賀婷婷,王旭哲,宋 磊,馬春暉
(石河子大學(xué)動物科技學(xué)院,新疆石河子 832003)
【研究意義】油莎豆(Cyperusesculentus)是莎草科莎草屬的一種多年生草本植物。原產(chǎn)于非洲沙漠干旱地區(qū),具喜陽光、耐高溫、抗旱、耐澇等特性,其塊莖富含豐富的蛋白質(zhì)和油脂[1-2]。油莎豆果實(shí)是營養(yǎng)豐富的食品原料,油莎豆莖葉是優(yōu)質(zhì)牧草,是一種優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、綜合利用價(jià)值很高的油、糧、飼多用新型作物?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】油莎豆在新疆干旱氣候區(qū)內(nèi)的生產(chǎn)潛力較大,比較適合大規(guī)模推廣種植[3]。目前在新疆南疆沙區(qū)種植油莎豆成功,對油莎豆莖葉的主要利用方式為直接飼喂牲畜或制作干草,干草容易造成牧草營養(yǎng)成分的損耗,且調(diào)制干草田間損失也較大,而青貯能在最大程度保留牧草營養(yǎng)成分且彌補(bǔ)冬季飼草的不足。添加乳酸菌能有效地促進(jìn)不同禾本科和豆科植物發(fā)酵,并能長時間保存[4-6]。王媛等[7]發(fā)現(xiàn)在苜蓿青貯中添加植物乳桿菌可提高乳酸含量并降低干物質(zhì)損失率。張適[8]在全株玉米青貯中添加乳酸菌發(fā)現(xiàn)可溶性碳水化合物(water soluble carbohydrate,WSC)含量有所提高,氨態(tài)氮含量下降,纖維素酶能有效降低玉米中的粗纖維含量。李苗苗等[9]在油莎草中添加了3種乳酸菌,油莎草青貯各項(xiàng)指標(biāo)均在正常范圍,乳酸菌的添加使青貯的酸香味濃厚,未發(fā)生霉變氧化現(xiàn)象,青貯效果均相對較好;且在低溫條件下添加植物乳桿菌的油莎草青貯發(fā)酵效果最好。【本研究切入點(diǎn)】油莎豆飼草與常規(guī)苜蓿,及全株玉米青貯比較發(fā)現(xiàn)其中性洗滌纖維(NDF)和酸性洗滌纖維(ADF)含量較高,油莎豆隨收獲期延長,其纖維含量逐步增加,影響家畜適口性、采食量和消化率,有效降低其纖維含量成為提高其品質(zhì)的關(guān)鍵因素。【擬解決的關(guān)鍵問題】選擇新疆通過對南疆沙區(qū)栽培的油莎豆青貯,分別添加植物乳桿菌、纖維素酶及二者混合添加,研究不同添加劑對油莎豆發(fā)酵營養(yǎng)品質(zhì)的效果,及其在改善油莎豆青貯品質(zhì)方面的積極作用,分析最適添加劑,為油莎豆在南疆沙區(qū)的青貯利用提供科學(xué)的理論依據(jù)。
選用中油莎1號油莎豆草地上莖葉作為青貯材料,選定在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第三師54團(tuán)開展,其生長期為5月3日~9月15日,9月15日(豆子成熟期)將油莎草距離地面2~3 cm刈割,切短至2~3 cm,待貯。植物乳桿菌(3×109cfu/g)購自新疆天康飼料科技有限公司。纖維素酶(活性為20 000 U/g)購自廣西南寧龐博生物工程有限公司。表1
表1 油莎豆草青貯原料營養(yǎng)成分
1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
