布氏乳桿菌對青玉米秸青貯發(fā)酵品質(zhì)和有氧穩(wěn)定性的影響

呂文龍,刁其玉＊ ,閆貴龍,2

(1.中國農(nóng)業(yè)科學院飼料研究所,北京 100081;2.河北北方學院動物科技學院,河北 張家口075131)

玉米(Zea mays)是主要的飼料作物和糧食作物,但是玉米秸稈由于自身的理化特性,作為飼料存在著許多問題。秸稈的莖稈粗硬,在消化道停留時間長,影響家畜的采食量和適口性;秸稈的粗纖維含量高達35%～50%,并且粗纖維中纖維素和木質(zhì)素結(jié)合成為較堅固的結(jié)構(gòu),動物難以消化利用。為了更合理的利用這一飼料資源,將玉米秸稈切短后青貯,可以調(diào)制成一種多汁、耐貯藏、能夠供家畜全年食用的粗飼料,該技術(shù)在我國玉米主產(chǎn)區(qū)尤其是在北方地區(qū)已經(jīng)得到廣泛推廣應用[1-3]。

實際生產(chǎn)中,酵母菌和霉菌往往引起青貯飼料發(fā)霉、腐敗變質(zhì),特別是高溫、封口不及時和壓實不夠時。有氧腐敗往往造成青貯飼料營養(yǎng)成分大量損失,如果給動物飼喂了發(fā)霉變質(zhì)的青貯飼料,會降低動物生產(chǎn)性能,從而降低農(nóng)場經(jīng)濟效益[4,5]。因此,努力提高玉米秸稈青貯飼料的品質(zhì)就尤為重要。防止腐敗變質(zhì)是青貯飼料制作的一個重要方面,布氏乳桿菌能有效的保存大田青貯飼料和提高有氧穩(wěn)定性[6]。

Muck[7]第1次研究表明,布氏乳桿菌可以提高青貯飼料的有氧穩(wěn)定性,并且建議把布氏乳桿菌作為青貯添加劑使用。直到2001年,美國食品和藥物管理局(Food and Drug Administration)才正式批準布氏乳桿菌作為青貯添加劑使用,之后對布氏乳桿菌展開了大量研究。Oude Elferink等[8]的研究表明,添加布氏乳桿菌后,1 mol乳酸被降解為0.48 mol乙酸、0.48 mol 1,2-丙二醇、0.04 mol乙醇和 0.52 mol CO2。Kleinschmit和Kung[6]總結(jié)發(fā)現(xiàn),對照組玉米青貯飼料暴露在空氣下25 h就發(fā)霉變質(zhì),布氏乳桿菌添加量≤105cfu/g鮮重的玉米青貯飼料暴露在空氣下35 h發(fā)霉變質(zhì),而添加量>105cfu/g鮮重的玉米青貯飼料直到503 h才發(fā)霉變質(zhì)。在牧草和小作物青貯飼料中,幾乎沒有檢測到酵母菌的存在,3個處理組有氧穩(wěn)定性分別為206,226和245 h。布氏乳桿菌雖然提高了這2類飼料的有氧穩(wěn)定性,但是提高幅度存在很大差異。美國奶牛和牧草中心連續(xù)3年的試驗研究表明,布氏乳桿菌可以提高玉米青貯飼料的有氧穩(wěn)定性,與對照組相比提高了100～811 h,足以見布氏乳桿菌對青貯飼料有氧穩(wěn)定性的影響之大[9]。

國內(nèi)外關(guān)于布氏乳桿菌對全株玉米和苜蓿(Medicagosativa)等青貯飼料品質(zhì)的影響已經(jīng)進行了大量研究,并且結(jié)果表明,布氏乳桿菌能有效提高青貯飼料的有氧穩(wěn)定性,但是關(guān)于布氏乳桿菌對不帶穗青玉米秸青貯品質(zhì)影響的研究非常少。因此,本試驗的主要目的是探討布氏乳桿菌對不帶穗青玉米秸青貯發(fā)酵品質(zhì)和有氧穩(wěn)定性的影響,從而為我國不帶穗青玉米秸青貯飼料生產(chǎn)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

