纤维素酶处理荞麦秸秆对其纤维结构和滩羊肉品质的影响

吴爽，周玉香，贾柔，金亚东，杨万宗

（宁夏大学农学院，宁夏 银川750021）

纤维素酶是一类主要由细菌和真菌发酵产生的高活性微生态制剂［1］，能将结构复杂的纤维素水解成寡糖或单糖［2］。大量学者研究发现纤维素酶的添加能够有效破解植物细胞壁［3］，优化纤维饲料的营养结构［4］，提高动物生长性能［5］，增加经济效益［6］，但关于肉品质方面的研究较少。赵国琦等［7］研究报道，添加纤维素酶的玉米（Zea mays）青贮发酵饲料中的粗蛋白质含量显著提高，粗纤维含量显著降低。席兴军等［8］的试验结果发现，利用纤维素酶处理玉米秸秆后秸秆饲料中的酸性洗涤纤维含量下降20%。韩鲁佳等［9］研究报道，在制作玉米青贮饲料过程中添加纤维素酶进行发酵后，中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量分别下降5.28%和6.09%。高月平等［10］利用纤维分解酶处理玉米秸秆饲喂肉牛，结果表明肉牛生长性能显著增加，一定程度上改善了肉品质。

荞麦（Fagopyrum esculentum），属蓼科双子叶植物［11］，宁夏多种植于南部及中部的干旱区。由于研究报道中显示荞麦中含有的蛋白质、脂肪和维生素等营养成分普遍高于其他农作物，且从荞麦秸秆中提取的多酚和类固醇等活性物质具有很好的抗氧化和消炎等保健作用，因此，它的营养价值和药用价值都非常高［12］，但当其收获籽粒之后，剩下的荞麦秸秆只有少部分在冬季饲料短缺时用于家畜饲喂，大部分均被丢弃田间以填埋方式处理或直接将其用火焚烧，这样既造成了生物质自然资源的严重消耗和浪费，也污染了环境。因此，为高效合理利用荞麦秸秆资源，王萌［13］在精粗比为30∶70 的日粮条件下，将玉米青贮与化学处理、微生物处理和纤维素酶处理的荞麦秸秆以20∶80、40∶60、60∶40、80∶20 的比例进行饲粮组合效应筛选研究，结果得出纤维素酶处理荞麦秸秆与玉米青贮比例为40∶60 时，饲粮的组合效应指数最高。本试验中饲养试验参考王萌［13］的上述试验结果，将日粮精粗比设为30∶70，并将荞麦秸秆与玉米青贮以40∶60 组合作为粗饲料，研究荞麦秸秆经不同酶活的纤维素酶处理对其发酵前后纤维结构、营养成分、微生物数量以及滩羊肉品质的影响，以期为秸秆饲料资源的开发利用以及在滩羊生产实践中的科学应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

荞麦秸秆于荞麦籽实成熟收获后刈割，自然晒干后测定营养成分；纤维素酶Ⅰ（酶活≥10000 U·g−1），纤维素酶Ⅱ（酶活≥5000 U·g−1），粉末状，购买于宁夏夏盛实业集团有限公司，低温保存。

1.2 试验设计

1.2.1 酶处理试验 本试验共设计3 个组，每组3 个重复。对照组为未处理的荞麦秸秆，试验Ⅰ组为纤维素酶I 处理的荞麦秸秆，试验Ⅱ组为纤维素酶Ⅱ处理的荞麦秸秆。首先将荞麦秸秆粉碎至3～5 cm，然后将纤维素酶Ⅰ（秸秆量的0.1%）、纤维素酶Ⅱ（秸秆量的0.3%）、麦麸（秸秆量的1%）按比例溶于水中搅拌，均匀喷洒在荞麦秸秆上并将水分调至70%左右，最后将样品装入发酵罐（d=15 cm，h=30 cm）压实封口。在室温条件下贮存30 d后开封取样。