設(shè)置3個微生物添加劑處理,分別是W1(0.2%植物乳桿菌Lactobacillusplantarumas);W2(0.5%纖維素酶);W3(0.2%植物乳桿菌+0.5%纖維素酶),CK(無添加,噴灑等量的無菌去離子水)為對照組。按相應(yīng)比例配置菌液和酶制劑。用滅菌噴壺將不同添加劑均勻噴灑在粉碎的油莎豆草上,混勻后裝入30 cm×40 cm×0.24 mm透明聚乙烯袋(每袋500 g),每個處理組和對照組30個重復(fù)。將真空密封好的青貯袋放置在室溫環(huán)境(20±3)℃中發(fā)酵,分別在青貯的第0、7、15、30、45、60 d取樣,測定青貯pH值、干物質(zhì)(DM)、粗蛋白(CP)、NDF、ADF、WSC、氨態(tài)氮(NH3-N)和相對飼用價(jià)值(RFV),各時間點(diǎn)開袋每個處理隨機(jī)取3袋,即3次重復(fù);并于青貯第60 d時開袋暴露于空氣中,測定青貯飼料的有氧穩(wěn)定性。
1.2.2 樣品采集
開袋后,取青貯袋核心發(fā)酵部位樣品10 g,放入三角瓶中加90 mL超純水,混勻后置于4℃冰箱24 h。用2層紗布過濾,取得濾液,用于對青貯pH值和NH3-N含量的測定。剩余樣品經(jīng)105℃烘干后計(jì)算青貯DM含量,烘干樣品粉碎過篩(0.425 mm篩)后密封備用,用于常規(guī)營養(yǎng)成分及WSC測定。
1.2.3 測定指標(biāo)
1.2.3.1 青貯品質(zhì)
CP測定采用凱氏定氮法[10];NDF和ADF的測定采用范氏(Van Soest)洗滌纖維法[10];WSC采用蒽酮比色法測定[11]。pH值用酸度計(jì)(PHS-3C,上海雷磁)測定;NH3-N采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定[12],計(jì)算RFV[13]。
RFV=DMI×DDM/1.29.
(1)
DMI=120/NDF.
(2)
DDM=88.9-0.779×ADF.
(3)
式中:DMI為干物質(zhì)隨意采食量(%BW),DDM為可消化干物質(zhì)含量(%DM),1.29是飼草DMI×DDM的參數(shù)值。
1.2.3.2 有氧穩(wěn)定性
在發(fā)酵60 d 時開袋,袋口要使用干凈的紗布裹住,減少微生物與雜質(zhì)污染和青貯水分快速流失。采用多點(diǎn)式溫度記錄儀(i500-E3TW,玉環(huán)智拓儀器科技有限公司)記錄樣品溫度的變化,將多個探頭分別放在發(fā)酵袋的樣品中心,需在環(huán)境中放置3個檢測探頭,實(shí)時監(jiān)測環(huán)境中溫度變化,溫度記錄儀測量時間間隔設(shè)置為10 min,每個處理放置3個溫度探頭[14]。當(dāng)樣品溫度高于環(huán)境溫度2℃時,青貯開始腐敗變質(zhì),此時記錄時間即為有氧穩(wěn)定時間[12]。
在Excel表中分析處理數(shù)據(jù),用SPSS 20.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,選用Duncan法處理間的差異比較。運(yùn)用Origin 19.0進(jìn)行繪圖。利用Fzuuy數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)法對供試對象的青貯品質(zhì)及其有氧穩(wěn)定進(jìn)行綜合價(jià)值評判,其中,與青貯品質(zhì)呈正相關(guān)的指標(biāo)(DM、CP 、WSC、RFV和有氧穩(wěn)定性)采用公式(1)計(jì)算,其余指標(biāo)均呈負(fù)相關(guān)按照公式(2)計(jì)算。
Fij+=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin).
(1)
Fij-=1-(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin).
