶、生麦芽糖淀粉酶、葡萄糖氧化酶、N-酰化高丝氨酸内酯酶、牛乳蛋白和真菌防御素系列抗菌肽、布拉酵母、发酵饼粕等微生物制品;在生物化工与提取领域,创制出木寡糖、纤维寡糖、阿拉伯寡糖、菊粉寡糖、果寡糖、氟苯尼考、盐酸沃尼妙林、牛至油等一批高新技术产品;在饲料营养应用技术领域,在犊牛和羔羊早期断奶技术、蛋鸡健康养殖与营养保健鸡蛋生产技术、水产饲料蛋白源高效利用技术、仔稚鱼营养及微颗粒开口饲料配制技术、肉鸡健康养殖与开口料饲料配制技术等方面均取得较大突破;在饲料安全加工与检测技术领域,在水产动物微粒饲料制备工艺技术、饲料生产条码过程控制与质量追溯技术、饲料及畜产品质量安全预警和快速筛查检测技术等方面取得重大进展。 研究所聚焦国家重大需求,着力完善科研平台建设,设备设施不断完善,管理水平不断提升。目前,依托研究所建有国家级科技平台—生物饲料开发国家工程研究中心及国家饲料工程技术研究中心,建有省部级科技平台—农业部饲料生物技术重点实验室、农业部动物产品质量安全饲料源性因子风险评估实验室(北京)、北京市奶牛营养重点实验室、国家转基因生物饲用安全评价与检测中心、国家水产饲料安全评价基地、饲料安全评价基准实验室、饲料工艺标准参考实验室、国家饲料中药物参考实验室、国家饲料加工技术研发分中心、全国名特优农产品营养品质评价鉴定机构、全国农产品质量安全科普基地及中关村开放实验室等;同时,研究所做为理事长单位建有经科技部批准的饲料产业技术创新战略联盟。拥有总资产达1亿的仪器设备,包括三重四级杆质谱仪、高分辨质谱、气相色谱质谱仪、研究级电动宏观变倍荧光显微镜、多维毛细管液相色谱仪、傅立叶变换红外光谱仪、蛋白质测序仪、自动蛋白结晶仪、全自动晶体观察及分析系统、等温滴定量热仪、离子色谱仪、氨基酸分析仪、乳成分及体细胞分析仪等大中型设备,为各项科研工作的顺利实施提供了强有力的硬件保障。在北京市昌平区和河北省廊坊市各建有1个功能较为齐全,配套设施完善的综合性试验基地和专业化试验基地,已建成动物畜禽水产养殖试验舍4700平方米,饲料加工及制粒膨化中试车间7300平方米。主要开展猪、家禽、牛羊和水产动物等生物学评价、饲料安全评价、饲料加工工艺技术研究、安全高效饲料添加剂研发和中试等科研工作。展开
    项目图片
    项目介绍

    成果项目的功能、性能、型号、用途和适用范围

    1. 功能 本成果针对全株玉米青贮制备过程中pH需要快速降低以减少营养物质损失、开窖后抑制二次发酵保证青贮品质,青玉米秸青贮保藏保鲜提高利用率,干玉米秸秆木质纤维素降解以提高营养物质利用率等的技术问题,分别开展研究。通过微生物技术筛选适宜全株玉米青贮、玉米秸秆的菌株,确立最佳发酵工艺参数;通过实验室手段筛选全株玉米及秸秆发酵用菌酶复合组方;以动物饲养试验验证实际效果,最终达到改善全株玉米及秸秆发酵后产品品质,提高粗饲料利用率,促进奶牛和肉羊生产性能的目标。 2. 性能 成果包括以下各部分:(1)揭示全株玉米发酵过程中各关键因素对饲用品质的影响。发现风干处理和发酵处理使得玉米秸秆中菌群构成及丰度差异显著;明确全株玉米收割后须在48h内完成青贮。(2)探明不同微生物菌种对全株玉米及秸秆饲用品质的影响,确立高效微生物接种剂剂型,及其与复合酶组合效果。证实了植物乳杆菌、发酵乳杆菌、戊糖片球菌、布氏乳杆菌均能有效改变全株玉米青贮的发酵过程,但作用机制不同;确定了全株玉米青贮中微生物接种剂的组合为植物乳杆菌+戊糖片球菌,或植物乳杆菌+布氏乳杆菌,添加量各自为0.5~1×10^6 CFU/g,且配合纤维酶制剂使用效果更好;而布氏乳杆菌1×10^6 CFU/g +复合酶制剂(每克含纤维素酶2420 IU、木聚糖酶2000 IU、β-葡聚糖1750 IU、果胶酶75 IU)组合,能够明显提高玉米青贮饲料的有氧稳定性,改善pH值、真菌数量和挥发性脂肪酸含量;黄孢原毛平革菌、黄孢原毛平革菌+黑曲霉、黄孢原毛平革菌+木霉处理的秸秆,其叶片细胞结构被破坏;纤维素酶+木聚糖酶+β-葡聚糖酶+植物乳杆菌+布氏乳杆菌=1+1+1+3+3的菌酶复合制剂可有效破除玉米秸秆的木质素-纤维素-半纤维素复合体结构,提高秸秆的可利用率。(3)建立微生物接种剂生产工艺,形成全株玉米及秸秆4种菌酶联用接种剂工业化生产工艺及中试产品,开发了含乳酸菌和纤维素酶类的玉米青贮专用添加剂;含真菌和纤维素酶类的秸秆菌酶复合剂;含植物乳杆菌、布氏乳杆菌、纤维素酶类的秸秆青贮菌酶复合剂;含木质化纤维素酶类的秸秆型复合酶制剂。 4. 用途 本成果为提高全株玉米及秸秆饲用质量提供了实际应用技术,提高农作物秸秆利用率。

