體外產(chǎn)氣法評(píng)價(jià)不同青貯添加劑處理下汽爆玉米秸稈品質(zhì)

高雪梅，焦婷，雷趙民，趙生國，李雄雄，秦偉娜

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

秸稈是我國重要的粗飼料資源，2017年，我國農(nóng)作物秸稈可收集資源量為8.27億t，其中，玉米、水稻、小麥三大糧食作物秸稈資源量分別為37.2、19.1、14.7億t，合計(jì)占全國秸稈資源總量的84.8%[1]。玉米秸稈在我國秸稈資源中占很大比例，但由于利用加工技術(shù)有限，自身營養(yǎng)價(jià)值低，常被丟棄或焚燒，造成資源浪費(fèi)，帶來環(huán)境污染等問題。

近年來，隨著牛羊養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)民對(duì)粗飼料的需求不斷增加，粗飼料不足問題日益顯現(xiàn)，導(dǎo)致飼草原料價(jià)格攀升，養(yǎng)殖成本增加，養(yǎng)殖效益縮減[2]。因此，加大飼草料資源挖掘與開發(fā)，改善秸稈利用加工手段，對(duì)緩解飼草資源短缺、提高養(yǎng)殖效益、避免資源浪費(fèi)具有重要意義。農(nóng)作物秸稈具有纖維木質(zhì)化程度高、粗蛋白(CP)含量低、養(yǎng)分消化率低、適口性較差等特點(diǎn)，直接用于家畜飼喂效果較差[3]。通過適當(dāng)處理可提高秸稈降解率，增加其20%的能量利用率，對(duì)于緩解優(yōu)質(zhì)粗飼料緊缺的現(xiàn)狀具有重要意義[4-5]。蒸汽爆破技術(shù)是一種物理與化學(xué)相結(jié)合的加工技術(shù)，能夠破壞秸稈纖維結(jié)構(gòu)，顯著降低半纖維素含量，使粗蛋白、可溶性糖等營養(yǎng)成分含量升高[6]。適當(dāng)條件下汽爆處理能提高秸稈營養(yǎng)價(jià)值，改善適口性，提高消化率[7]，汽爆后發(fā)酵處理可以保持秸稈營養(yǎng)品質(zhì)，增加利用率[8]。

因此，通過汽爆處理提高玉米秸稈營養(yǎng)品質(zhì)，再進(jìn)行厭氧發(fā)酵，既可以解決玉米秸稈品質(zhì)低、適口性差、難以貯存等問題，又可以使玉米秸稈高效利用。本試驗(yàn)研究了不同青貯添加劑厭氧發(fā)酵對(duì)汽爆玉米秸稈纖維結(jié)構(gòu)的影響，利用體外產(chǎn)氣法測(cè)定了其體外產(chǎn)氣量、降解率以及發(fā)酵特性，旨在篩選低質(zhì)粗飼料的適宜處理方法，提高玉米秸稈的利用價(jià)值。

1 材料和方法

1.1 材料

試驗(yàn)所用汽爆原料為上一年堆垛玉米秸稈，汽爆前將水分調(diào)為65%～70%，在汽爆腔壓力1.0 MPa、維壓10 min下汽爆的玉米秸稈。

青貯添加劑宜生貯寶Sila-Max(MAX)由美國瑞科動(dòng)物營養(yǎng)公司提供，含純化纖維素酶、淀粉、丙酸桿菌、淀粉酶，乳酸菌≥2×1010cfu/g，添加量為0.002 5 kg/t；青貯添加劑Sila-Mix(MIX)由美國瑞科動(dòng)物營養(yǎng)公司提供，黑曲霉、硅酸鈣，總鈣含量25%～29.5%，乳酸菌≥1.8×106cfu/g，添加量為1.000 kg/t；活性纖維菌在平?jīng)鲮`臺(tái)康莊牧業(yè)公司自購，含乳酸菌、纖維素分解菌、纖維素酶、淀粉，添加量為0.500 0 kg/t；發(fā)酵桶為20 L圓形旋蓋白色塑料桶。試驗(yàn)在甘肅靈臺(tái)康莊牧業(yè)有限公司牛場(chǎng)進(jìn)行。

