添加糖蜜对棉秆微贮品质及有氧稳定性的影响

徐鹏飞,王旭哲,杨寒珺,黄星宇,付东青,鲁为华,孙新文

(石河子大学动物科技学院,新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意义】2019新疆棉花产量500.2×104t,棉花秸秆大约有1 762.5×104t[1]。棉秆木质素,纤维素含量为44%、15.3%,粗蛋白含量在7.10%,优于稻草、玉米秸秆。但棉秆作为非常规饲料,因其木质素含量高导致质地坚硬,适口性差,存在少量毒性游离棉酚,影响其饲料化利用[2]。调制棉秆微贮成本小,操作简单,但其可溶性碳水化合物含量低,水分少,难以发酵成功,需外源加入微生物发酵底物。糖蜜是甜菜和甘蔗制糖工业的副产物,内含大量碳水化合物,主要成分是糖类,如蔗糖、葡萄糖、果糖。含糖量(以蔗糖计)在40%～56%,其中蔗糖约30%,转化糖约10%～20%[3]。在饲草发酵过程中,能够为乳酸菌的生长繁殖提供底物,常被作为饲料发酵促进剂。棉秆经过发酵后,提高发酵产物营养价值,质地变软,适口性好,动物采食量增加[4]。【前人研究进展】棉花秸秆木质素和半纤维素含量高,如直接饲喂动物,导致动物消化率低,饲喂效果差,经微生物发酵搭配其他饲料可以提高动物采食量[5]。将棉秆、甜菜渣、菌液、尿素以50∶50∶0.1∶0.3比例的发酵品质最佳[4],发酵产物粗蛋白含量提高,ADF下降3.38%,NDF下降7.55%,ADL下降23.56%,但pH较高,为4.41。张永建等[6]添加菌液与棉秆发酵,发现经微生物处理后其粗蛋白增加12.9%,粗纤维降低6.2%,饲料的营养价值明显提高。对棉秆汽爆处理[7],ADL仅降低5.79%,但汽爆处理后再发酵,ADL下降达26.41%,对ADF、DNF的含量影响较小,变化幅度不大;汽爆后CP较原始棉秆提高10.79%,汽爆后再发酵CP增加14.60%,且Ca、P含量都有所增加。添加糖蜜与青稞秸秆和黑麦草[8]、西兰花茎叶稻秸苜蓿[9]、全株张杂谷混合青贮发酵[10],可降低pH、氨态氮、丁酸含量和植物细胞壁成分,提高乳酸、可溶性糖、粗蛋白含量。【本研究切入点】棉秆微贮调制时添加糖蜜,对棉秆微贮发酵品质、营养品质和有氧稳定性变化影响方面未开展系统研究,需研究在棉秆微贮时添加糖蜜对其营养价值是否有改善作用。【拟解决的关键问题】添加糖蜜对棉花秸秆青贮发酵品质、营养品质、有氧稳定性的影响,筛选出适宜糖蜜水平,为棉秆高效化利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

棉杆刈割于新疆玛纳斯县朱家团庄村,运至石河子大学实验站经粉碎机切1～2 cm待贮;糖蜜购于中粮屯河糖业昌吉糖业分公司;尿素,食盐购于石河子市农贸市场;发酵容器为真空密封发酵袋,购于江西旺江南包装厂。所用原料游离棉酚含量均低于国家饲料标准限量(500 mg/kg[11])。表1

表1 棉秆微贮原料营养组成Tab.1 Nutritional composition of cotton stalk micro-storage raw materials

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

采用单因素试验设计,设对照组和5个不同水平的糖蜜添加组,糖蜜分别按混合后鲜重的0%(CK)、2%(A)、3%(B)、4%(C)、5%(D)、6%(E),每个处理添加定量0.2%食盐,0.1%尿素(干物质基础),在微贮0、7、15、30、60 d取样分析,每个处理各个时间点4个重复。

1.2.2 青贮调制

将刈割后的棉杆切割至1～2 cm,将计算好的尿素、食盐和不同水平的糖蜜与棉杆充分混匀而后装袋(水分控制在55%～65%),发酵袋规格为35 cm×45 cm,每袋装4 kg,密度约在398 kg/m3,再用真空包装机抽真空并封口。装袋完成以后做好标记,放置于室温进行发酵。

