青貯飼料有氧穩(wěn)定性測(cè)定裝置的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

鄭 毅， 唐鴻宇， 李天宇， 蔡 茂， 陳 豪， 張嘉保， 王 鵬

(吉林大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春 130062)

青貯飼料的有氧穩(wěn)定性是青貯飼料品質(zhì)評(píng)定的重要指標(biāo)之一[1]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于青貯飼料有氧穩(wěn)定性的測(cè)定方法主要包括微生物培養(yǎng)法和溫度檢測(cè)法。溫度檢測(cè)法是通過(guò)對(duì)開封后的青貯飼料中心溫度的實(shí)時(shí)跟蹤，記錄出其核心溫度比外界溫度高出2℃所需的準(zhǔn)確時(shí)間。該方法雖然較微生物培養(yǎng)法具有操作簡(jiǎn)單，工作量小等優(yōu)點(diǎn)，但在利用此技術(shù)進(jìn)行青貯飼料有氧穩(wěn)定性評(píng)定的過(guò)程中，常因盛裝飼料進(jìn)行二次發(fā)酵的容器型號(hào)、材質(zhì)、隔熱效果[2]等因素不統(tǒng)一，直接影響實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度的準(zhǔn)確度，進(jìn)而給青貯飼料的有氧穩(wěn)定性評(píng)價(jià)帶來(lái)系統(tǒng)誤差。

在進(jìn)行青貯飼料有氧穩(wěn)定性測(cè)定時(shí)，需要保證外環(huán)境因素的穩(wěn)定性和統(tǒng)一性，其結(jié)果才具有可比性。目前國(guó)內(nèi)外研究者用于測(cè)定青貯飼料有氧穩(wěn)定的裝置容器無(wú)論在規(guī)格大小、材質(zhì)等方面千差萬(wàn)別，測(cè)定裝置在保溫和透氣兩方面尚不能做到兼顧。在青貯全株玉米有氧穩(wěn)定性的試驗(yàn)中[3-4]，因不同研究者使用的物料盛裝容器不同，致使相互之間的試驗(yàn)結(jié)果缺乏對(duì)照性，且出現(xiàn)過(guò)因盛裝容器性能原因?qū)е碌膿]發(fā)性脂肪酸和纖維成分測(cè)定數(shù)據(jù)異常的現(xiàn)象[5]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本研究旨在設(shè)計(jì)并制造出一款操作簡(jiǎn)便、實(shí)用性強(qiáng)、成本較低、受眾面廣的有氧穩(wěn)定性測(cè)定裝置，并通過(guò)利用全株玉米青貯和玉米青秸稈青貯飼料的有氧穩(wěn)定性試驗(yàn)對(duì)該裝置進(jìn)行驗(yàn)證。解決現(xiàn)有技術(shù)存在的設(shè)備簡(jiǎn)易、隔熱措施不一、系統(tǒng)誤差大及影響青貯飼料有氧穩(wěn)定性評(píng)定準(zhǔn)確度的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)青貯飼料有氧穩(wěn)定性溫度的有效實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 材料與方法

1.1 裝置設(shè)計(jì)理念

本研究為實(shí)現(xiàn)對(duì)青貯飼料開封有氧穩(wěn)定性溫度變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并解決隔熱保溫與通風(fēng)的矛盾，從材料選擇方面，選用輕質(zhì)且隔熱效果好的材料。在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，采用功能系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，模塊可拆分設(shè)計(jì)，隔熱與通風(fēng)兼顧設(shè)計(jì)和多單元復(fù)合型設(shè)計(jì)。

1.2 材料

該裝置主要由輕質(zhì)木板和泡沫板、聚乙烯塑料板、PVC管組成。

1.3 裝置的設(shè)計(jì)