1.2 樣品制備與指標(biāo)測(cè)定

1.2.1 樣品制備 分別將3種添加劑(按添加量說明)與汽爆玉米秸稈混合，混勻后裝桶壓實(shí)密封，以不添加任何添加劑作為對(duì)照(CK)。每個(gè)處理裝3桶，即3次重復(fù)，密度600～650 kg/m3，置于室內(nèi)發(fā)酵。發(fā)酵60 d 后，開桶取樣，去掉上部3～4 cm的樣品，然后將桶內(nèi)樣品混勻后進(jìn)行取樣，用真空包裝袋保存并帶回實(shí)驗(yàn)室，在105 ℃烘箱內(nèi)烘干、粉碎備用。

1.2.2 營養(yǎng)指標(biāo)測(cè)定 采用張英麗[9]的方法測(cè)定粗蛋白、中洗洗滌纖維(NDF)、酸性洗滌纖維(ADF)、酸性洗滌木質(zhì)素(ADL)以及粗灰分(Ash)的含量。

1.3 體外產(chǎn)氣試驗(yàn)

1.3.1 選擇動(dòng)物 選擇3只體重(45±5)kg、安裝永久性瘤胃瘺管的1歲健康公羊(小尾寒羊♂×本地北山羊♀的雜交2代)，基礎(chǔ)日糧組成及營養(yǎng)水平見表1，分別于每天8∶00、17∶00準(zhǔn)時(shí)飼喂，自由采食，提供充足飲水。

表1 試驗(yàn)飼糧組成及營養(yǎng)水平(風(fēng)干基礎(chǔ))

1.3.2 瘤胃發(fā)酵培養(yǎng)液制備 晨飼后2 h采集3只羊瘤胃液，用4層紗布過濾并混合均勻，立刻放入通有二氧化碳(CO2)的保溫瓶(39 ℃熱水預(yù)熱)中迅速帶回實(shí)驗(yàn)室。人工瘤胃液由A液、B液、C液、刃天青溶液和還原劑溶液組成，參考Menke等[10]方法制備。瘤胃發(fā)酵培養(yǎng)液以人工瘤胃液與瘤胃液按2:1的比例混合制得。

1.3.3 體外產(chǎn)氣量的測(cè)定 準(zhǔn)確稱取秸稈1.000 g放置于尼龍袋中，封口，置于250 mL產(chǎn)氣罐中，在39 ℃下預(yù)熱30 min，再加入150 mL瘤胃培養(yǎng)液，持續(xù)通入CO2約30 s，再將產(chǎn)氣瓶放置于39 ℃的恒溫振蕩水浴搖床中。每個(gè)發(fā)酵底物做 3 次重復(fù)。采用ANKOM RFS體外產(chǎn)氣系統(tǒng)(美國 ANKOM technology corporation)自動(dòng)檢測(cè)消化反應(yīng)產(chǎn)生的氣體，通過無線傳輸，在計(jì)算機(jī)的電子表格中自動(dòng)記錄氣壓變化，用“理想氣體方程”在標(biāo)準(zhǔn)狀況“S.T.P”下轉(zhuǎn)換成氣體體積(mL)。

計(jì)算公式為：Vx=Vj×Ppsi×0.068 004 084

式中：Vx為 39 ℃ 產(chǎn)氣量(mL)；Vj為產(chǎn)氣罐頂部空間體積(mL)；Ppsi為系統(tǒng)自動(dòng)記錄的壓力(kPa)。

1.3.4 體外發(fā)酵指標(biāo)測(cè)定 待48 h體外發(fā)酵完成，迅速將產(chǎn)氣罐置于冷水中終止發(fā)酵，取出尼龍袋，用蒸餾水沖干凈后，放置于105 ℃烘箱中，烘干、恒重，用于測(cè)定干物質(zhì)消化率(DMD)、中性洗滌纖維消化率(NDFD)、酸性洗滌纖維消化率(ADFD)；