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    主要技术创新点

    1. 明确玉米秸秆青贮过程中微生物菌群的变化规律。 发现对玉米秸秆进行青贮要优于风干处理。风干处理后,玉米秸秆中不利于养殖动物的变形菌门、γ-变形菌纲、肠杆菌目,肠杆菌科细菌显著增加;而玉米秸秆青贮发酵后,其含量显著降低。 2. 研制出全株玉米青贮接种剂。 发现植物乳杆菌、发酵乳杆菌、戊糖片球菌改变全株玉米青贮发酵进程的作用差异。筛选了布氏乳杆菌在抑制青贮二次发酵时的推荐添加量为1×10^6 CFU/gFM。确定了全株玉米青贮中微生物接种剂的组合为植物乳杆菌+戊糖片球菌,或植物乳杆菌+布氏乳杆菌,添加量各自为0.5~1×10^6 CFU/g,与纤维酶类联用效果更好。 3. 研发出玉米秸秆菌酶复合制剂。 发现降解木质纤维素的效果上,黄孢原毛平革菌+黑曲霉+青霉+木霉>黄孢原毛平革菌+木霉>黄孢原毛平革菌+青霉+木霉>黄孢原毛平革菌+黑曲霉+木霉>黄孢原毛平革菌+黑曲霉+青霉;菌种组合黄+黑+木+青、黄+木组合能够有效改变玉米秸秆的显微结构,处理后的叶片结构发生了很大的变化,原有的光滑整齐的表面结构被破坏,整体解体严重,叶片细胞轮廓解体,叶肉组织结构无定型状,细胞结构被破坏。 纤维素酶+木聚糖酶+β-葡聚糖酶+植物乳杆菌+布氏乳杆菌=1+1+1+3+3的菌酶复合添加剂喷洒到秸秆中进行发酵后,能够有效破除玉米秸秆的木质素-纤维素-半纤维素复合体结构,改善秸秆品质,提高营养物质的保存量及反刍动物瘤胃对秸秆营养物质的降解率,从而提高秸秆的可利用率。 4. 建立技术产品中试生产线。 (1)乳酸菌发酵工艺。 从青贮饲料中筛选得到2株乳酸菌,分别为植物乳杆菌(GLP01),该菌株与Gen Bank中的Lactobacillus plantarum strain KLDS(登录号:EU626013.1)相似度为98%;发酵乳杆菌(BLF01),与Gen Bank中的Lactobacillus fermentum strain 44197(登录号:DQ779203.1)相似度为99%。培养GLP01的最适碳源是果糖,最佳氮源是酵母粉,最佳培养条件是起始pH 5.47、培养温度35.3℃、接种量8.16%;培养BLF01的最适碳源是乳糖,最佳氮源是酵母粉,最佳培养条件是起始pH 6.5、培养温度35℃、接种量1%。进行了菌种扩繁和中试生产。 (2)秸秆发酵生物制剂中试生产线。建成生物制剂中试生产车间。设备尺寸为4.0 m×1.0 m×1.5 m,产量每小时0.5~1.0吨,主机电机功率25 kw,所生产产品包括,秸秆饲料专用复合酶制剂,净含量为1.0 kg;青贮专用菌酶复合制剂,净含量为500 g,产品为粉状,需稀释使用。