1.2.2 饲养试验 本试验于2019 年7−10 月在宁夏盐池县宁鑫生态有机牧场进行。选择体重相近、身体健康无病的3 月龄宁夏滩羊（公羊）24 只，按照随机设计分组的方法将其分为3 组，分别为对照组、试验组Ⅰ和试验组Ⅱ，每组8 只，分圈进行饲养。对照组饲喂基础日粮+未经处理的荞麦秸秆，试验Ⅰ组饲喂基础日粮+纤维素酶Ⅰ处理的荞麦秸秆，试验Ⅱ组饲喂基础日粮+纤维素酶Ⅱ处理的荞麦秸秆。饲养试验秸秆处理方法同酶处理试验，采用秸秆处理裹包机进行裹包处理，发酵30 d 后可进行饲喂。饲养试验结束后每组选择5 只体重接近的羊只禁食24 h，禁水2 h 后屠宰用于肉品质相关指标的测定。

1.3 日粮组成及营养水平

试验日粮参照农业行业标准（NY/T 816-2004）肉羊饲养标准［14］和滩羊生产实践进行配制，日粮组成及其营养水平见表1。日粮精粗比设为30∶70，其中粗料主要来源是由荞麦秸秆与玉米青贮按照40∶60 的比例进行配制所得。

1.4 饲养管理

试验准备阶段需要对圈舍进行严格的消毒清扫，并对试验滩羊进行驱虫、健胃及常规防疫，试验期间定期清扫圈舍，使饲养环境的卫生得以保证。整个饲养期为75 d，其中预饲期15 d，正饲期60 d，每日分早晚两次等量饲喂（6：30 和18：00），并提供充足干净的饮水，供羊只自由饮水。

1.5 测定指标与方法

1.5.1 荞麦秸秆细胞壁纤维结构的测定 采用扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）（S-3400N，日立公司生产）观察，具体测定方法参照梁建勇［15］的方法进行。

表1 日粮组成及营养水平Table 1 Composition and nutrient levels of diets（dry matter basis）

1.5.2 荞麦秸秆营养成分的测定 两种纤维素酶处理荞麦秸秆前后的营养成分参考张丽英［16］的《饲料分析及饲料质量检测技术（第3 版）》中的测定方法进行。分别计算干物质（dry matter，DM）、粗蛋白（crude protein，CP）、粗脂肪（ether extract，EE）、中性洗涤纤维（neutral detergent fiber，NDF）、酸性洗涤纤维（acid detergent fiber，ADF）、钙（Ca）、磷（P）含量。

1.5.3 荞麦秸秆微生物数量的测定 荞麦秸秆酶处理前后的乳酸菌、酵母菌和霉菌数量参照杨云贵等［17］报道的方法进行。

1.5.4 羊肉理化指标的测定 羊肉pH45min、pH24h、失水率、滴水损失、熟肉率、剪切力和大理石花纹评分的测定参考张艳梅［18］的方法进行。肉色和脂肪颜色中红度值（a*）、黄度值（b*）和亮度值（L*）用色差仪（Hunter Lab，上海）测定。

1.5.5 羊肉常规营养成分的测定 羊肉常规营养成分的测定参照AOAC（1990）［19］中的方法。其中，水分含量采用烘箱恒温干燥法，粗蛋白质（CP）含量采用半微量凯氏定氮法测定（K9840 型半自动凯氏定氮仪，济南海能仪器有限公司），粗脂肪（EE）采用索氏抽提法测定［16］。

1.6 数据统计与处理

试验数据记录在Excel 2010 表格中并作简单计算后，采用SAS 8.2 软件对计算后的试验数据进行方差分析，然后利用LSD 法进行多重比较，结果用平均值±标准差表示，并以P＜0.05 作为差异显著性判断标准。

2 结果与分析

2.1 纤维素酶处理荞麦秸秆对其细胞壁纤维结构的影响

未经纤维素酶处理的荞麦秸秆表面平整，纤维结构完整，无破损现象（图1）。两种纤维素酶均对荞麦秸秆细胞壁纤维结构具有破坏作用，呈现多孔状现象。纤维素酶Ⅰ处理组的荞麦秸秆细胞壁单位面积内的破坏程度大于纤维素酶Ⅱ处理组（图2～3）。

