鄭 毅， 唐鴻宇， 李天宇， 蔡 茂， 陳 豪， 張嘉保， 王 鵬

(吉林大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，長春 130062)

青貯飼料的有氧穩(wěn)定性是青貯飼料品質(zhì)評定的重要指標(biāo)之一[1]。目前國內(nèi)外對于青貯飼料有氧穩(wěn)定性的測定方法主要包括微生物培養(yǎng)法和溫度檢測法。溫度檢測法是通過對開封后的青貯飼料中心溫度的實時跟蹤，記錄出其核心溫度比外界溫度高出2℃所需的準(zhǔn)確時間。該方法雖然較微生物培養(yǎng)法具有操作簡單，工作量小等優(yōu)點，但在利用此技術(shù)進(jìn)行青貯飼料有氧穩(wěn)定性評定的過程中，常因盛裝飼料進(jìn)行二次發(fā)酵的容器型號、材質(zhì)、隔熱效果[2]等因素不統(tǒng)一，直接影響實時監(jiān)測溫度的準(zhǔn)確度，進(jìn)而給青貯飼料的有氧穩(wěn)定性評價帶來系統(tǒng)誤差。

在進(jìn)行青貯飼料有氧穩(wěn)定性測定時，需要保證外環(huán)境因素的穩(wěn)定性和統(tǒng)一性，其結(jié)果才具有可比性。目前國內(nèi)外研究者用于測定青貯飼料有氧穩(wěn)定的裝置容器無論在規(guī)格大小、材質(zhì)等方面千差萬別，測定裝置在保溫和透氣兩方面尚不能做到兼顧。在青貯全株玉米有氧穩(wěn)定性的試驗中[3-4]，因不同研究者使用的物料盛裝容器不同，致使相互之間的試驗結(jié)果缺乏對照性，且出現(xiàn)過因盛裝容器性能原因?qū)е碌膿]發(fā)性脂肪酸和纖維成分測定數(shù)據(jù)異常的現(xiàn)象[5]。

針對上述問題，本研究旨在設(shè)計并制造出一款操作簡便、實用性強(qiáng)、成本較低、受眾面廣的有氧穩(wěn)定性測定裝置，并通過利用全株玉米青貯和玉米青秸稈青貯飼料的有氧穩(wěn)定性試驗對該裝置進(jìn)行驗證。解決現(xiàn)有技術(shù)存在的設(shè)備簡易、隔熱措施不一、系統(tǒng)誤差大及影響青貯飼料有氧穩(wěn)定性評定準(zhǔn)確度的問題，實現(xiàn)對青貯飼料有氧穩(wěn)定性溫度的有效實時監(jiān)控。

1 材料與方法

1.1 裝置設(shè)計理念

本研究為實現(xiàn)對青貯飼料開封有氧穩(wěn)定性溫度變化的實時監(jiān)測，并解決隔熱保溫與通風(fēng)的矛盾，從材料選擇方面，選用輕質(zhì)且隔熱效果好的材料。在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，采用功能系統(tǒng)模塊化設(shè)計，模塊可拆分設(shè)計，隔熱與通風(fēng)兼顧設(shè)計和多單元復(fù)合型設(shè)計。

1.2 材料

該裝置主要由輕質(zhì)木板和泡沫板、聚乙烯塑料板、PVC管組成。

1.3 裝置的設(shè)計

本裝置包括：樣本盛裝系統(tǒng)、保溫隔熱系統(tǒng)和溫度實時監(jiān)控系統(tǒng)。樣本盛裝系統(tǒng)安裝在保溫隔熱系統(tǒng)中，溫度實時監(jiān)控系統(tǒng)通過感溫元件通過保溫隔熱系統(tǒng)與樣本盛裝系統(tǒng)連接，被測樣本飼料要求在上述安裝步驟完成之前，事先裝入樣本盛裝系統(tǒng)內(nèi)。樣本盛裝系統(tǒng)包括料桶和料桶蓋。料筒蓋上形成有料桶感溫探孔，料桶底部形成有料桶通氣孔。保溫隔熱系統(tǒng)包括：保溫隔熱箱體(下稱“箱體”)、保溫隔熱蓋板(下稱“蓋板”)和保溫隔熱底板(下稱“底板”)。蓋板在箱體上方，箱體在底板上方。蓋板上的與料桶感溫探孔對應(yīng)的位置上形成有蓋板感溫探孔；保溫隔熱系統(tǒng)的蓋板、箱體和底板上形成有通氣孔以及連接通氣孔的通氣槽，通氣槽途經(jīng)料桶感溫探孔或料桶通氣孔，以使盛裝被測樣本的料桶與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換。箱體包括箱體隔熱內(nèi)膽，蓋板包括蓋板隔熱板，底板包括底板隔熱板。箱體中設(shè)有多個容納料桶的料桶槽，能夠同時對多個樣本進(jìn)行測定。溫度實時監(jiān)控系統(tǒng)包括熱敏探頭和溫度記錄器。熱敏探頭一端通過蓋板通氣孔和料桶蓋通氣孔深入料桶，另一端與溫度記錄器連接。溫度實時監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)具體條件選擇全自動溫度檢測裝置或人工記錄。

