不同预处理方式对油菜秸秆微贮饲料品质的影响

伍玉鹏， 刘恒恒， 胡荣桂， 徐志宇， 王 砚*

（1.华中农业大学资源与环境学院，湖北武汉 430070；2.中华人民共和国农业农村部农业生态与资源保护总站，北京 100125）

油菜是我国最主要的油料作物之一，其种植面积达700万hm2以上，2019年油菜籽总产量达1322万t（殷艳等，2021）。若按照谷草比2.7：1计算，我国油菜秸秆产量约为3569万t。然而，只有油菜籽得到了充分的利用，大量剩余的油菜秸秆均被作为农业废弃物丢弃，造成了资源的极大浪费（Liu等，2020）。

饲料化是实现秸秆资源利用的重要方式之一，也是解决我国畜牧业粗饲料来源的主要途径（楚天舒等，2016）。油菜秸秆粗蛋白质和粗脂肪含量相比小麦、玉米和大豆等作物秸秆更高，且含有多种微量元素，是一种潜力巨大的优质粗饲料来源（王亦闻等，2020）。但油菜秸秆自身的物理、化学特性却极大限制了其饲料化应用。一方面，油菜秸秆木质纤维素含量要明显高于水稻秸秆和小麦秸秆（赵蒙蒙等，2011）。另一方面，油菜秸秆表皮、皮层中的纤维素、半纤维素、木质素以多种化学键连接形成稳定和复杂的结构，形成了酶解抗性屏障（Shevchenko等，1996）。这些特性对油菜秸秆的饲料化处理提出了更高的要求。

以微生物厌氧发酵为主的青贮、黄贮复合技术是目前秸秆饲料化的主要方法，并在水稻、玉米、小麦等秸秆的饲料化中得到了广泛的应用（王亚芳等，2020；张相伦等，2018；贾晶霞等，2013）。乳酸菌是主要的接种菌剂，其在厌氧环境中大量繁殖从而将饲料中的淀粉和可溶性糖变成乳酸，降低pH，抑制有害细菌生长，提高发酵饲料质量（谢华德等，2019）。但对于油菜秸秆来说，淀粉等营养物质大多存在于由表皮、皮层包裹的中心茎髓中，乳酸菌很难直接发挥作用（孟春花等，2020）。因此，破坏油菜表皮中木质素、半纤维素和纤维素之间的紧密结构，降低聚合度，使半纤维素结构松散，成为微贮调制优质油菜秸秆饲料的关键。

已有研究在微贮中增加好氧发酵预处理环节，通过预先破坏油菜秸秆表皮的纤维结构进而促进后续厌氧发酵（王砚等，2021），虽在一定程度上提高了油菜秸秆饲料品质，却存在pH升高、杂菌增多等问题。因此，本研究拟在前人已有基础上，利用好氧发酵破坏油菜秸秆表皮、皮层结构，利用高温蒸煮控制优势菌群，通过比较高温蒸煮、好氧发酵和厌氧发酵的不同组合，筛选较优的油菜秸秆微贮饲料化前处理方法，以提高油菜秸秆微贮效率和发酵品质，促进油菜秸秆饲料化应用。

1 材料与方法

1.1 试验材料 油菜采集自湖北省沙洋县高阳镇种植的双低油菜，油菜秸秆自然风干后粉碎至1～2 cm备用。所获取油菜秸秆粗蛋白质（CP）含量4.45%，粗脂肪含量1.77%，粗纤维含量35.66%，中性洗涤纤维（NDF）含量69.53%，酸性洗涤纤维（ADF）含量50.25%，水分含量9.14%，可溶性糖（WSC）含量1.43%，总磷（TP）含量0.09%，总钾（TK）含量1.15%，总钙（TCa）含量1.44%。

