布氏乳杆菌对青玉米秸青贮发酵品质和有氧稳定性的影响

吕文龙,刁其玉＊ ,闫贵龙,2

(1.中国农业科学院饲料研究所,北京 100081;2.河北北方学院动物科技学院,河北 张家口075131)

玉米(Zea mays)是主要的饲料作物和粮食作物,但是玉米秸秆由于自身的理化特性,作为饲料存在着许多问题。秸秆的茎秆粗硬,在消化道停留时间长,影响家畜的采食量和适口性;秸秆的粗纤维含量高达35%～50%,并且粗纤维中纤维素和木质素结合成为较坚固的结构,动物难以消化利用。为了更合理的利用这一饲料资源,将玉米秸秆切短后青贮,可以调制成一种多汁、耐贮藏、能够供家畜全年食用的粗饲料,该技术在我国玉米主产区尤其是在北方地区已经得到广泛推广应用[1-3]。

实际生产中,酵母菌和霉菌往往引起青贮饲料发霉、腐败变质,特别是高温、封口不及时和压实不够时。有氧腐败往往造成青贮饲料营养成分大量损失,如果给动物饲喂了发霉变质的青贮饲料,会降低动物生产性能,从而降低农场经济效益[4,5]。因此,努力提高玉米秸秆青贮饲料的品质就尤为重要。防止腐败变质是青贮饲料制作的一个重要方面,布氏乳杆菌能有效的保存大田青贮饲料和提高有氧稳定性[6]。

Muck[7]第1次研究表明,布氏乳杆菌可以提高青贮饲料的有氧稳定性,并且建议把布氏乳杆菌作为青贮添加剂使用。直到2001年,美国食品和药物管理局(Food and Drug Administration)才正式批准布氏乳杆菌作为青贮添加剂使用,之后对布氏乳杆菌展开了大量研究。Oude Elferink等[8]的研究表明,添加布氏乳杆菌后,1 mol乳酸被降解为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]总结发现,对照组玉米青贮饲料暴露在空气下25 h就发霉变质,布氏乳杆菌添加量≤105cfu/g鲜重的玉米青贮饲料暴露在空气下35 h发霉变质,而添加量>105cfu/g鲜重的玉米青贮饲料直到503 h才发霉变质。在牧草和小作物青贮饲料中,几乎没有检测到酵母菌的存在,3个处理组有氧稳定性分别为206,226和245 h。布氏乳杆菌虽然提高了这2类饲料的有氧稳定性,但是提高幅度存在很大差异。美国奶牛和牧草中心连续3年的试验研究表明,布氏乳杆菌可以提高玉米青贮饲料的有氧稳定性,与对照组相比提高了100～811 h,足以见布氏乳杆菌对青贮饲料有氧稳定性的影响之大[9]。

国内外关于布氏乳杆菌对全株玉米和苜蓿(Medicagosativa)等青贮饲料品质的影响已经进行了大量研究,并且结果表明,布氏乳杆菌能有效提高青贮饲料的有氧稳定性,但是关于布氏乳杆菌对不带穗青玉米秸青贮品质影响的研究非常少。因此,本试验的主要目的是探讨布氏乳杆菌对不带穗青玉米秸青贮发酵品质和有氧稳定性的影响,从而为我国不带穗青玉米秸青贮饲料生产提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

青贮原料:蜡熟后期收割的不带穗青玉米秸,种植地为北京大兴区西庄。

接种剂:布氏乳杆菌。

青贮容器:直径10cm,高30cm,壁厚0.4cm,容积为2 L的玻璃罐。

1.2 试验方法

本试验开始时间为2008年9月,青贮原料来源于同一块玉米地,设置4个处理组,分别在鲜样(鲜重)的基础上接种不同剂量的布氏乳杆菌:处理1(用CS表示)为对照组,不接种布氏乳杆菌;处理2(用CSL表示)接种量为3.05×104cfu/g鲜重;处理3(用CSS表示)接种量为3.05×105cfu/g鲜重;处理4(用CSH表示)接种量为3.05×106cfu/g鲜重。将不带穗青玉米秸粉碎至1～2cm,根据设计,把接种剂溶于一定量的去离子水,均匀喷洒在粉碎的原料上,对照组也加相同的去离子水,立即填装,封口,青贮罐25～30℃避光保存。

对青贮原料的营养成分、水溶性碳水化合物、缓冲度和pH值进行分析。在青贮第1,16,34,60天分别开罐取样进行分析,每个时间点每个处理组开3个青贮罐即3个重复,检测pH值、乳酸、挥发性脂肪酸(VFA)和氨态氮(NH3-N)。分析发酵60 d青贮料的营养成分、水溶性碳水化合物、干物质回收率、干物质消化率以及有氧稳定性。