本裝置的有益效果：在監(jiān)控青貯飼料有氧穩(wěn)定性溫度的變化時，標(biāo)準(zhǔn)容積的料桶能夠?qū)崿F(xiàn)被測樣本之間在質(zhì)量上的平行性；箱體蓋板、箱體和箱體底板的隔熱設(shè)計能夠有效實現(xiàn)被測樣本之間以及被測樣本與外界環(huán)境之間的熱量交換，實現(xiàn)每個被測樣本能夠在各自測定單元內(nèi)的獨立性。此裝置一方面在蓋板、箱體和底板的用材上采用隔熱保溫材料；另一方面在蓋板、箱體和底板上設(shè)計通氣孔以及連接通氣孔的通氣槽，盛裝被測樣本的料桶可通過通氣孔和通氣槽，在獲得隔熱保溫功能的同時實現(xiàn)被測樣本與外界環(huán)境的氣體交換，進(jìn)而實現(xiàn)各被測樣本開封后順利完成二次發(fā)酵互不影響的目的。

本裝置的箱體、蓋板和底板在材料上選擇的導(dǎo)熱系數(shù)極低的隔熱材料以及箱體、蓋板和底板的通氣槽和通氣孔設(shè)計，能夠在實現(xiàn)被測樣本與外界環(huán)境保持空氣暢通的同時，消除二次發(fā)酵過程中產(chǎn)生的熱量與外界環(huán)境的熱量交換現(xiàn)象，有效解決通風(fēng)與保溫隔熱的現(xiàn)實矛盾。

本裝置采用的樣本盛料系統(tǒng)與保溫隔熱系統(tǒng)分離設(shè)計，便于每個被測樣本在實驗過程隨時取樣且互不干擾。此外，本裝置采取的單體多單位設(shè)計，實現(xiàn)了同時對多個樣本進(jìn)行有氧穩(wěn)定性實驗的功能，有效的提高實驗效率、準(zhǔn)確性和平行性。

1.4 設(shè)計與連接

圖1為本研究裝置的設(shè)計圖解。具體包括樣本盛裝系統(tǒng)、保溫隔熱系統(tǒng)和溫度實時監(jiān)控系統(tǒng)。

1.4.1物料盛裝系統(tǒng) 物料盛裝系統(tǒng)包括：料桶蓋(A)、料桶感溫探孔(B)、料桶體(C)、料桶底(D)和料桶通氣孔(E)。A和C之間為塑料膠帶連接。A、C和D采用聚乙烯塑料。A中心處開有直徑為10 mm的B，D中心處開有直徑為20 mm的E，C的容積為1 L，C和D之間為膠體連接。

1.4.2保溫隔熱系統(tǒng) 保溫隔熱系統(tǒng)包括：保溫隔熱蓋板、保溫隔熱箱體和保溫隔熱底板。蓋板在箱體上方，由鎖扣自由連接。箱體底部的凹陷結(jié)構(gòu)與底板頂部凸出結(jié)構(gòu)連接。

蓋板結(jié)構(gòu)包括：蓋板感溫探孔(F)、蓋板隔熱板(G)和蓋板通氣孔(H)。G位于蓋板架內(nèi)，由膠體連接。H對稱分布于G長邊兩側(cè)，由G內(nèi)面的H相連，F(xiàn)透過G與蓋板通氣槽相通。H直徑為10 mm；F位于G上，直徑為10 mm；蓋板通氣槽寬度為10 mm，深度為10 mm，長度與G寬度一致。

圖1 裝置設(shè)計圖Fig.1 Design drawing of the equipmentA. 料桶蓋；B. 料桶感溫探孔；C. 料桶體； D. 料桶底；E. 料桶底通氣孔；F. 蓋板感溫探孔； G. 蓋板隔熱板；H. 蓋板通氣孔；I. 料桶槽；J. 箱體； K. 箱體通氣孔；L. 底板通氣槽；M. 底板通氣孔； N. 底板隔熱板；O. 底板外板；P. 熱敏探頭；Q. 數(shù)據(jù)采集器A, cover of the storage vat; B, hole of the spherical thermistor at the storage vat; C, container wall of the storage vat; D, bottom of the storage vat; E, venthole at the bottom of the storage vat; F, hole of the spherical thermistor at the cover plate; G, cover thermal baffle; H, venthole at the cover plate; I, slot position of the storage vat; J, box; K, venthole at the box; L, vent groove on the baseplate; M, venthole of the baseplate; N, thermal baffle baseplate; O, exothecium of the baseplate; P, spherical thermistor; Q, data acquisition system