青貯原料:蠟熟后期收割的不帶穗青玉米秸,種植地為北京大興區(qū)西莊。

接種劑:布氏乳桿菌。

青貯容器:直徑10cm,高30cm,壁厚0.4cm,容積為2 L的玻璃罐。

1.2 試驗方法

本試驗開始時間為2008年9月,青貯原料來源于同一塊玉米地,設(shè)置4個處理組,分別在鮮樣(鮮重)的基礎(chǔ)上接種不同劑量的布氏乳桿菌:處理1(用CS表示)為對照組,不接種布氏乳桿菌;處理2(用CSL表示)接種量為3.05×104cfu/g鮮重;處理3(用CSS表示)接種量為3.05×105cfu/g鮮重;處理4(用CSH表示)接種量為3.05×106cfu/g鮮重。將不帶穗青玉米秸粉碎至1～2cm,根據(jù)設(shè)計,把接種劑溶于一定量的去離子水,均勻噴灑在粉碎的原料上,對照組也加相同的去離子水,立即填裝,封口,青貯罐25～30℃避光保存。

對青貯原料的營養(yǎng)成分、水溶性碳水化合物、緩沖度和pH值進行分析。在青貯第1,16,34,60天分別開罐取樣進行分析,每個時間點每個處理組開3個青貯罐即3個重復,檢測pH值、乳酸、揮發(fā)性脂肪酸(VFA)和氨態(tài)氮(NH3-N)。分析發(fā)酵60 d青貯料的營養(yǎng)成分、水溶性碳水化合物、干物質(zhì)回收率、干物質(zhì)消化率以及有氧穩(wěn)定性。

1.3 測定方法

干物質(zhì)(dry matter,DM)測定采用常規(guī)方法;粗蛋白(crude protein,CP)測定采用凱氏定氮法;中性洗滌纖維(neutral detergent fiber,NDF)和酸性洗滌纖維(acid detergent fiber,ADF)在范氏法(Van Soest)的基礎(chǔ)上使用改進的濾袋分析法;水溶性碳水化合物(water soluable carbonhydrate,WSC)測定采用蒽酮比色法;緩沖度(buffer capacity,BC)測定采用滴定法[10];乳酸和VFA測定采用離子色譜法[11];氨態(tài)氮(NH3-N)測定采用苯酚-次氯酸鈉比色法;pH值利用酸度計測定;干物質(zhì)消化率(dry matter digestability,DMD)測定采用活體外兩階段法[12]。

干物質(zhì)回收率(dry matter recovery,DM R)測定:青貯結(jié)束后,開封去除密封材料,打開實驗瓶密封蓋排氣后稱重并記錄,DMR(%)=[(開封時回收青貯重×青貯DM%)/(裝填時裝入原料重×原料DM%)]×100。

有氧穩(wěn)定性測定:青貯發(fā)酵進行到60 d時,每個處理組隨機取5～6瓶保存完好的青貯飼料,棄去瓶口約10cm厚的部分,混勻后取樣,取400 g置于15cm×20cm塑料封口袋中用牙簽扎數(shù)個小孔,再套上一個寬松不封口的塑料袋,防止交叉污染和減少水分損失,置于陰涼處存放,用于測定pH、霉菌和酵母變化。另取800～1 000 g置于大的塑料封口袋中,直至塑料袋裝滿,用牙簽扎數(shù)個小孔,再套上一個寬松不封口的塑料袋,防止交叉污染和減少水分損失,用50℃的普通溫度計測定溫度變化。樣品都置于陰暗處,環(huán)境溫度根據(jù)實際情況確定,溫度變化每4 h記錄1次,當青貯物料的溫度超過環(huán)境溫度2℃時為止。試驗中的溫度計、牙簽等用具使用前均須紫外滅菌。

1.4 統(tǒng)計分析

用SAS統(tǒng)計軟件進行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 青貯原料的化學成分和緩沖能值

本試驗青貯原料為玉米成熟收獲后收割的玉米秸稈。青貯原料的化學成分含量見表1。青貯原料的緩沖能值為208.17 mE/kg DM,青貯原料的pH值為5.05。本試驗中玉米秸稈水分和水溶性碳水化合物含量分別為68.62%和19.11%,符合青貯飼料制作的要求。

表1 青貯原料的化學成分含量Table 1 Chemical compositions of ensiling material

2.2 布氏乳桿菌對青貯發(fā)酵產(chǎn)物有機酸和氨態(tài)氮的影響

青貯飼料發(fā)酵的主要產(chǎn)物包括乳酸、乙酸和氨態(tài)氮。布氏乳桿菌對青貯發(fā)酵產(chǎn)物的影響見表2。可以看出,青貯發(fā)酵第1天,各處理組pH都迅速下降,CSS組和CSH組都下降到4.0左右,CS組和CSL組都下降到4.0以下,之后各處理組基本保持穩(wěn)定狀態(tài),而且CSS組和CSH組pH值始終保持高于其他2組的趨勢,其中CSH組最高。發(fā)酵剛開始時,青貯原料中WSC充分,原料緩沖度小,pH值迅速下降。隨著發(fā)酵的深入,WSC逐漸減少,乳酸菌逐漸被低pH和生成的乳酸所抑制,因此,此時pH基本保持平穩(wěn)狀態(tài)。