本裝置包括：樣本盛裝系統(tǒng)、保溫隔熱系統(tǒng)和溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。樣本盛裝系統(tǒng)安裝在保溫隔熱系統(tǒng)中，溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)感溫元件通過(guò)保溫隔熱系統(tǒng)與樣本盛裝系統(tǒng)連接，被測(cè)樣本飼料要求在上述安裝步驟完成之前，事先裝入樣本盛裝系統(tǒng)內(nèi)。樣本盛裝系統(tǒng)包括料桶和料桶蓋。料筒蓋上形成有料桶感溫探孔，料桶底部形成有料桶通氣孔。保溫隔熱系統(tǒng)包括：保溫隔熱箱體(下稱“箱體”)、保溫隔熱蓋板(下稱“蓋板”)和保溫隔熱底板(下稱“底板”)。蓋板在箱體上方，箱體在底板上方。蓋板上的與料桶感溫探孔對(duì)應(yīng)的位置上形成有蓋板感溫探孔；保溫隔熱系統(tǒng)的蓋板、箱體和底板上形成有通氣孔以及連接通氣孔的通氣槽，通氣槽途經(jīng)料桶感溫探孔或料桶通氣孔，以使盛裝被測(cè)樣本的料桶與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換。箱體包括箱體隔熱內(nèi)膽，蓋板包括蓋板隔熱板，底板包括底板隔熱板。箱體中設(shè)有多個(gè)容納料桶的料桶槽，能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)樣本進(jìn)行測(cè)定。溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)包括熱敏探頭和溫度記錄器。熱敏探頭一端通過(guò)蓋板通氣孔和料桶蓋通氣孔深入料桶，另一端與溫度記錄器連接。溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)具體條件選擇全自動(dòng)溫度檢測(cè)裝置或人工記錄。

本裝置的有益效果：在監(jiān)控青貯飼料有氧穩(wěn)定性溫度的變化時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)容積的料桶能夠?qū)崿F(xiàn)被測(cè)樣本之間在質(zhì)量上的平行性；箱體蓋板、箱體和箱體底板的隔熱設(shè)計(jì)能夠有效實(shí)現(xiàn)被測(cè)樣本之間以及被測(cè)樣本與外界環(huán)境之間的熱量交換，實(shí)現(xiàn)每個(gè)被測(cè)樣本能夠在各自測(cè)定單元內(nèi)的獨(dú)立性。此裝置一方面在蓋板、箱體和底板的用材上采用隔熱保溫材料；另一方面在蓋板、箱體和底板上設(shè)計(jì)通氣孔以及連接通氣孔的通氣槽，盛裝被測(cè)樣本的料桶可通過(guò)通氣孔和通氣槽，在獲得隔熱保溫功能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)被測(cè)樣本與外界環(huán)境的氣體交換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各被測(cè)樣本開封后順利完成二次發(fā)酵互不影響的目的。

本裝置的箱體、蓋板和底板在材料上選擇的導(dǎo)熱系數(shù)極低的隔熱材料以及箱體、蓋板和底板的通氣槽和通氣孔設(shè)計(jì)，能夠在實(shí)現(xiàn)被測(cè)樣本與外界環(huán)境保持空氣暢通的同時(shí)，消除二次發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的熱量與外界環(huán)境的熱量交換現(xiàn)象，有效解決通風(fēng)與保溫隔熱的現(xiàn)實(shí)矛盾。

本裝置采用的樣本盛料系統(tǒng)與保溫隔熱系統(tǒng)分離設(shè)計(jì)，便于每個(gè)被測(cè)樣本在實(shí)驗(yàn)過(guò)程隨時(shí)取樣且互不干擾。此外，本裝置采取的單體多單位設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)多個(gè)樣本進(jìn)行有氧穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)的功能，有效的提高實(shí)驗(yàn)效率、準(zhǔn)確性和平行性。

1.4 設(shè)計(jì)與連接

圖1為本研究裝置的設(shè)計(jì)圖解。具體包括樣本盛裝系統(tǒng)、保溫隔熱系統(tǒng)和溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。

1.4.1物料盛裝系統(tǒng) 物料盛裝系統(tǒng)包括：料桶蓋(A)、料桶感溫探孔(B)、料桶體(C)、料桶底(D)和料桶通氣孔(E)。A和C之間為塑料膠帶連接。A、C和D采用聚乙烯塑料。A中心處開有直徑為10 mm的B，D中心處開有直徑為20 mm的E，C的容積為1 L，C和D之間為膠體連接。