1.3 测定方法

干物质(dry matter,DM)测定采用常规方法;粗蛋白(crude protein,CP)测定采用凯氏定氮法;中性洗涤纤维(neutral detergent fiber,NDF)和酸性洗涤纤维(acid detergent fiber,ADF)在范氏法(Van Soest)的基础上使用改进的滤袋分析法;水溶性碳水化合物(water soluable carbonhydrate,WSC)测定采用蒽酮比色法;缓冲度(buffer capacity,BC)测定采用滴定法[10];乳酸和VFA测定采用离子色谱法[11];氨态氮(NH3-N)测定采用苯酚-次氯酸钠比色法;pH值利用酸度计测定;干物质消化率(dry matter digestability,DMD)测定采用活体外两阶段法[12]。

干物质回收率(dry matter recovery,DM R)测定:青贮结束后,开封去除密封材料,打开实验瓶密封盖排气后称重并记录,DMR(%)=[(开封时回收青贮重×青贮DM%)/(装填时装入原料重×原料DM%)]×100。

有氧稳定性测定:青贮发酵进行到60 d时,每个处理组随机取5～6瓶保存完好的青贮饲料,弃去瓶口约10cm厚的部分,混匀后取样,取400 g置于15cm×20cm塑料封口袋中用牙签扎数个小孔,再套上一个宽松不封口的塑料袋,防止交叉污染和减少水分损失,置于阴凉处存放,用于测定pH、霉菌和酵母变化。另取800～1 000 g置于大的塑料封口袋中,直至塑料袋装满,用牙签扎数个小孔,再套上一个宽松不封口的塑料袋,防止交叉污染和减少水分损失,用50℃的普通温度计测定温度变化。样品都置于阴暗处,环境温度根据实际情况确定,温度变化每4 h记录1次,当青贮物料的温度超过环境温度2℃时为止。试验中的温度计、牙签等用具使用前均须紫外灭菌。

1.4 统计分析

用SAS统计软件进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 青贮原料的化学成分和缓冲能值

本试验青贮原料为玉米成熟收获后收割的玉米秸秆。青贮原料的化学成分含量见表1。青贮原料的缓冲能值为208.17 mE/kg DM,青贮原料的pH值为5.05。本试验中玉米秸秆水分和水溶性碳水化合物含量分别为68.62%和19.11%,符合青贮饲料制作的要求。

表1 青贮原料的化学成分含量Table 1 Chemical compositions of ensiling material

2.2 布氏乳杆菌对青贮发酵产物有机酸和氨态氮的影响

青贮饲料发酵的主要产物包括乳酸、乙酸和氨态氮。布氏乳杆菌对青贮发酵产物的影响见表2。可以看出,青贮发酵第1天,各处理组pH都迅速下降,CSS组和CSH组都下降到4.0左右,CS组和CSL组都下降到4.0以下,之后各处理组基本保持稳定状态,而且CSS组和CSH组pH值始终保持高于其他2组的趋势,其中CSH组最高。发酵刚开始时,青贮原料中WSC充分,原料缓冲度小,pH值迅速下降。随着发酵的深入,WSC逐渐减少,乳酸菌逐渐被低pH和生成的乳酸所抑制,因此,此时pH基本保持平稳状态。

发酵开始时,青贮样品中乳酸和乙酸含量非常少,第1天时,各处理组乳酸生成量都迅速增加,之后,CS组变化不大,CSL组在第16天达到最大值8.0左右后缓慢下降,CSS组和CSH组一直保持下降趋势,而且始终低于CS组,其中,CSH组显著低于CSS组(P<0.05)。整个发酵过程中,所有处理组乙酸含量都呈显著增加趋势,特别是CSS组和CSH组增加迅速,而且始终高于CS组。CSL组乙酸开始低于CS组,34 d后开始高于CS组。这是由于青贮饲料中生成的乳酸可以被布氏乳杆菌分解为乙酸,接种量越大,布氏乳杆菌分解乳酸生成的乙酸就越多。整个发酵过程中,CSH组和CSS组乳酸乙酸比例一直下降,而且始终低于CS组。而CS组和CSL组是先增加后下降,发酵后期CSL组乳酸乙酸比例下降的速度增快,直到第60天时才开始低于CS组。可以看出乳酸乙酸比例下降速度与布氏乳杆菌的接种量有着直接关系。发酵末期,4个处理组乳酸乙酸比例大小顺序为CS组(2.17)>CSL组(0.98)>CSS组(0.42)>CSH 组(0.30)。

整体来看,随着发酵的深入,所有处理组氨态氮含量呈增加的趋势,并且最终趋于稳定。发酵初期,氨态氮主要是蛋白质、氨基酸和其他一些含氮物质水解造成的,最终产氨菌逐渐被酸性环境所抑制。

表2 布氏乳杆菌对青贮发酵产物的影响Table 2 Effects of Lactobacillus buchneri on fermentation products

2.3 布氏乳杆菌对青贮饲料营养成分和干物质消化率的影响

发酵60 d后,布氏乳杆菌对不带穗青玉米秸青贮饲料营养成分和DMD的影响见表3。与CS组相比,其他3个处理组DM显著降低(P<0.05)。各处理组之间CP、EE、NDF和ADF都没有显著差异(P>0.05)。发酵结束时,CSL组和CSS组残留WSC含量显著高于CS组,而CSH显著低于CS组。CS组和CSL组DMR差异不显著(P>0.05),但是数值上略低于CS组,CSS组和CSH组都显著低于CS组(P<0.05),分别低0.81%和1.55%。与CS组相比,不带穗青玉米秸青贮饲料接种布氏乳杆菌后,CSL组、CSS组和CSH组干物质消化率都显著降低(P<0.05),分别下降了9.19%,9.11%和12.49%,它们之间差异不显著(P>0.05)。