1.2.3 感官评定

依照农业部颁发《青贮饲料质量评定标准》[12]对微贮棉秆进行感官评定,依据饲料pH、水分、气味、色泽、质地5项指标存在的差异评分,划分为优质、良好、一般、劣质4个等级。

1.2.4 指标测定

pH值采用雷磁PHS-25酸度计测定;挥发性脂肪酸(VFA)采用高效液相色谱法[13];铵态氮(NH3-N)采用苯酚-次氯酸钠比色法[14];WSC采用蒽酮-硫酸比色法[15];干物质采用105℃烘干法[16];粗蛋白采用凯氏定氮仪法[17];中性洗涤纤维(NDF)与酸性洗涤纤维(ADF)采用范氏(Van Soest)洗涤纤维法[18];粗灰分采用灰化法(于茂福炉600℃灼烧)[19]。

有氧稳定性:微贮60 d打开发酵袋,袋口用纱布覆盖以防止果蝇等其他杂质污染,空气可自由进入发酵袋,放置于室温下测定。将多点式温度记录仪(i600-E3TW玉环智拓仪器科技有限公司)的温度检测探头放置于发酵袋的几何中心,将3个探头置于空气中以检测室温;如果发酵样品温度高于环境温度2℃,表示微贮棉秆开始腐败变质,记录下时间。

1.3 数据处理

采用Excel软件对数据进行处理,然后用SPSS19.0软件对数据分析单因素方差,多重比较采用邓肯氏法。其中P<0.05表示处理组间差异显著,P<0.01表示处理间差异极显著。

2 结果与分析

2.1 微贮棉秆感官评定各指标变化

研究表明,最终将6个处理划分为3个等级,处理CK、A得分为41、48,感官评定等级为一般,pH在4.5～4.8,散发出刺鼻酸味,少数呈暗褐色,尤其CK处理的质地略带黏性;处理B、C得分为56、62,等级评定为良好,总体呈淡酸味,色泽显棕褐色,质地松散软弱;处理D、E品质为优良,得分76、77,其气味以甘酸味为主,具舒适感,色泽以棕褐色为主,质地松散软弱不黏手。随糖蜜添加量的增加其pH逐渐降低,气味由刺鼻酸味向淡酸和甘酸味变化,色泽由暗褐色向棕褐色转变,质地由略带黏性向松散不黏手转变。微贮棉秆的感官品质随糖蜜添加量的增加而不断提高。表2

表2 微贮棉秆感官评定各指标得分Tab.2 Score table of each index of sensory evaluation of micro-storage cotton stalk

2.2 不同糖蜜添加水平棉花秸秆微贮发酵品质的动态变化

研究表明,对照组在发酵第7 d pH降幅较大且差异显著(P<0.05),7 d以后到发酵结束,降幅放缓且彼此间差异不显著(P>0.05),pH最终降至4.72。添加糖蜜处理pH在发酵过程中一直降低,均与对照组差异显著(P<0.05),发酵结束时E处理最低为4.18,与D处理差异不显著(P>0.05),与其它处理差异显著(P<0.05)。随着发酵时间延长,各处理乳酸含量总体呈上升的趋势,在发酵30 d时达到最大,在60 d降低,降低趋势较缓且无显著差异(P>0.05)。发酵60 d,添加糖蜜处理乳酸含量均显著高于对照组(P<0.05),处理D、E之间差异不显著(P>0.05),与其余各处理差异显著(P<0.05),处理A、B、C相互无显著差异(P>0.05),与其余各处理差异显著(P<0.05)。

随发酵的进行,各处理乙酸含量存在不同程度的增加,60 d乙酸含量达到最高。各时间段对照组均显著高于糖蜜处理组(P<0.05)。发酵60 dD、E处理显著低于其余处理(P<0.05),且二者差异不显著(P>0.05),D处理最低为9.53 g/kg。乳酸/乙酸值总体呈先升高后下降的趋势,在第7 d达到最大。糖蜜添加处理组始终高于或者显著高于对照组(P<0.05),且随糖蜜添加比例增加而呈上升趋势。发酵完成时,E与D处理无显著差异(P>0.05),与其余处理差异显著(P<0.05)。各处理丙酸含量总体呈上升趋势,处理A、C、D的丙酸在30 d达到最大,到60 d有小幅降低。对照组丙酸含量在发酵后期显著高于糖蜜添加处理(P<0.05),60 d C处理含量为0.28 g/kg,与D、E处理无显著差异(P>0.05)。各处理丁酸在发酵前,中期含量低未被检测到,发酵60 d对照组为0.31 g/kg,显著高于糖蜜处理组(P<0.05)。