图1 未处理荞麦秸秆扫描电镜图对照组Fig.1 SEM of untreated buckwheat straw control group

2.2 荞麦秸秆酶化处理前后营养成分变化

荞麦秸秆酶化处理前后营养成分变化见表2。对照组与试验Ⅰ组、试验Ⅱ组的干物质（DM）、中性洗涤纤维（NDF）和酸性洗涤纤维（ADF）的含量差异均显著（P＜0.05）。试验Ⅰ组和试验Ⅱ组的NDF 较对照组分别降低了19.75%和17.81%，ADF 较对照组分别降低了18.71%和13.78%。各组之间粗蛋白质、粗脂肪、钙和磷的含量差异不显著（P＞0.05）。

2.3 荞麦秸秆酶化处理前后微生物数量变化

图2 纤维素酶Ⅰ处理荞麦秸秆扫描电镜图试验I 组Fig.2 SEM of cellulase Ⅰtreated buckwheat straw trial group I

图3 纤维素酶Ⅱ处理荞麦秸秆扫描电镜图试验Ⅱ组Fig.3 SEM of cellulase Ⅱtreated buckwheat straw trial group Ⅱ

表2 纤维素酶处理荞麦秸秆对营养成分的影响Table 2 Effect of buckwheat straw treated with cellulase on nutrient contents（DM basis，%）

荞麦秸秆经纤维素酶处理后乳酸菌含量显著增加（P＜0.05），但3 组间荞麦秸秆的酵母菌含量均无显著性差异（P＞0.05）。通过2 种酶活纤维素酶处理的荞麦秸秆中霉菌含量显著降低（P＜0.05），其中，试验组间差异不显著（P＞0.05），试验Ⅰ组霉菌含量最低（表3）。

2.4 纤维素酶处理荞麦秸秆对滩羊羊肉理化性质的影响

纤维素酶处理荞麦秸秆对试验滩羊的羊肉pH 值、失水率、滴水损失、大理石花纹、肉色及脂肪颜色均无显著影响（P＞0.05），但纤维素酶处理组的滩羊肉失水率均低于对照组（表4）。纤维素酶Ⅱ处理组的肌肉熟肉率显著高于未处理组和纤维素酶Ⅰ处理组（P＜0.05）。纤维素酶Ⅰ处理组和纤维素酶Ⅱ处理组的羊肉剪切力较未处理组显著降低9.31%和11.84%（P＜0.05）。

表3 纤维素酶处理荞麦秸秆对微生物数量的影响Table 3 Effect of buckwheat straw treated with cellulase on microorganism quantities

表4 纤维素酶处理荞麦秸秆对滩羊羊肉理化性质的影响Table 4 Effect of buckwheat straw treated with cellulase on mutton physicochemical properties of Tan sheep

2.5 纤维素酶处理荞麦秸秆对滩羊羊肉营养成分的影响

纤维素酶处理荞麦秸秆对滩羊羊肉营养成分的影响见表5。羊肉水分含量为76.37%～77.60%，各组间差异不显著（P＞0.05）。纤维素酶处理组羊肉的粗蛋白质含量较未处理组显著提高（P＜0.05），且脂肪含量也高于未处理组，但差异不显著（P＞0.05）。

表5 纤维素酶处理荞麦秸秆对滩羊羊肉营养成分的影响Table 5 Effect of buckwheat straw treated with cellulase on mutton nutritient contents of Tan sheep（%）

3 讨论

3.1 纤维素酶处理荞麦秸秆对其细胞壁纤维结构的影响

作物秸秆的细胞壁主要是由纤维素、半纤维素和木质素通过化学键紧密连接，形成了一个高聚合度、高结晶度且难以降解的多维网状结构［20］。同时，也是影响动物对秸秆资源高效利用的最主要因素。因此，需要将这种由不同结构的碳水化合物组成的复杂结构降解为能被动物消化吸收的小分子物质［21］。本试验通过扫描电镜观察了纤维素酶制剂处理荞麦秸秆前后的纤维结构，扫描电镜图显示，未经处理的荞麦秸秆细胞壁纤维结构完整，无破损现象。而经纤维素酶处理的荞麦秸秆细胞壁纤维结构受到显著破坏，呈现不同大小的孔状结构。这与鑫鹏等［22］和Adetunji 等［23］的试验结果一致。陶莲等［24］的试验结果也表明酶制剂能够对秸秆起到破坏作用。