乳酸菌由华中农业大学微生物工程学院研究中心提供，为副干酪乳杆菌（Lactobacillus paracasei），活菌数约为10亿cfu/g。秸秆腐熟剂由华中农业大学微生物工程中心提供，其包含枯草芽孢杆菌200亿cfu/g、短小芽孢杆菌20亿cfu/g、地衣芽孢杆菌10亿cfu/g、酵母菌2亿cfu/g和黑曲霉2亿cfu/g。

1.2 试验设计 本研究通过高温蒸煮、好氧发酵和厌氧发酵的不同组合，共设置7个处理（图1）。对照（CK）：接种乳酸菌进行40 d的厌氧发酵；联合厌氧发酵（CK+S）：同时接种乳酸菌和秸秆腐熟剂进行40 d的厌氧发酵；蒸煮+联合厌氧发酵（TCK+S）：先对油菜秸秆进行高温蒸煮，之后接种乳酸菌和秸秆腐熟剂进行40 d的厌氧发酵；好氧预处理+厌氧发酵（S-CK）：先利用秸秆腐熟剂进行7 d的好氧发酵，之后利用乳酸菌进行33 d的厌氧发酵；蒸煮+好氧预处理+厌氧发酵（T-S-CK）：高温蒸煮后利用秸秆腐熟剂进行7 d的好氧发酵，之后利用乳酸菌进行33 d的厌氧发酵；好氧预处理+蒸煮+厌氧发酵（S-T-CK）：利用秸秆腐熟剂进行7 d的好氧发酵，高温蒸煮之后利用乳酸菌进行33 d的厌氧发酵；蒸煮+好氧预处理+蒸煮+厌氧发酵（T-S-T-CK）：利用秸秆腐熟剂进行7 d的好氧发酵，在好氧发酵前、后分别进行高温蒸煮，之后利用乳酸菌进行33 d的厌氧发酵。

各处理均称取500 g秸秆按照设置开展试验。参考菌剂说明书，好氧发酵中秸秆腐熟剂添加量为物料干重的0.2%，混匀，调节含水率为65%，盖上保温棉进行7 d的好氧发酵，期间适当进行翻堆；厌氧发酵中乳酸菌添加量为物料干重的2%，混匀，调节水分为65%，将秸秆放在发酵袋内，利用热封机密封，抽真空后放置在恒温培养箱38℃下厌氧发酵33 d或40 d。高温蒸煮在灭菌锅中进行，121℃维持30 min。每个处理设置3个重复。

1.3 取样及测定 在40 d发酵结束后，利用五点法采样，根据我国现行的《青贮饲料质量评定标准》（1996）进行感官鉴定，对样品pH、总氮（TN）、氨氮（AN）、干物质（DM）、可溶性碳水化合物（WSC）、粗蛋白质（CP）、乳酸、中性洗涤纤维（NDF）及酸性洗涤纤维（ADF）含量等表征发酵饲料品质的指标进行测定。其中DM含量通过烘干法测定；pH由新鲜样品与去离子水混合（1：10）振荡获得上清液后用pH计测定；AN含量用纳氏试剂法测定；样品NDF和ADF含量采用英国ringbio滤袋技术全自动纤维分析仪测定；采用H2SO4-H2O2消化，凯氏定氮仪测定TN并计算CP含量；乳酸采用离子色谱法检测；WSC含量采用蒽酮-硫酸比色法测定。对各处理样品结构进行表征，利用超高分辨率场发射扫描电子显微镜进行电镜扫描（SEM）。

1.4 统计分析 所有试验数据均以均值表示，采用SPSS 17.0统计软件对不同处理进行相关的统计分析、显著性检验等。

秸秆饲料品质的综合评价采用隶属函数值法进行（林真等，2014），用隶属函数法转化数据统一量纲，其中正相关指标（Uin）、负相关指标（U′in）依据以下公式进行转化：

式中：Uin和U’in分别指第n个样品第i个指标的原始数据经转化后的隶属函数值；Xin指第n个样品第i个指标的原始测定结果；Ximax和Ximin分别指样品组中第i个指标的最大值和最小值。