微贮过程中添加糖蜜处理氨态氮/总氮始终低于对照组(P<0.05),7 d后随糖蜜添加比例的增加,氨态氮/总氮基本呈现下降的趋势。发酵30 d添加糖蜜处理氨态氮/总氮最高仅为69.70 g/kgTN,而对照组已高达100.52 g/kgTN,60 d对照组达到135.15 g/kg TN,添加糖蜜处理组最高仅为84.81 g/kgTN。最低处理D,为68.99 g/kgTN且与A处理差异显著(P<0.05),与E处理差异不显著(P>0.05)。水溶性碳水化合物呈一直下降的趋势,对照组WSC含量均低于糖蜜处理组。各处理在0 d到15 d显著下降(P<0.05)。发酵60 d,处理E残余WSC最高,与D处理无显著差异(P>0.05),与其余处理差异显著(P<0.05)。表3

续表3 不同蜜糖添加水平棉杆微贮的发酵品质变化Tab.3 Fermentation quality of contton stalk micro-storage with different molasses addition levels

2.3 不同糖蜜添加水平棉花秸秆微贮营养品质的动态变化

研究表明,各处理均在发酵第7 d下降且差异不显著(P>0.05),发酵第60 d,处理D、E干物质含量为33.14%、34.33%,二者无显著差异(P>0.05),均显著高于CK、A处理(P<0.05)。CP含量的变化呈现先降低后升高的趋势,添加糖蜜处理组显著高于对照组(P<0.05),发酵前后相比CP含量有小幅降低且无显著差异(P>0.05),发酵结束时,处理D、E粗蛋白含量为8.13%、8.14%,显著高于其余处理(P<0.05),二者无显著差异(P>0.05)。ADF与NDF在发酵过程中均降低。发酵60 d,对照组ADF、DNF含量均高于(P>0.05)或显著高于添加糖蜜处理组(P<0.05)。C处理的NDF、ADF为61.33%,40.56%,为各处理中最低。棉杆发酵前后粗灰分含量无显著变化(P>0.05)。表4

2.4 不同糖蜜添加水平棉花秸秆微贮有氧稳定性的变化

2.4.1 有氧稳定阶段温度的变化

研究表明,各处理在有氧暴露期间出现了2个温度升高的峰。各处理在开窖的起始温度均在25.1℃左右,在23 h以前各处理温度有小幅降低,23 h以后温度开始大幅升高。其中对照组升温幅度最大且在47 h温度就明显高于室温,D处理升温较缓慢,在49～53 h温度与室温相重合甚至低于室温,最终于80 h时高出室温2℃,其他处理温度变化介于CK与D处理之间。对照组在有氧暴露过程中出现最大温度峰值,D处理温度峰值最小。在整个有氧暴露过程中温度呈现波动性变化,表现为先升后降再升高的趋势。图1

注:CK、A、B、C、D、E、分别代表添加0%、2%、3%、4%、5%、6%的糖蜜。下同Note: CK, A, B, C, D, E, respectively represent the addition of 0%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6% molasses,the same as below图1 有氧暴露期间温度的变化Fig.1 Changes in temperature during aerobic exposure

2.4.2 有氧稳定性的变化

研究表明,适宜的糖蜜添加量延长了有氧稳定性。室温图呈波浪形,总体变化幅度不大。处理CK-E有氧暴露后稳定的时间分别为47、49、54、63、80、67 h。处理D与其他各处理差异显著(P<0.05),处理C、E相互无显著差异(P>0.05),处理A与B、CK无显著差异(P>0.05),处理B与CK差异显著(P<0.05)。图2