發(fā)酵開始時,青貯樣品中乳酸和乙酸含量非常少,第1天時,各處理組乳酸生成量都迅速增加,之后,CS組變化不大,CSL組在第16天達到最大值8.0左右后緩慢下降,CSS組和CSH組一直保持下降趨勢,而且始終低于CS組,其中,CSH組顯著低于CSS組(P<0.05)。整個發(fā)酵過程中,所有處理組乙酸含量都呈顯著增加趨勢,特別是CSS組和CSH組增加迅速,而且始終高于CS組。CSL組乙酸開始低于CS組,34 d后開始高于CS組。這是由于青貯飼料中生成的乳酸可以被布氏乳桿菌分解為乙酸,接種量越大,布氏乳桿菌分解乳酸生成的乙酸就越多。整個發(fā)酵過程中,CSH組和CSS組乳酸乙酸比例一直下降,而且始終低于CS組。而CS組和CSL組是先增加后下降,發(fā)酵后期CSL組乳酸乙酸比例下降的速度增快,直到第60天時才開始低于CS組?？梢钥闯鋈樗嵋宜岜壤陆邓俣扰c布氏乳桿菌的接種量有著直接關(guān)系。發(fā)酵末期,4個處理組乳酸乙酸比例大小順序為CS組(2.17)>CSL組(0.98)>CSS組(0.42)>CSH 組(0.30)。

整體來看,隨著發(fā)酵的深入,所有處理組氨態(tài)氮含量呈增加的趨勢,并且最終趨于穩(wěn)定。發(fā)酵初期,氨態(tài)氮主要是蛋白質(zhì)、氨基酸和其他一些含氮物質(zhì)水解造成的,最終產(chǎn)氨菌逐漸被酸性環(huán)境所抑制。

表2 布氏乳桿菌對青貯發(fā)酵產(chǎn)物的影響Table 2 Effects of Lactobacillus buchneri on fermentation products

2.3 布氏乳桿菌對青貯飼料營養(yǎng)成分和干物質(zhì)消化率的影響

發(fā)酵60 d后,布氏乳桿菌對不帶穗青玉米秸青貯飼料營養(yǎng)成分和DMD的影響見表3。與CS組相比,其他3個處理組DM顯著降低(P<0.05)。各處理組之間CP、EE、NDF和ADF都沒有顯著差異(P>0.05)。發(fā)酵結(jié)束時,CSL組和CSS組殘留WSC含量顯著高于CS組,而CSH顯著低于CS組。CS組和CSL組DMR差異不顯著(P>0.05),但是數(shù)值上略低于CS組,CSS組和CSH組都顯著低于CS組(P<0.05),分別低0.81%和1.55%。與CS組相比,不帶穗青玉米秸青貯飼料接種布氏乳桿菌后,CSL組、CSS組和CSH組干物質(zhì)消化率都顯著降低(P<0.05),分別下降了9.19%,9.11%和12.49%,它們之間差異不顯著(P>0.05)。

2.4 布氏乳桿菌對青貯飼料有氧穩(wěn)定性的影響

青貯飼料暴露于空氣后,溫度上升到高于環(huán)境溫度2℃所需要的時間即為有氧穩(wěn)定性。本試驗中幾種處理有氧穩(wěn)定性分別為:CS組 92 h,CSL組124 h,CSS組340 h,CSH組最高,達到428 h。與CS組相比,CSL組只提高了32 h,CSS組提高了248 h,CSH組提高了336 h(圖1)。

表3 布氏乳桿菌對青貯飼料營養(yǎng)成分和DMR的影響Table 3 Effects of Lactobacillusbuchneri on the compositions and DMR of silage DM%

圖1 青貯飼料暴露于空氣下的有氧穩(wěn)定性Fig.1 Aerobic stability of silage exposed to air

3 討論

通常情況下,微生物接種劑推薦的接種量是105cfu/g鮮重,但是也有研究發(fā)現(xiàn)這個量不足以改變青貯飼料發(fā)酵過程和提高有氧穩(wěn)定性,如果能加大接種量則有顯著效果[6]。本試驗中CSL組布氏乳桿菌接種量為3.04×104cfu/g鮮重,對發(fā)酵過程和有氧穩(wěn)定性的影響沒有CSS組和CSH組大。