将各个待评价材料的各个指标的具体特性隶属值进行累加，并求平均数以获取各个处理的平均隶属度。

2 结果与讨论

2.1 不同处理油菜秸秆饲料感官评价 各处理获得的油菜秸秆饲料均无腐败气味，颜色为褐黄或亮黄色，在含水率上并无显著差异（表1）。pH是影响微贮质量的重要因素之一，pH快速下降，有助于限制植物酶活性，减少蛋白质降解损失，抑制产生高水平乙酸、丁酸的有害微生物以及其他有害微生物的数量（Hwang等，2004）。在本研究中，秸秆腐熟剂与高温蒸煮的不同组合对秸秆饲料pH产生的影响并不相同，其中S-T-CK及TS-T-CK处理获得的饲料pH分别为3.90和3.92，要显著低于其他处理，说明利用秸秆腐熟剂对油菜秸秆进行好氧发酵预处理并在厌氧微贮前进行高温蒸煮能够有效促进乳酸菌的大量繁殖，进而将饲料中的淀粉和可溶性糖变成乳酸，这有利于提高发酵饲料的质量。但S-T-CK与T-S-TCK之间的饲料pH无显著差异，说明好氧发酵前增加高温蒸煮并未有效促进产酸。从最终的油菜秸秆饲料感官评价结果来看，S-T-CK及T-S-TCK评定总分在80以上，较常规微贮提高了78%，均达到了优等，T-S-CK、S-CK及T-CK+S评定总分在60～80，为良好，而CK和CK+S总分低于60，为一般。

2.2 不同处理油菜秸秆饲料营养品质 饲料中的CP及WSC含量是评价饲料营养品质的重要指标，其中CP指饲料中含氮有机物的总称，包含一些必需的氨基酸，而WSC则是反刍动物瘤胃微生物合成菌体蛋白重要的能源（刘海燕等，2019）。本研究显示，好氧发酵预处理结合高温蒸煮能够有效提高饲料中的CP含量，其中T-S-TCK、S-T-CK及T-S-CK处理CP含量均达到了5%以上，显著高于CK+S及CK处理（表2）。但各处理之间在WSC上均无显著差异，其中T-S-TCK、S-T-CK及T-S-CK处理相比CK甚至小幅降低了WSC含量，可能是乳酸菌大量繁殖生长加快了对WSC的利用（曾辉等，2017）。这一观点可由对应处理中显著降低的pH得到印证（表1）。虽然好氧发酵预处理结合高温蒸煮促进了乳酸菌大量繁殖，但乳酸菌没有蛋白质分解酶，不分解破坏原料中的蛋白质（Elferink等，1999）。这是本研究中CP与WSC在不同处理中呈现不同趋势的原因。

NDF和ADF是评价纤维品质优良的重要指标，其含量分别与动物采食量和消化率呈负相关。饲料中NDF与ADF含量越低，表明其饲用价值越大，经济价值越高（阴法庭等，2018）。在本研究中，好氧发酵预处理结合高温蒸煮相比CK显著降低了NDF与ADF含量，较常规微贮可降低3.44%～7.29%，提高了油菜秸秆的饲用价值（表2）。除CK外，各处理之间的DM含量均无显著差异，而导致CK处理DM含量较低可能与其较高的含水量有关（表1）。

表2 不同处理的油菜秸秆发酵饲料营养品质

微贮过程中，各类微生物活动消耗降解蛋白质并产生AN，饲料中的AN/TN值越高，说明蛋白质降解越多（朱玉环等，2013）。蛋白质是动物获取植物能量的重要来源，蛋白质若大量降解会显著降低饲草利用率。因此，一般品质优等饲料的AN占TN的比例应低于10%（阴法庭等，2018）。本研究中，各处理的AN/TN均在10%以下，各处理之间并无显著差异（表2）。本研究显示T-S-T-CK、S-T-CK、T-S-CK及S-CK处理的饲料乳酸含量均显著高于CK、CK+S及TCK+S处理的饲料，说明好氧发酵预处理结合高温蒸煮促进了发酵过程中乳酸菌等有益菌的繁殖，使之成为贮料中的优势菌群，进而产生大量乳酸（曾辉等，2019）。