图2 各组有氧稳定性的变化Fig.2 Changes in aerobic stability of each group

3 讨 论

3.1 微贮棉花秸秆的感官评定

有氧稳定意为发酵饲料暴露于空气中温度超过室温2℃的时候所需要的时间。微贮原料的优劣,发酵品质的好坏都会影响家畜的生产性能和生理功能,准确评价微贮料的质量显得十分重要[20]。研究发现随着糖蜜添加量的增加发酵品质越好评分越高,而引起差异的主要指标是pH,气味,色泽。主要是因为添加糖蜜充分补充了发酵底物,促进了乳酸发酵,导致pH降得更低,抑制腐败菌的生长,发酵体系稳定,气味由酒酸刺鼻味慢慢转变为甘甜味,色泽由暗褐色转变为棕褐色,而对照组色泽显示暗褐色,刺鼻味较强。D、E处理评分水平达到优质,E处理评分最高。

3.2 不同糖蜜添加水平对棉花秸秆微贮发酵品质的影响

秸秆饲料作物适宜于制作微贮饲料则必须含有适当水平水溶性碳水化合物(WSC)含量(≥10% DM)[21],试验发酵原料棉花秸秆碳水化合物含量底,为16.82 g/kg,决定了其很难发酵成功,试验添加富含碳水化合物的糖蜜进行发酵。对照组pH最低降至4.72,糖蜜添加组pH最低为4.18(pH值≤4.2),这表明纯棉杆含水溶性碳水化合物不足,难以为乳酸菌提供充足的发酵底物,无法使pH值降至4.2以下。微贮第15 d,E处理乳酸含量达到最高值为33.90g/kg,对照组仅为24.45g/kg,pH值显著高于添加糖蜜处理组,是因为添加糖蜜直接为乳酸菌提供了发酵底物,使得微贮早期乳酸菌大量繁殖,乳酸大量生成,pH因乳酸等的积累而迅速下降,微贮饲料快速进入稳定状态。乳酸虽然在发酵过程有小幅下降,但总体呈上升趋势。Yotota等[22]在象草青贮中添加糖蜜,可极大提高发酵品质。试验添加5%糖蜜可显著改善发酵品质。

在发酵第7 d,各处理乳酸/乙酸值达到最大。发酵中后期,乳酸增幅较小且部分处理乳酸含量下降,而乙酸含量持续增加,导致乳酸/乙酸减小。主要是因为在微贮早期进行的是同型乳酸发酵,发酵产物主要是乳酸。但随着发酵进行使得pH降的更低,对pH有较强耐受力的异型乳酸菌为优势菌群,进行的是异型乳酸发酵,产物包括乳酸、乙酸、少量二氧化碳等,异型乳酸菌还可以将乳酸转化为乙酸[23],导致后期乙酸含量增加。Shao等[24]研究表明,微贮前期发酵类型主要为同型乳酸发酵,发酵后期主要为pH耐受力强的异型乳酸菌为主的异型乳酸发酵。在整个发酵过程中,检测到微量的丙酸,丁酸含量因低于最低检出限而前期未被检出,仅在60 d有极微量存在,对照组丙酸及丁酸含量均高于甜蜜添加组。可能是由于添加糖蜜处理组发酵产生的乳酸含量较大,使得pH降低有效抑制了产丙酸及丁酸微生物的生长繁殖[25]。

氨态氮/总氮能够反映饲草在发酵过程中蛋白质和氨基酸的降解程度,优质微贮饲料的氨态氮/总氮应小于100 g/kgTN[26],氨基酸与蛋白质的价值差别不大,但氨态氮的价值较低,发酵饲料氨态氮的含量越高,其发酵品质就越差。微贮饲料中氨态氮由两部分产生,一部分是饲料发酵早期植物蛋白酶对蛋白质、氨基酸、含氮化合物等的降解,另一部分是由梭菌等有害菌分解蛋白质、氨基酸来产生,因在pH较低的酸性环境下受到抑制,更好的保存了营养物质。试验在发酵30 d,对照组的氨态氮/总氮含量已达到100.52 g/kg TN,而添加糖蜜处理最高为69.70 g/kg TN,是因为添加糖蜜加速了发酵进程,短期内产生低酸环境抑制了酶的活性,降低蛋白等含氮物的降解。原现军等[8]添加糖蜜与青稞秸秆和多年生黑麦草混合青贮证实,添加糖蜜有效降低了氨态氮/总氮值,且最佳添加量为5%,与试验添加比例相同。发酵60 d时,添加糖蜜处理WSC含量均高于对照组,且随糖蜜添加量的升高而增大。这是因为糖蜜添加增加了发酵底物,加速了发酵进程,利用WSC的效率更高,促进酸性环境的快速形成,进而抑制了其他微生物对糖分的消耗。再者随糖蜜添加比例的增加,在发酵结束时产生了较多残留,导致添加糖蜜处理组高于对照组。