1.4.2保溫隔熱系統(tǒng) 保溫隔熱系統(tǒng)包括：保溫隔熱蓋板、保溫隔熱箱體和保溫隔熱底板。蓋板在箱體上方，由鎖扣自由連接。箱體底部的凹陷結(jié)構(gòu)與底板頂部凸出結(jié)構(gòu)連接。

蓋板結(jié)構(gòu)包括：蓋板感溫探孔(F)、蓋板隔熱板(G)和蓋板通氣孔(H)。G位于蓋板架內(nèi)，由膠體連接。H對(duì)稱分布于G長(zhǎng)邊兩側(cè)，由G內(nèi)面的H相連，F(xiàn)透過(guò)G與蓋板通氣槽相通。H直徑為10 mm；F位于G上，直徑為10 mm；蓋板通氣槽寬度為10 mm，深度為10 mm，長(zhǎng)度與G寬度一致。

圖1 裝置設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design drawing of the equipmentA. 料桶蓋；B. 料桶感溫探孔；C. 料桶體； D. 料桶底；E. 料桶底通氣孔；F. 蓋板感溫探孔； G. 蓋板隔熱板；H. 蓋板通氣孔；I. 料桶槽；J. 箱體； K. 箱體通氣孔；L. 底板通氣槽；M. 底板通氣孔； N. 底板隔熱板；O. 底板外板；P. 熱敏探頭；Q. 數(shù)據(jù)采集器A, cover of the storage vat; B, hole of the spherical thermistor at the storage vat; C, container wall of the storage vat; D, bottom of the storage vat; E, venthole at the bottom of the storage vat; F, hole of the spherical thermistor at the cover plate; G, cover thermal baffle; H, venthole at the cover plate; I, slot position of the storage vat; J, box; K, venthole at the box; L, vent groove on the baseplate; M, venthole of the baseplate; N, thermal baffle baseplate; O, exothecium of the baseplate; P, spherical thermistor; Q, data acquisition system

箱體結(jié)構(gòu)包括：料桶槽(I)、箱體本體(J)和箱體通氣孔(K)。K對(duì)稱分布于箱體外壁的長(zhǎng)邊下緣。I位于箱體隔熱內(nèi)膽內(nèi)。箱體外壁位于箱體隔熱內(nèi)膽外部，由膠體連接。K直徑為10 mm。I高度與C相同，I內(nèi)徑大于C外徑1 mm。箱體外壁四面由鉚釘連接。

底板結(jié)構(gòu)包括：底板通氣槽(L)、底板通氣孔(M)、底板隔熱板(N)和底板外板(O)。M位于L上；L位于N上方；L上兩端與K相對(duì)應(yīng)；N位于O上方，二者由膠體連接。M直徑為20 mm，深度為10 mm；L寬度為10 mm，深度為10 mm，尺寸與N的寬度一致。

其中G、N和箱體隔熱內(nèi)膽均采用保溫隔熱材料，要求導(dǎo)熱系數(shù)≤0.028 W·(m·K)-1，抗壓強(qiáng)度>220 KPa。O和箱體外壁采用木質(zhì)材料。

1.4.3溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng) 溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)包括：熱敏探頭(P)和數(shù)據(jù)采集器(Q)。P一端連接Q，另一端通過(guò)F和B，插入C幾何中心處。溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的P和Q可以使用常規(guī)溫度計(jì)(0～50℃)并采用人工測(cè)量方式代替。

1.5 裝置性能驗(yàn)證性試驗(yàn)

試驗(yàn)采用經(jīng)45天厭氧發(fā)酵，密度為600 kg·m-3的優(yōu)質(zhì)[6]全株玉米(Whole-plant corn)青貯和密度為500 kg·m-3的優(yōu)質(zhì)玉米青秸稈(Green-corn straw)青貯。以常規(guī)聚乙烯塑料桶盛裝青貯飼料作為對(duì)照組，以本研究裝置盛裝青貯飼料作為試驗(yàn)組，分別進(jìn)行全株玉米青貯和玉米青秸稈青貯的有氧穩(wěn)定性測(cè)定試驗(yàn)。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)容器內(nèi)膽容積均為1 L。試驗(yàn)采用多路溫度記錄儀對(duì)兩種試驗(yàn)容器的中心溫度進(jìn)行連續(xù)記錄。