消化率計(jì)算公式為：A=100×(B-C)/B

式中：A為待測(cè)秸稈消化率(%)；B為樣品中待測(cè)秸稈中某成分含量(%)，C為殘?jiān)写郎y(cè)秸稈該成分含量(%)。

將發(fā)酵液收集，用pH S-3C酸度計(jì)測(cè)定發(fā)酵液pH；NH3-N濃度用比色法測(cè)定[12]；揮發(fā)性脂肪酸(VFA)用氣相色譜法測(cè)定[13]，氣相色譜儀型號(hào)為島津GC-2010；微生物蛋白(MCP)用嘌呤法測(cè)定[13]。

1.4 掃描電鏡分析

挑選出不同處理下的新鮮秸稈組織，采用掃描電鏡(S-3400N)觀察不同處理下組織的變化[14]。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 2016計(jì)算試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，采用SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因子方差分析，結(jié)果以平均值±平均標(biāo)準(zhǔn)誤表示，進(jìn)行Duncan 多重比較，以P<0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同添加劑處理前后汽爆玉米秸稈的營養(yǎng)成分變化

汽爆玉米秸稈CP、ADL含量在發(fā)酵前后無顯著差異(P>0.05)；發(fā)酵處理后汽爆玉米秸稈NDF、ADF含量顯著降低(P<0.05)；灰分含量MIX組最高，與CK、MAX、活性菌組無顯著差異(P>0.05)，但CK、MIX組顯著高于汽爆未發(fā)酵秸稈(P<0.05)(表2)。

表2 不同添加劑發(fā)酵處理前后汽爆玉米秸稈的營養(yǎng)成分

2.2 不同添加劑處理后玉米秸稈體外產(chǎn)氣量變化

不同添加劑處理后，汽爆玉米秸稈產(chǎn)氣量隨著時(shí)間的增加而升高，在前12 h內(nèi)產(chǎn)氣速率較高；12 h后，隨著時(shí)間的增加，MAX組、MIX組和活性菌組產(chǎn)氣量仍在持續(xù)上升，而CK組產(chǎn)氣量明顯下降，曲線趨于平緩；48 h時(shí)，累計(jì)產(chǎn)氣量由大到小為活性菌組>MAX組>MIX組>CK組(圖1)。

圖1 不同添加劑處理下汽爆玉米秸稈體外產(chǎn)氣量

2.3 不同添加劑處理對(duì)汽爆玉米秸稈體外消化率的影響

與CK組相比，不同添加劑發(fā)酵處理后，汽爆玉米秸稈DMD、NDFD、ADFD均無顯著差異(P>0.05)(表3)。

表3 不同添加劑處理下汽爆玉米秸稈體外消化率

2.4 不同添加劑處理對(duì)汽爆玉米秸稈體外發(fā)酵揮發(fā)性脂肪酸的影響

MAX組、MIX組乙酸含量差異不顯著(P>0.05)，二者顯著高于CK組、活性菌組(P<0.05)；MAX組丙酸、總揮發(fā)性脂肪酸含量顯著高于其他處理組(P<0.05)；異丁酸、丁酸、異戊酸、戊酸含量在MAX組、MIX組和CK組間無顯著差異(P>0.05)；活性菌組各揮發(fā)性脂肪酸含量最低，除丁酸外，其余指標(biāo)與CK組無顯著差異(P>0.05)(表4)。