箱體結(jié)構(gòu)包括：料桶槽(I)、箱體本體(J)和箱體通氣孔(K)。K對稱分布于箱體外壁的長邊下緣。I位于箱體隔熱內(nèi)膽內(nèi)。箱體外壁位于箱體隔熱內(nèi)膽外部，由膠體連接。K直徑為10 mm。I高度與C相同，I內(nèi)徑大于C外徑1 mm。箱體外壁四面由鉚釘連接。

底板結(jié)構(gòu)包括：底板通氣槽(L)、底板通氣孔(M)、底板隔熱板(N)和底板外板(O)。M位于L上；L位于N上方；L上兩端與K相對應(yīng)；N位于O上方，二者由膠體連接。M直徑為20 mm，深度為10 mm；L寬度為10 mm，深度為10 mm，尺寸與N的寬度一致。

其中G、N和箱體隔熱內(nèi)膽均采用保溫隔熱材料，要求導(dǎo)熱系數(shù)≤0.028 W·(m·K)-1，抗壓強(qiáng)度>220 KPa。O和箱體外壁采用木質(zhì)材料。

1.4.3溫度實時監(jiān)控系統(tǒng) 溫度實時監(jiān)控系統(tǒng)包括：熱敏探頭(P)和數(shù)據(jù)采集器(Q)。P一端連接Q，另一端通過F和B，插入C幾何中心處。溫度實時監(jiān)控系統(tǒng)的P和Q可以使用常規(guī)溫度計(0～50℃)并采用人工測量方式代替。

1.5 裝置性能驗證性試驗

試驗采用經(jīng)45天厭氧發(fā)酵，密度為600 kg·m-3的優(yōu)質(zhì)[6]全株玉米(Whole-plant corn)青貯和密度為500 kg·m-3的優(yōu)質(zhì)玉米青秸稈(Green-corn straw)青貯。以常規(guī)聚乙烯塑料桶盛裝青貯飼料作為對照組，以本研究裝置盛裝青貯飼料作為試驗組，分別進(jìn)行全株玉米青貯和玉米青秸稈青貯的有氧穩(wěn)定性測定試驗。每個處理3個重復(fù)。試驗容器內(nèi)膽容積均為1 L。試驗采用多路溫度記錄儀對兩種試驗容器的中心溫度進(jìn)行連續(xù)記錄。

2 結(jié)果與分析

圖2顯示了全株玉米青貯開封后發(fā)酵容器中心溫度變化曲線。試驗組分別在開封58 h和277 h后形成兩個發(fā)熱高峰，溫度分別達(dá)到31.41℃和31.35℃。對照組在開封56 h和259 h后形成兩個發(fā)熱高峰，溫度分別達(dá)到26.04℃和27.68℃。

圖2 全株玉米青貯開封后發(fā)酵容器中心溫度隨接觸空氣時間的變化曲線Fig.2 The central temperature of the fermentation containers changed with the time of contacting with air after the whole-crop silage opened

圖3顯示了玉米青秸稈青貯開封后發(fā)酵容器中心溫度變化曲線。試驗組在開封后81 h形成單一的發(fā)熱高峰，溫度達(dá)到33.17℃。對照組在78～81 h形成發(fā)熱最高峰，溫度達(dá)到24.13℃。在132 h后又形成了一個發(fā)熱小高峰，溫度達(dá)到22.03℃，僅高出室溫3.30℃。

圖3 玉米青秸稈青貯開封后發(fā)酵容器中心溫度隨接觸空氣時間的變化曲線Fig.3 The central temperature of the fermentation containers changed with the time of contacting with air after the corn green straw silage opened

3 討論

青貯飼料的有氧穩(wěn)定性是青貯飼料品質(zhì)評定的重要指標(biāo)之一。有研究表明[7-8]，發(fā)酵品質(zhì)越好的青貯飼料發(fā)生二次發(fā)酵的幾率越大，而丁酸含量高的劣質(zhì)青貯飼料幾乎不會發(fā)生二次發(fā)酵。當(dāng)青貯飼料中甲酸、甲酸鈉、丙酸、苯甲酸、甘油等化學(xué)成分含量較高時，青貯飼料發(fā)生二次發(fā)酵的幾率會顯著降低。引起青貯飼料二次發(fā)酵主要有3個因素[9]：(1)發(fā)酵溫度：青貯飼料中存在許多種微生物(如酵母菌，霉菌[10]，以及其他好氧性細(xì)菌)，它們中大部分繁殖的適宜溫度在20～40℃之間[11]；(2)填裝密度：青貯飼料密度低，開封后空氣易進(jìn)入，易于發(fā)生二次發(fā)酵；(3)青貯飼料取用量[12]：開封后如果單次取用量少，取用部位的青貯飼料一直暴露在空氣中，易于發(fā)生二次發(fā)酵。