3.2 纤维素酶处理荞麦秸秆对营养成分的影响

日粮中的蛋白质为动物的生长发育提供了物质基础，而秸秆类粗饲料中所含的纤维类物质限制了动物对秸秆的高效利用。因此，提高蛋白质含量，降低纤维类物质含量是提高粗饲料饲用价值的关键［25］。许多研究报道，通过微贮酶解技术处理秸秆可以提高农作物秸秆的粗蛋白质（CP）含量，而且能够显著降低纤维类物质的含量［26−29］（P＜0.05）。本试验研究表明，纤维素酶处理能够增加秸秆CP 含量（P＞0.05），同时，显著降低纤维含量（P＜0.05）。这与Sun 等［30］和彭锦芬等［31］的试验结果相似。曾辉等［32］研究了不同酶制剂组合对玉米秸秆饲料营养价值的影响，结果发现蛋白质含量较对照组有所增加，但差异不显著（P＞0.05），本试验结果与此相同。蛋白含量的增加主要由于在微贮发酵过程中，纤维素酶在降解纤维素的同时，微生物作用形成了部分菌体蛋白，而且饲用酶制剂自身就是一种蛋白质，也会造成CP 含量的增加。本试验中试验组钙含量较对照组均有所增加，但差异不显著（P＞0.05），这与郭玉琴等［33］的试验结果相一致。磷含量的变化与高昌鹏等［34］的研究结果相似。

3.3 纤维素酶处理荞麦秸秆对微生物数量的影响

微生物含量是测定秸秆经纤维素酶处理后品质变化的重要指标，纤维素酶处理荞麦秸秆在密封厌氧贮存过程中可以产生大量乳酸，有害微生物及霉菌的生长与繁殖被有效抑制［35］，进而增加秸秆饲料适口性，提高秸秆饲料品质。本试验中荞麦秸秆通过不同酶活的纤维素酶处理后，纤维素酶处理组与对照组相比，酵母菌和霉菌数量均降低，但差异不显著（P＞0.05），乳酸菌含量显著增加（P＜0.05），这与Stokes 等［35］和侯美玲等［36］的试验结果类似。说明荞麦秸秆在酶处理过程中利于乳酸菌的增长，同时抑制了有害菌的繁殖，这可能与酶制剂能够降解植物细胞壁有关［37］。以上结果证明酶制剂处理秸秆有利于提高秸秆饲料品质，同时也是畜牧业生产中提高秸秆利用率的有效方法。