表4 不同添加劑對(duì)汽爆玉米秸稈體外發(fā)酵揮發(fā)性脂肪酸含量

2.5 不同添加劑處理對(duì)汽爆玉米秸稈體外發(fā)酵NH3-N、pH、MCP的影響

不同添加劑處理下pH、NH3-N濃度無顯著差異，MAX、MIX組MCP含量顯著高于CK組、活性菌組(P<0.05)(表5)。

表5 不同添加劑處理下汽爆玉米秸稈體外發(fā)酵 NH3-N、pH值、MCP含量

2.6 不同添加劑處理對(duì)汽爆玉米秸稈纖維結(jié)構(gòu)的影響

由不同處理下汽爆玉米秸稈在掃描電鏡下的超微結(jié)構(gòu)可以看出，CK組(圖2-A)秸稈皮外層結(jié)構(gòu)完整，表皮毛排布整齊；活性菌組(圖2-B)表面粗糙、膨松，表皮毛部分脫落，出現(xiàn)孔洞、裂痕，有大量附著物；MAX組(圖2-C)秸稈皮外層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，表皮毛部分脫落，表面粗糙，出現(xiàn)孔洞和大量附著物；MIX組(圖2-D)秸稈皮外層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂痕、孔洞，表面粗糙，表皮毛脫落，有大量附著物。

圖2 不同添加劑處理下汽爆玉米秸稈纖維結(jié)構(gòu)變化

3 討論

3.1 不同添加劑對(duì)汽爆玉米秸稈營養(yǎng)品質(zhì)的影響

添加劑能夠改善秸稈營養(yǎng)品質(zhì)，其作用效果與添加劑類別、作用原料等有很大的關(guān)系。大量研究證實(shí)，添加乳酸菌對(duì)于青貯飼料營養(yǎng)成分的影響有限[15-16]。本試驗(yàn)得出相似結(jié)論，不同添加劑處理下的汽爆玉米秸稈CP、NDF、ADF、ADL和Ash的含量與CK無顯著差異，這是由于添加劑均為乳酸菌添加劑，汽爆玉米秸稈自身營養(yǎng)價(jià)值低所致。

3.2 不同添加劑對(duì)汽爆玉米秸稈產(chǎn)氣量的影響

體外產(chǎn)氣量可以在某種程度上反映飼料在反芻動(dòng)物瘤胃中的降解特性[17]。通常，飼料中可發(fā)酵有機(jī)物含量越高，體外產(chǎn)氣量越大。本試驗(yàn)中，MAX組、MIX組及活性菌組48 h累積產(chǎn)氣量高于CK組，說明MAX、MIX以及活性菌處理能夠增加秸稈可發(fā)酵有機(jī)物，提高產(chǎn)氣量。

3.3 不同添加劑對(duì)汽爆玉米秸稈消化率的影響

粗飼料的干物質(zhì)消化率可反映其在動(dòng)物體內(nèi)消化的難易程度，是影響干物質(zhì)采食量的重要因素[18]。瘤胃中NDF和ADF降解率的大小，反映了飼料被降解的難易程度，提高飼料NDFD和ADFD可增加干物質(zhì)采食量和生產(chǎn)性能[19-20]。秸稈消化率與NDF、ADF含量具有相關(guān)性[21]。本試驗(yàn)中不同添加劑處理后的汽爆玉米秸稈纖維含量與CK組無明顯差異，這與孫文君等[22]在稻草上的研究結(jié)果相似，是由乳酸菌制劑對(duì)不同發(fā)酵原料的作用效果不同導(dǎo)致[23]，從體外DMD、NDFD、ADFD來看，不同處理亦無顯著差異，此結(jié)果與秸稈營養(yǎng)狀況相一致。

3.4 不同添加劑處理對(duì)汽爆玉米秸稈發(fā)酵特性的影響

反芻動(dòng)物瘤胃環(huán)境隨飼料的組成及自身?xiàng)l件的變化而變化，瘤胃內(nèi)pH、NH3-N濃度、VFA含量等，可以反映瘤胃內(nèi)部的環(huán)境狀況及飼料在瘤胃內(nèi)的發(fā)酵程度和模式[24]。