3.3 不同糖蜜添加水平对棉花秸秆微贮营养品质的影响

微贮过程中DM的含量均有下降,在发酵60 d,各处理DM含量随着糖蜜添加量的升高而增加,D、E处理显著高于对照组,是因为糖蜜的添加增加了发酵底物,加速发酵进程使得pH降低,从而抑制有害微生物对营养成分的降解,减少DM的损失。丁武蓉等[27]在胡枝子青贮时添加糖蜜,胡枝子青贮后,添加糖蜜处理DM含量显著高于对照组(P<0.05),DM损失率低于对照组。发酵完成后,添加糖蜜处理CP含量均高于对照组,这是因为添加糖蜜加速了发酵进程,使pH降低,抑制了腐败菌、酪酸菌等对CP分解,与添加糖蜜处理氨态氮/总氮含量较低相印证。再者糖蜜本身含少量CP,使得糖蜜添加组最终高于对照组。李改英等[28]研究添加糖蜜对紫花苜蓿青贮发酵,也显示CP含量在发酵后添加糖蜜处理高于对照组。

NDF与ADF含量越高,饲料的营养品质就越差。试验中棉花秸秆属高纤维饲草,研究显示ADF、NDF经发酵后都有所降低。发酵60 d,添加糖蜜处理ADF、NDF均低于(P>0.05)或显著低于对照组(P<0.05)。主要原因是糖蜜补充了发酵底物,产生了较多有机酸,有机酸对细胞壁纤维成分的降解有促进作用[29]。刘婷婷等[30]添加糖蜜与添加剂对张杂谷青贮,结果显示添加4%糖蜜对ADF、NDF的降解效果更显著,与试验糖蜜添加比例相同。粗灰分中含大量矿物质,是构成动物体组织的重要原料,其含量也是评价饲料质量的重要指标[31]。试验粗灰分在微贮前后变化不大,0 d粗灰分含量不同可能是制作微贮饲料时与土壤接触而产生的差异。

3.4 不同糖蜜添加量对棉花秸秆微贮有氧稳定性的影响

微贮棉秆开窖后,厌氧环境被破坏,大量好氧性微生物开始活动并繁殖,开始利用蛋白质、乳酸、WSC等有机物,并伴随温度的升高[32]。添加糖蜜可以延长微贮棉秆的有氧稳定时间,但有氧稳定时间并不一定是随糖蜜添加量的增大而延长。其一是因为添加糖蜜使得pH降的更低,提供了相对稳定的酸性环境,抑制了酵母、霉菌等的生长,但若糖蜜的添加量过高,则发酵残留WSC也会增加,给好氧性菌提供了生长繁殖底物,缩短有氧稳定时间。其二添加糖蜜处理后期主要是异型乳酸发酵,更多的乳酸转化为乙酸,乙酸能与类脂化合物相似相溶,进入霉菌、酵母菌等的细胞内,阻碍细胞间的识别、传输、转化,使得细胞壁上的蛋白质变性,改变膜的渗透性[33],起到杀菌作用。Borreani等[34]指出有氧暴露期间从开始升温至达到最大峰值所需要的时间是衡量有氧稳定性的一个重要标准,其峰值越高及所需要的时间越短代表有氧稳定性越差,后续腐败程度越大。CK温度曲线显示所需时间越短且峰值高于其他处理组,有氧稳定性越差,而D处理则越好。

4 结 论

添加糖蜜对棉秆微贮效果显著,水溶性碳水化合物含量增加,发酵底物充足,保留了较高的粗蛋白含量,乳酸含量增加,pH降低,抑制了有害微生物的生长,同时相比对照组降低了氨态氮/总氮值、ADF、NDF,提高了棉杆的发酵品质。在实际生产中,5%糖蜜添加量较为适宜。