布氏乳桿菌屬于異型發(fā)酵乳酸菌,能分解水溶性碳水化合物和乳酸產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸、二氧化碳等,造成青貯飼料營養(yǎng)成分的損失。Kung等[13]給高水分玉米接種了不同劑量的布氏乳桿菌,結(jié)果發(fā)現(xiàn),布氏乳桿菌對NDF、ADF、NH3-N都沒有影響,與本試驗結(jié)果基本一致。但是布氏乳桿菌降低了CP和WSC含量,對干物質(zhì)回收率沒有影響以及隨著接種量的增大,有氧穩(wěn)定性并沒有提高,本試驗結(jié)果與之不同,在他的試驗中,接種量之間差距沒有本試驗中這么大以及青貯原料水分含量高,這樣就可能導致干物質(zhì)回收率和有氧穩(wěn)定性之間差異不顯著。Driehuis等[4]進行的3個試驗中,后2個試驗接種布氏乳桿菌都增加了氨態(tài)氮含量,Hu等[14]也得到了相似的結(jié)果,本試驗中沒有檢測到這種效果。青貯飼料中氨態(tài)氮含量可以反映出蛋白質(zhì)的降解程度,一般情況下,pH在3～7時,隨著pH值的增大,蛋白質(zhì)水解作用增強;此外,蛋白質(zhì)水解作用還與青貯過程中pH的下降速度有關(guān)。

本試驗中,布氏乳桿菌顯著提高了青玉米秸青貯飼料的有氧穩(wěn)定性,并且隨著接種量的增加,有氧穩(wěn)定性越來越大,這是由于青貯飼料中乙酸含量越來越多的原因造成的。而乙酸對真菌有著很好的抑制作用,可以提高多種青貯飼料的有氧穩(wěn)定性。但是,Huisden等[15]分別給玉米按照推薦量和2倍推薦量接種布氏乳桿菌,他并沒有發(fā)現(xiàn)玉米青貯飼料有氧穩(wěn)定性隨著布氏乳桿菌接種量的增加而增大,本試驗結(jié)果與之不一致,原因可能是本試驗中接種量的增加是10倍遞增關(guān)系,增加幅度遠遠大于他的試驗,因此,造成了結(jié)果上的不完全一致。以前對布氏乳桿菌在多種青貯飼料上的研究都表明,盡管布氏乳桿菌改善有氧穩(wěn)定的程度存在差異,但是布氏乳桿菌能改善青貯飼料有氧穩(wěn)定性,這一點還是非常一致的。

給青貯飼料接種布氏乳桿菌的主要問題是青貯飼料中產(chǎn)生的大量乙酸將對家畜生產(chǎn)性能產(chǎn)生什么樣的影響。關(guān)于這方面的研究已經(jīng)進行了很多,并沒有研究表明飼喂接種布氏乳桿菌的青貯飼料,動物采食量和產(chǎn)奶量有所下降[16]。體外兩階段法前48 h模擬的是瘤胃消化過程,后面48 h模擬的是真胃和小腸的消化過程,能更好的評價飼料在動物體內(nèi)的消化情況。本試驗中,與對照組(CK)相比,接種了布氏乳桿菌的玉米秸稈青貯飼料DM消化率并沒有提高,這與Weinberg等[17]對玉米和小麥(Triticum aestivum)青貯以及Filya等[18]對第1茬和第2茬苜蓿青貯的研究結(jié)果基本一致。體外兩階段法測定的干物質(zhì)消化率與青貯原料的粗纖維之間存在負相關(guān)性[17]。本試驗中,玉米秸稈中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量都非常高,因此,干物質(zhì)消化率低屬于正常情況。瘤胃是一個非常復雜的生態(tài)系統(tǒng),在瘤胃里面,大量的微生物和很多因素都發(fā)揮著重要作用,還需要更多的研究來探討青貯飼料接種劑對反芻動物的影響[16]。

4 結(jié)論

本試驗條件下,接種布氏乳桿菌可以有效提高不帶穗青玉米秸青貯的乙酸含量,降低乳酸含量和乳酸/乙酸,降低干物質(zhì)回收率,顯著提高有氧穩(wěn)定性,延長了開瓶后青貯的保存時間。

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