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    产品及质量检测情况

    成果项目形成的接种剂产品包括: (1)含乳酸片球菌、植物乳杆菌、戊糖片球菌、木聚糖酶、纤维二糖脱氢酶、纤维素酶、果胶酶等的玉米青贮专用添加剂; (2)含黄孢原毛平革菌、黑曲霉、青霉菌、绿色木霉、木聚糖酶、纤维素酶、果胶酶等的秸秆菌酶复合剂; (3)由植物乳杆菌、布氏乳杆菌、纤维素酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶等配制而成的秸秆青黄贮菌酶复合剂; (4)含纤维素酶、β-葡聚糖酶、木聚糖酶、果胶酶、漆酶的秸秆型复合酶制剂。 将成果的微生物接种剂产品用于生产实际,以饲养试验验证植物乳杆菌+戊糖片球菌+复合酶制剂、植物乳杆菌、布氏乳杆菌、布氏乳杆菌+复合纤维酶、复合酶制剂在奶牛或肉羊生产中的实际效果。结果显示: (1)植物乳杆菌+戊糖片球菌+复合酶制剂可提高奶牛产奶量。 (2)植物乳杆菌、布氏乳杆菌处理后全株玉米青贮饲喂奶牛,可提高产奶量和乳脂率。 (3)布氏乳杆菌+复合纤维酶发酵玉米秸秆,可抑制全株玉米青贮暴露于空气中24 h内的二次发酵,保证肉羊的饲养效果。 (4)复合酶制剂处理玉米秸秆的肉羊饲养效果,纤维素酶+木聚糖酶+β-葡聚糖酶+果胶酶+漆酶组合,可提高肉羊干物质、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维消化率约11%、10%、19%。 (5)该成果关键技术和产品在北京、河北、天津、内蒙古、河南等地示范推广,饲喂泌乳牛,可提高产奶量5%以上,乳脂率提高0.11个百分点,折算4%标准乳产量提高0.95 kg/d;饲喂育肥羊,可提高营养物质消化率,促进羔羊日增重达到173.01 g/d,比当地同期同日粮饲喂的羔羊提高23.51%,降低料重比20.77%。

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    产品使用的技术标准

    成果由中国农业科学院饲料研究所研发,在北京精准动物营养研究中心合作生产,执行企业标准Q/HDJZA 0015—2018。

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    成果项目的技术成熟程度、产品市场接受度和市场竞争力等情况

    本成果起始于2002年,开展研究约14年时间。首先对常用于玉米青贮中的乳酸菌进行了研究,比较各自优势和作用效果,优化出全株玉米青贮的微生物接种剂组合;就其木质纤维素抗营养作用,研究复合纤维酶最佳组合方案。针对玉米秸秆,提出以真菌破解其木质纤维素空间结构、以复合纤维酶促进其消化降解的思路,开展了菌酶复合制剂的研究。通过理论研究,形成了全株玉米青贮和玉米秸秆各自的最佳菌酶复合制剂,建立了中试生产线,生产出产品,经示范推广,并取得了一手生产数据。项目整体在技术上有重大突破,在应用上取得了良好效益。 本成果针对我国反刍动物养殖业粗饲料资源开发利用中的实际问题,开展全株玉米及秸秆生物发酵技术研究和生产实践,推进全株玉米及秸秆发酵处理技术向深度和广度发展,为现代奶牛、肉羊等产业的发展提供实用技术和产品,可操作性强。成果研发的技术经过示范与推广,深受养殖企业欢迎,可提高羔羊增重、奶牛产奶量,初步统计示范中产生经济效益1.09亿元,同时可充分利用秸秆资源,减少环境污染问题,社会和生态效益显著。本成果符合国家产业政策,推广应用前景广阔。 我国优质粗饲料资源不足,农业部统计资料显示,需求量在6.5亿吨,而供应量仅仅4.2亿吨,缺口约2.3亿吨。一方面,我国奶牛养殖业过分依赖苜蓿草,国产产量无法满足需求,导致进口量自2009年以来连年直线上涨。另一方面,我国农作物副产物资源十分丰富,年产量在7.52亿吨,其中玉米秸秆达到2.7亿吨。由于农作物秸秆理化性质的特殊性,其作为饲料有很多的限制性。秸秆质地比较粗硬、适口性不好、营养价值较差、消化利用率比较低等,只有很少一部分能被用来饲养草食动物。本成果研究的技术和产品能够使秸秆作为饲料的利用率得到大幅度的提高,对于促进我国秸秆饲料生产走上产业化、现代化发展道路至关重要,这将对解决粮食问题、各种资源短缺、环境污染等问题都有极为深远的意义。

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