2.3 不同处理油菜秸秆饲料电镜结构表征 由图1可看出，油菜秸秆的原样表皮紧密有序，结构清晰，无孔洞存在。分别对油菜秸秆原样进行好氧发酵和高温蒸煮，发现好氧预处理之后的油菜秸秆表面出现塌陷，并且细胞壁有褶皱和破损，出现孔洞，比表面积增加；高温蒸煮仅仅让秸秆表皮变得褶皱，却并未明显破坏油菜秸秆结构。这说明高温蒸煮仅能起到软化秸秆的作用，却并不能直接影响其后的微贮质量。对各个处理微贮获得的油菜秸秆饲料进行电镜扫描，发现T-S-T-CK、S-T-CK、T-S-CK及S-CK处理油菜秸秆破碎化程度更高，结构变得松散，表层断裂现象较多，而CK、CK+S及T-CK+S处理表层断裂现象较少。

图1 不同处理油菜秸秆饲料电镜结构表征

2.4 不同处理油菜秸秆发酵饲料品质综合评估对比各处理油菜秸秆发酵饲料营养指标，发现不同指标在不同处理中各有优势，因此很难通过单一的指标对各微贮方法进行评判。模糊数学中的隶属函数分析方法提供了一条在多指标测定基础上对饲料营养品质进行综合评价的途径，其考虑到了各个指标的作用，避免了只考虑粗蛋白质和pH等几个因子而忽视其他几个因子的弊端，可以更全面、均衡的评价饲料的营养品质，使试验结果更加客观、准确（刘晶等，2018）。本研究显示，不同处理获得的油菜秸秆饲料平均隶属度排序为ST-CK≈T-S-T-CK＞T-S-CK≈S-CK＞CK+S≈T-CK+S＞CK（表3）。总体来看，在传统厌氧发酵过程中加入秸秆腐熟剂，能够在一定程度上提高饲料品质，但效果并不明显，这可能是由于厌氧环境无法提供秸秆腐熟剂中好氧微生物所需的最优环境，限制了秸秆腐熟剂中好氧微生物的作用，此外，秸秆原本附着土著微生物的竞争也可能削弱接种微生物的作用。在S-CK处理中，秸秆腐熟剂进行的好氧发酵可通过破坏油菜秸秆纤维的内部结构促进后续厌氧发酵，进而提高油菜秸秆微贮品质，这与王砚等（2021）的研究结果一致。但T-S-CK与S-CK在秸秆饲料综合评价上并无显著区别，说明好氧发酵前增加的高温蒸煮环节并未能发挥作用，可归结于高温蒸煮并不能实际破坏秸秆物理结构。这一现象在S-T-CK与T-S-TCK处理之间亦得到了证实。然而，S-T-CK与SCK处理相比平均隶属度由0.58提高到了0.81，说明好氧发酵与厌氧发酵之间插入的高温蒸煮环节显著改善了秸秆饲料品质。这可归结为高温蒸煮杀死了原料中的微生物，为接种的乳酸菌提供了一个资源充足且无竞争的环境，极大的促进了乳酸菌的生长，强化了厌氧发酵中乳酸菌的作用。S-T-CK与T-S-T-CK处理相比其平均隶属度并无明显差距，但T-S-T-CK处理增加了工艺复杂度，增加了能耗，因此本研究更加推荐S-T-CK工艺用于油菜秸秆的饲料化微贮。

表3 不同处理油菜秸秆饲料综合评估隶属函数

3 结论

利用秸秆腐熟剂进行7 d的好氧发酵，高温蒸煮，之后利用乳酸菌进行33 d的厌氧发酵是对油菜秸秆进行饲料化微贮的最佳方法。该方法获得的秸秆饲料感官较好，且拥有更低的NDF和ADF含量以及更高的CP和乳酸含量。