2.4 布氏乳杆菌对青贮饲料有氧稳定性的影响

青贮饲料暴露于空气后,温度上升到高于环境温度2℃所需要的时间即为有氧稳定性。本试验中几种处理有氧稳定性分别为:CS组 92 h,CSL组124 h,CSS组340 h,CSH组最高,达到428 h。与CS组相比,CSL组只提高了32 h,CSS组提高了248 h,CSH组提高了336 h(图1)。

表3 布氏乳杆菌对青贮饲料营养成分和DMR的影响Table 3 Effects of Lactobacillusbuchneri on the compositions and DMR of silage DM%

图1 青贮饲料暴露于空气下的有氧稳定性Fig.1 Aerobic stability of silage exposed to air

3 讨论

通常情况下,微生物接种剂推荐的接种量是105cfu/g鲜重,但是也有研究发现这个量不足以改变青贮饲料发酵过程和提高有氧稳定性,如果能加大接种量则有显著效果[6]。本试验中CSL组布氏乳杆菌接种量为3.04×104cfu/g鲜重,对发酵过程和有氧稳定性的影响没有CSS组和CSH组大。

布氏乳杆菌属于异型发酵乳酸菌,能分解水溶性碳水化合物和乳酸产生挥发性脂肪酸、二氧化碳等,造成青贮饲料营养成分的损失。Kung等[13]给高水分玉米接种了不同剂量的布氏乳杆菌,结果发现,布氏乳杆菌对NDF、ADF、NH3-N都没有影响,与本试验结果基本一致。但是布氏乳杆菌降低了CP和WSC含量,对干物质回收率没有影响以及随着接种量的增大,有氧稳定性并没有提高,本试验结果与之不同,在他的试验中,接种量之间差距没有本试验中这么大以及青贮原料水分含量高,这样就可能导致干物质回收率和有氧稳定性之间差异不显著。Driehuis等[4]进行的3个试验中,后2个试验接种布氏乳杆菌都增加了氨态氮含量,Hu等[14]也得到了相似的结果,本试验中没有检测到这种效果。青贮饲料中氨态氮含量可以反映出蛋白质的降解程度,一般情况下,pH在3～7时,随着pH值的增大,蛋白质水解作用增强;此外,蛋白质水解作用还与青贮过程中pH的下降速度有关。

本试验中,布氏乳杆菌显著提高了青玉米秸青贮饲料的有氧稳定性,并且随着接种量的增加,有氧稳定性越来越大,这是由于青贮饲料中乙酸含量越来越多的原因造成的。而乙酸对真菌有着很好的抑制作用,可以提高多种青贮饲料的有氧稳定性。但是,Huisden等[15]分别给玉米按照推荐量和2倍推荐量接种布氏乳杆菌,他并没有发现玉米青贮饲料有氧稳定性随着布氏乳杆菌接种量的增加而增大,本试验结果与之不一致,原因可能是本试验中接种量的增加是10倍递增关系,增加幅度远远大于他的试验,因此,造成了结果上的不完全一致。以前对布氏乳杆菌在多种青贮饲料上的研究都表明,尽管布氏乳杆菌改善有氧稳定的程度存在差异,但是布氏乳杆菌能改善青贮饲料有氧稳定性,这一点还是非常一致的。

给青贮饲料接种布氏乳杆菌的主要问题是青贮饲料中产生的大量乙酸将对家畜生产性能产生什么样的影响。关于这方面的研究已经进行了很多,并没有研究表明饲喂接种布氏乳杆菌的青贮饲料,动物采食量和产奶量有所下降[16]。体外两阶段法前48 h模拟的是瘤胃消化过程,后面48 h模拟的是真胃和小肠的消化过程,能更好的评价饲料在动物体内的消化情况。本试验中,与对照组(CK)相比,接种了布氏乳杆菌的玉米秸秆青贮饲料DM消化率并没有提高,这与Weinberg等[17]对玉米和小麦(Triticum aestivum)青贮以及Filya等[18]对第1茬和第2茬苜蓿青贮的研究结果基本一致。体外两阶段法测定的干物质消化率与青贮原料的粗纤维之间存在负相关性[17]。本试验中,玉米秸秆中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量都非常高,因此,干物质消化率低属于正常情况。瘤胃是一个非常复杂的生态系统,在瘤胃里面,大量的微生物和很多因素都发挥着重要作用,还需要更多的研究来探讨青贮饲料接种剂对反刍动物的影响[16]。

4 结论

本试验条件下,接种布氏乳杆菌可以有效提高不带穗青玉米秸青贮的乙酸含量,降低乳酸含量和乳酸/乙酸,降低干物质回收率,显著提高有氧稳定性,延长了开瓶后青贮的保存时间。

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