VFA是反芻動(dòng)物瘤胃微生物維持和生長的主要能量來源，通過日糧中碳水化合物的降解產(chǎn)生[25]。反芻動(dòng)物瘤胃中VFA包括乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸，其中丙酸是反芻動(dòng)物體內(nèi)內(nèi)源葡萄糖合成的前體物質(zhì)，乙酸是反芻動(dòng)物代謝所需能量的主要來源，發(fā)酵液中的丙酸含量增加、乙酸/丙酸的降低均有利于葡萄糖的合成和能量的利用[26]。本試驗(yàn)中，MAX組乙酸、丙酸、丁酸含量最高，且總揮發(fā)性脂肪酸含量顯著高于其他處理組，說明MAX組秸稈碳水化合物發(fā)酵較為完全，消化代謝速率相對(duì)較高。這是由于MAX中含有純化纖維素酶和乳酸菌，在厭氧發(fā)酵過程中對(duì)纖維進(jìn)行了分解，使秸稈結(jié)構(gòu)疏松多孔，增加了瘤胃微生物可利用底物和可附著比表面積。

適宜的pH環(huán)境是瘤胃微生物正常生長的必要條件，S.Calsamiglia等[27]研究發(fā)現(xiàn)，瘤胃pH值為5.5～7.5，可保證瘤胃微生物的生長。本試驗(yàn)各處理pH值在6.44～6.47，給瘤胃微生物的生長繁殖提供了良好的環(huán)境。

NH3-N含量是衡量瘤胃氮代謝的重要指標(biāo)，能間接反映瘤胃微生物利用NH3-N合成微生物蛋白和微生物分解飼料中蛋白質(zhì)生成NH3-N的平衡情況[28]。瘤胃液中NH3-N濃度過高或過低都不利于瘤胃微生物的生長繁殖，進(jìn)而影響家畜對(duì)營養(yǎng)的吸收利用。因此，適宜的NH3-N濃度是保證瘤胃微生物正常生長活動(dòng)的關(guān)鍵，生長所需最佳的NH3-N濃度在5～30 mg/100 mL[29]。本試驗(yàn)中，不同添加劑處理下，瘤胃液NH3-N濃度均在適宜微生物生長的范圍內(nèi)，MIX組、MAX組濃度顯著高于CK組，說明MIX組、MAX組秸稈中可以利用蛋白含量較高。

瘤胃中主要蛋白供給是微生物蛋白。微生物蛋白濃度可反映瘤胃微生物利用NH3-N的能力，也側(cè)面反映微生物的種群大小[30]。本試驗(yàn)中，MAX組、MIX組MCP含量顯著高于CK組、活性菌組，說明MAX、MIX添加劑處理下秸稈瘤胃微生物菌群較大。MCP的合成效率主要受日糧中蛋白的組成及水平、碳水化合物的含量和種類、碳水化合物和蛋白質(zhì)降解的同步性等多重因素的影響[31]，可以推斷MAX組、MIX組秸稈與瘤胃微生物反應(yīng)更充分，更利用反芻動(dòng)物吸收。

3.5 不同添加劑處理對(duì)汽爆玉米秸稈纖維結(jié)構(gòu)的影響

掃描電鏡(SEM)是表征樣品表面的有力工具，表面粗糙度反映不同處理對(duì)木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)的破壞程度[32]。本試驗(yàn)中，與CK組對(duì)比發(fā)現(xiàn)，添加劑發(fā)酵處理后的秸稈結(jié)構(gòu)明顯出現(xiàn)孔洞、組織脫落破損，并增加大量附著物，這與焦有宙等[33]研究結(jié)果相似，這是由于這幾種添加劑中不僅含有乳酸菌，還含有能夠促使纖維降解的物質(zhì)：MAX中含有纖維素酶，它能使植物細(xì)胞壁分解產(chǎn)生糖，增加乳酸發(fā)酵底物；活性菌中含有纖維素分解菌，能產(chǎn)生纖維素酶對(duì)植物細(xì)胞壁進(jìn)行破壞[34-35]。

4 結(jié)論

通過體外產(chǎn)氣法研究發(fā)現(xiàn)，不同青貯添加劑處理能夠改善汽爆玉米秸稈產(chǎn)氣量與瘤胃發(fā)酵特性，其中，MAX組表現(xiàn)較好；通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn)，不同添加劑對(duì)秸稈結(jié)構(gòu)的破壞利用程度不同，但破壞程度均明顯大于CK組。綜上，MAX組各方面表現(xiàn)最佳，適宜推廣利用。