在關(guān)于青貯飼料的有氧穩(wěn)定性方面的研究中，許多試驗采用常規(guī)化學(xué)成分分析法測定pH值、氨態(tài)氮、有機(jī)酸[13]等，通過實驗室評定青貯飼料品質(zhì)來評測青貯飼料的有氧穩(wěn)定性[14]。該方法雖可通過檢測物質(zhì)含量評測二次發(fā)酵趨勢，但在實際生產(chǎn)中缺乏穩(wěn)定性、操作繁瑣、難以被廣泛應(yīng)用。微生物檢測法相較于溫度檢測法，因其實驗成本高和操作難度大，則難以推廣。

溫度檢測法雖操作簡便，但影響因素較多。在較多科研試驗中[15-18]，設(shè)計者都是通過在自定的統(tǒng)一容器中，通過添加生物添加劑，比較在二次發(fā)酵時飼料核心溫度比外界溫度高出2℃所需的時間，來評定青貯飼料有氧穩(wěn)定性。一般試驗所用的容器，如扎有多個小孔的塑料自封袋、敞口聚乙烯塑料桶(或桶口用雙層紗布包裹)、玻璃瓶等[16-20]，通常存在系統(tǒng)誤差。保溫較好的容器，透氣性差，無法滿足有氧條件[21]；透氣性好的容器，熱量易流失；容器上存在的這些缺點，會使試驗結(jié)果偏離實際生產(chǎn)的真實情況。同時，由于各試驗采用的容器型號上的不統(tǒng)一，導(dǎo)致各試驗之間缺少可比性，最終導(dǎo)致在使用溫度檢測法進(jìn)行青貯飼料有氧穩(wěn)定性測定時，無法建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

本試驗中，以對照組對常規(guī)試驗容器進(jìn)行模擬。在全株玉米試驗中，試驗組與對照組的曲線都具有兩個發(fā)熱高峰。屬于由酵母菌和霉菌先后交替作用的酵母-霉菌型二次發(fā)酵[22]。但在同等條件下，對照組在整個二次發(fā)酵過程中的溫度一直低于試驗組。分析原因為對照組的保溫隔熱效果不如試驗組，致使發(fā)酵容器中心溫度通過容器外壁散失，導(dǎo)致整體溫度曲線偏低。在玉米青秸稈試驗中，試驗組與對照組的曲線是具有單一發(fā)熱高峰的二次發(fā)酵，屬于由霉菌單獨引起的二次發(fā)酵類型。但對照組發(fā)熱溫度較試驗組低，且溫度上升幅度較小。而對照組出現(xiàn)的第二個發(fā)熱高峰，分析原因為對照組使用了敞開式塑料容器，與空氣中復(fù)雜性微生物有關(guān)，可能是飼料表面與空氣接觸部分感染了外界的酵母菌造成的[23]。

本裝置既能降低外界溫度對發(fā)酵容器中心溫度的影響，又能保證容器內(nèi)發(fā)酵符合有氧發(fā)酵，使裝置內(nèi)青貯飼料二次發(fā)酵時環(huán)境符合實際生產(chǎn)環(huán)境。裝置驗證性試驗結(jié)果顯示，無論是酵母-霉菌型二次發(fā)酵，還是霉菌單獨引起的二次發(fā)酵，本裝置都能更顯著地檢測到發(fā)酵溫度的變化趨勢。通過本裝置統(tǒng)計的溫度變化趨勢和所需時間，符合傳統(tǒng)有氧穩(wěn)定性測定時理論值[24]。試驗結(jié)果證明本裝置在青貯飼料有氧穩(wěn)定性測定方面，較充分的滿足預(yù)期設(shè)計的要求，對溫度檢測法測定青貯飼料有氧穩(wěn)定性建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)起到較好的輔助作用。

4 結(jié)論

本研究研發(fā)的青貯飼料有氧穩(wěn)定性測定裝置有較強(qiáng)的保溫性能與充分的供氧性能，可用于青貯飼料有氧穩(wěn)定性的測定，且對溫度檢測法統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的建立起到輔助作用。該裝置操作簡單，成本低廉，測定結(jié)果穩(wěn)定，值得推廣。