2 結(jié)果與分析

圖2顯示了全株玉米青貯開封后發(fā)酵容器中心溫度變化曲線。試驗(yàn)組分別在開封58 h和277 h后形成兩個(gè)發(fā)熱高峰，溫度分別達(dá)到31.41℃和31.35℃。對(duì)照組在開封56 h和259 h后形成兩個(gè)發(fā)熱高峰，溫度分別達(dá)到26.04℃和27.68℃。

圖2 全株玉米青貯開封后發(fā)酵容器中心溫度隨接觸空氣時(shí)間的變化曲線Fig.2 The central temperature of the fermentation containers changed with the time of contacting with air after the whole-crop silage opened

圖3顯示了玉米青秸稈青貯開封后發(fā)酵容器中心溫度變化曲線。試驗(yàn)組在開封后81 h形成單一的發(fā)熱高峰，溫度達(dá)到33.17℃。對(duì)照組在78～81 h形成發(fā)熱最高峰，溫度達(dá)到24.13℃。在132 h后又形成了一個(gè)發(fā)熱小高峰，溫度達(dá)到22.03℃，僅高出室溫3.30℃。

圖3 玉米青秸稈青貯開封后發(fā)酵容器中心溫度隨接觸空氣時(shí)間的變化曲線Fig.3 The central temperature of the fermentation containers changed with the time of contacting with air after the corn green straw silage opened

3 討論

青貯飼料的有氧穩(wěn)定性是青貯飼料品質(zhì)評(píng)定的重要指標(biāo)之一。有研究表明[7-8]，發(fā)酵品質(zhì)越好的青貯飼料發(fā)生二次發(fā)酵的幾率越大，而丁酸含量高的劣質(zhì)青貯飼料幾乎不會(huì)發(fā)生二次發(fā)酵。當(dāng)青貯飼料中甲酸、甲酸鈉、丙酸、苯甲酸、甘油等化學(xué)成分含量較高時(shí)，青貯飼料發(fā)生二次發(fā)酵的幾率會(huì)顯著降低。引起青貯飼料二次發(fā)酵主要有3個(gè)因素[9]：(1)發(fā)酵溫度：青貯飼料中存在許多種微生物(如酵母菌，霉菌[10]，以及其他好氧性細(xì)菌)，它們中大部分繁殖的適宜溫度在20～40℃之間[11]；(2)填裝密度：青貯飼料密度低，開封后空氣易進(jìn)入，易于發(fā)生二次發(fā)酵；(3)青貯飼料取用量[12]：開封后如果單次取用量少，取用部位的青貯飼料一直暴露在空氣中，易于發(fā)生二次發(fā)酵。

在關(guān)于青貯飼料的有氧穩(wěn)定性方面的研究中，許多試驗(yàn)采用常規(guī)化學(xué)成分分析法測(cè)定pH值、氨態(tài)氮、有機(jī)酸[13]等，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室評(píng)定青貯飼料品質(zhì)來(lái)評(píng)測(cè)青貯飼料的有氧穩(wěn)定性[14]。該方法雖可通過(guò)檢測(cè)物質(zhì)含量評(píng)測(cè)二次發(fā)酵趨勢(shì)，但在實(shí)際生產(chǎn)中缺乏穩(wěn)定性、操作繁瑣、難以被廣泛應(yīng)用。微生物檢測(cè)法相較于溫度檢測(cè)法，因其實(shí)驗(yàn)成本高和操作難度大，則難以推廣。