3.4 纤维素酶处理荞麦秸秆对滩羊羊肉理化指标的影响

肌肉品质一般受多种因素影响，如体重、年龄、性别、品种、日粮营养水平、饲养模式及部位等［38］。肌肉pH 值是肉品质的一个重要决定因素，因为它的大小会影响肉的颜色、剪切力和失水率［39−40］。动物宰杀后，肌肉pH 值随糖酵解过程由7.35～7.45 迅速下降后又缓慢上升，最后稳定于6.0 左右［41］。本试验pH24h值在5.80～5.88，属肉质最佳pH 值范围［42］。本试验结果还表明，纤维素酶的添加对动物屠宰后45 min 和24 h 的滩羊羊肉pH 值没有显著影响（P＞0.05），这说明纤维素酶没有影响屠宰后肌肉的糖酵解速率和乳酸的积累。这与王斌星等［43］的试验结果一致。肉质的颜色是影响消费者购买肉类的一个基本因素，因为它被认为是肉质视觉上的成熟度，受多种因素的影响，且当a*值＞9.5，L*值＞34 时，肉色是被消费者接受的颜色［44］。本试验肉色a*值均＞9.5，L*值均＞34，说明纤维素酶处理秸秆对羊肉肉色无不良影响，且各组之间肉色差异不显著（P＞0.05）。肌肉的保水性能可以通过失水率来反映。本试验结果显示，纤维素酶处理组的滩羊肉失水率均低于对照组，且试验Ⅰ组最低，为42.34%。同时，有研究报道，滴水损失与肌肉失水率呈高度正相关［45］，试验Ⅰ组滴水损失最低，对应上述的试验Ⅰ组失水率最低，同上述报道相一致。肌肉熟肉率和剪切力的高低与日粮组成如可消化碳水化合物、镁、维生素E 和维生素D3以及样本大小、蒸煮温度、冷却温度、速度和屠宰体重等因素密切相关［46］，且熟肉率越高代表蒸煮损失越小，肉品质越高。本试验结果中对照组与试验Ⅰ组和试验Ⅱ组的熟肉率和剪切力差异显著（P＜0.05）。这可能是由于秸秆经纤维素酶处理后显著增加了秸秆饲料中的可消化碳水化合物（P＜0.05），从而使对照组与试验组的瘦肉率和剪切力呈差异显著性。也可能是在纤维素酶的添加下，动物机体内能够降解肌原纤维等相关酶的活性增加，从而提高了肌肉熟化程度以及肌肉嫩度，进而提升羊肉口感［47］。另外，有研究报道，肌肉熟肉率随着羊只屠宰体重的增加而增加［48］，本试验中试验组羊只屠宰体重高于对照组，从而致使试验组的熟肉率显著增加（P＜0.05）。本试验结果显示，肌肉熟肉率为45.31%～50.09%，低于侯鹏霞［49］试验中不同体重阶段滩羊羊肉的熟肉率，这可能与日粮组成及营养水平不同有关。本试验中试验组肌肉剪切力为42.61～43.83 N，这与王萌［13］以纤维素酶处理的荞麦秸秆作为粗饲料饲喂滩羊计算所得的羊肉剪切力相近，说明纤维素处理秸秆作为粗饲料能够降低肉的剪切力，增加肉的口感。

3.5 纤维素酶处理荞麦秸秆对滩羊羊肉营养成分的影响

肌肉的常规营养成分能够直接反映肉品质，其主要包括水分、蛋白质和脂肪等。本试验中羊肉水分含量位于76.37%～77.60%。有研究报道，滩羊羊肉的水分含量为77%左右［50］，本试验结果与此相符。肌肉中一定量的脂肪含量能够满足人们对肉质口感的要求，因此，脂肪含量越高对应剪切力越小［51］。本试验各组脂肪含量显示为试验Ⅱ组＞试验Ⅰ组＞对照组，与上述各组剪切力大小相对应。由于秸秆饲料经纤维素酶处理后，细胞壁结构被破坏，减少了细胞壁中含有的抗营养物质，同时细胞壁内的营养成分被释放，从而增加家畜对秸秆饲料养分的消化吸收，促进动物机体的代谢增长。张贵花等［52］试验结果表明，酶制剂处理组的营养物质表观消化率显著高于对照组。说明酶制剂的添加有利于动物生长，并在一定程度上增加了肌肉的脂肪沉积，提升肌肉口感。同时，有研究证明，饲粮蛋白质水平有利于肌肉内蛋白质和脂肪含量的提高［53］，且酸性洗涤纤维含量的高低可能会影响动物机体对蛋白质的吸收情况［54］，但其具体机理还不明确，待日后需要进一步深入研究。纤维素酶处理后的荞麦秸秆蛋白含量增加，酸性洗涤纤维显著下降（P＜0.05），从而增加了动物机体对蛋白质的吸收，使得纤维素酶组肌肉的蛋白质含量显著高于未处理组（P＜0.05）。

4 结论

荞麦秸秆经纤维素酶处理后能够显著破坏其细胞壁纤维结构，改善秸秆营养成分，并在一定程度上提高秸秆饲料品质和滩羊肉品质。在本试验日粮条件下，纤维素酶Ⅰ（酶活≥10000 U·g−1）效果较优，可以在生产中推广使用。