溫度檢測(cè)法雖操作簡(jiǎn)便，但影響因素較多。在較多科研試驗(yàn)中[15-18]，設(shè)計(jì)者都是通過(guò)在自定的統(tǒng)一容器中，通過(guò)添加生物添加劑，比較在二次發(fā)酵時(shí)飼料核心溫度比外界溫度高出2℃所需的時(shí)間，來(lái)評(píng)定青貯飼料有氧穩(wěn)定性。一般試驗(yàn)所用的容器，如扎有多個(gè)小孔的塑料自封袋、敞口聚乙烯塑料桶(或桶口用雙層紗布包裹)、玻璃瓶等[16-20]，通常存在系統(tǒng)誤差。保溫較好的容器，透氣性差，無(wú)法滿足有氧條件[21]；透氣性好的容器，熱量易流失；容器上存在的這些缺點(diǎn)，會(huì)使試驗(yàn)結(jié)果偏離實(shí)際生產(chǎn)的真實(shí)情況。同時(shí)，由于各試驗(yàn)采用的容器型號(hào)上的不統(tǒng)一，導(dǎo)致各試驗(yàn)之間缺少可比性，最終導(dǎo)致在使用溫度檢測(cè)法進(jìn)行青貯飼料有氧穩(wěn)定性測(cè)定時(shí)，無(wú)法建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

本試驗(yàn)中，以對(duì)照組對(duì)常規(guī)試驗(yàn)容器進(jìn)行模擬。在全株玉米試驗(yàn)中，試驗(yàn)組與對(duì)照組的曲線都具有兩個(gè)發(fā)熱高峰。屬于由酵母菌和霉菌先后交替作用的酵母-霉菌型二次發(fā)酵[22]。但在同等條件下，對(duì)照組在整個(gè)二次發(fā)酵過(guò)程中的溫度一直低于試驗(yàn)組。分析原因?yàn)閷?duì)照組的保溫隔熱效果不如試驗(yàn)組，致使發(fā)酵容器中心溫度通過(guò)容器外壁散失，導(dǎo)致整體溫度曲線偏低。在玉米青秸稈試驗(yàn)中，試驗(yàn)組與對(duì)照組的曲線是具有單一發(fā)熱高峰的二次發(fā)酵，屬于由霉菌單獨(dú)引起的二次發(fā)酵類型。但對(duì)照組發(fā)熱溫度較試驗(yàn)組低，且溫度上升幅度較小。而對(duì)照組出現(xiàn)的第二個(gè)發(fā)熱高峰，分析原因?yàn)閷?duì)照組使用了敞開式塑料容器，與空氣中復(fù)雜性微生物有關(guān)，可能是飼料表面與空氣接觸部分感染了外界的酵母菌造成的[23]。

本裝置既能降低外界溫度對(duì)發(fā)酵容器中心溫度的影響，又能保證容器內(nèi)發(fā)酵符合有氧發(fā)酵，使裝置內(nèi)青貯飼料二次發(fā)酵時(shí)環(huán)境符合實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境。裝置驗(yàn)證性試驗(yàn)結(jié)果顯示，無(wú)論是酵母-霉菌型二次發(fā)酵，還是霉菌單獨(dú)引起的二次發(fā)酵，本裝置都能更顯著地檢測(cè)到發(fā)酵溫度的變化趨勢(shì)。通過(guò)本裝置統(tǒng)計(jì)的溫度變化趨勢(shì)和所需時(shí)間，符合傳統(tǒng)有氧穩(wěn)定性測(cè)定時(shí)理論值[24]。試驗(yàn)結(jié)果證明本裝置在青貯飼料有氧穩(wěn)定性測(cè)定方面，較充分的滿足預(yù)期設(shè)計(jì)的要求，對(duì)溫度檢測(cè)法測(cè)定青貯飼料有氧穩(wěn)定性建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)起到較好的輔助作用。

4 結(jié)論

本研究研發(fā)的青貯飼料有氧穩(wěn)定性測(cè)定裝置有較強(qiáng)的保溫性能與充分的供氧性能，可用于青貯飼料有氧穩(wěn)定性的測(cè)定，且對(duì)溫度檢測(cè)法統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的建立起到輔助作用。該裝置操作簡(jiǎn)單，成本低廉，測(cè)定結(jié)果穩(wěn)定，值得推廣。