(2)
式中,F(xiàn)ij為第i個處理第j個指標(biāo)的隸屬度;Xij為第i個處理第j個指標(biāo)測定值;Xmax、Xmin為所有研究處理中第j項(xiàng)指標(biāo)的最大值、最小值[14]。
研究表明,各處理pH值在青貯過程中逐漸下降,添加劑處理組的pH值從青貯開始到青貯結(jié)束始終低于對照組。且各處理pH值差異顯著(P<0.05),青貯60 d時,W3處理的pH值降至最低,為5.97,W1處理次之,為6.07。圖1
圖1 不同添加劑對油莎豆青貯pH值的動態(tài)變化
NH3-N含量在青貯過程中因蛋白質(zhì)的降解會逐漸增加,在青貯過程中,CK和W2處理的NH3-N含量始終顯著高于其余兩個處理(P<0.05);青貯60 d時CK的NH3-N含量最高(0.22%),處理組W3最低,為0.16%。圖2
圖2 不同添加劑對油莎豆青貯NH3-N的動態(tài)變化
在青貯0 d時,CK的DM含量顯著高于W2(P<0.05)的,與其余處理之間無顯著差異(P>0.05);青貯7~30 d處理W1的DM含量始終顯著高于其他處理(P<0.05);青貯60 d時W1和W3處理的DM含量均顯著高于其余兩個處理(P<0.05),W2和CK的DM含量差異顯著(P<0.05),CK的DM含量最低,為28.70%。
CP在青貯過程中緩慢下降,青貯15 d以內(nèi),CK的CP含量始終顯著低于其余3個處理(P<0.05);到青貯30 d時,CP含量下降速度開始放緩,W1處理在青貯45 d時顯著高于其余處理(P<0.05);青貯60 d時W1和W3處理的CP含量顯著高于其余兩個處理(P<0.05)W2和CK的CP含量差異顯著(P<0.05),CK的CP含量最低,為7.13%。
NDF和ADF含量全程變化一致,呈下降趨勢,青貯0 d各處理NDF和ADF含量差異并不顯著(P>0.05),除青貯15 d時CK和W1處理NDF和ADF含量無顯著差異外,CK的NDF和ADF含量始終顯著高于其余處理(P<0.05),且W3處理的NDF和ADF含量最低,分別為46.23%,27.11%。
青貯過程中WSC含量逐漸降低,青貯前30 d各處理下降幅度均較大,青貯30 d后下降速度有所減緩。青貯前15 d各處理WSC含量迅速下降,在青貯30~45 d時,處理W1和W3的WSC含量無顯著差異但顯著高于其余處理(P<0.05);直至青貯60 d時,W3處理WSC含量最高(5.37%),且與其他處理出現(xiàn)顯著差異(P<0.05),W1次之,為4.94%,CK處理WSC含量最低,為4.07%。表2
研究表明,青貯時間對于油莎豆青貯DM、NDF、ADF、CP、WSC、NH3-N和pH值的變化均表現(xiàn)出極顯著影響(P<0.01),且不同添加劑對于以上各項(xiàng)指標(biāo)也表現(xiàn)出極顯著影響(P<0.01)。并且青貯時間與各處理的交互作用對DM、CP、WSC、NH3-N和pH值的影響極顯著(P<0.01),而對NDF和ADF含量產(chǎn)生顯著影響(P<0.05)。表3
表3 不同青貯時間和添加劑下油莎豆青貯營養(yǎng)品質(zhì)變化
研究表明,在青貯完成后(60 d)各處理與青貯0 d時的pH值、DM、NDF、ADF、CP、WSC、NH3-N含量均有顯著差異(P<0.05),且各處理DM、NDF、ADF、CP、WSC含量和pH值均降低,RFV有不同程度的上升。
各處理的營養(yǎng)品質(zhì)均與青貯原料的存在顯著差異(P<0.05),且隨著青貯時間的推移,各處理的pH值、DM、NDF、ADF、CP、WSC均有不同程度的下降,但RFV值較青貯原料有所升高。青貯完成時對照CK的RFV值最低,與其他處理差異顯著(P<0.05),W3的RFV值最大,而處理W1、W2之間無顯著差異(P>0.05)。表4
表4 青貯前后油莎豆?fàn)I養(yǎng)品質(zhì)對比
研究表明,CK與W1-W3處理有氧暴露后穩(wěn)定的時間分別為75、102、88、115 h。各處理的有氧穩(wěn)定時間均表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05),其中W3處理有氧穩(wěn)定時間最長,顯著高于其余處理(P<0.05)。圖3
圖3 不同添加劑油莎豆青貯暴露于空氣下有氧穩(wěn)定性變化
研究表明,綜合評價(jià)分值越高則青貯品質(zhì)越好,反之越差。發(fā)酵60 d后,不同添加劑處理油莎豆青貯品質(zhì)的綜合排序?yàn)閃3處理>W1處理>W2處理>CK處理。表5
表5 不同添加劑對油莎豆青貯品質(zhì)及有氧穩(wěn)定性隸屬函數(shù)
乳酸菌能在很長一段時間內(nèi)防止青貯飼料質(zhì)量的快速下降[15-16]。乳酸菌的加入,使處理的WSC含量被大量消耗,纖維素酶與植物乳桿菌同時發(fā)酵和酶解時,酶解纖維素產(chǎn)生的還原糖被植物乳桿菌發(fā)酵利用[17-18],促進(jìn)了發(fā)酵進(jìn)程,導(dǎo)致還原糖含量降低,在發(fā)酵前期(0~15 d)W1和W3處理的WSC含量下降速度較快,青貯30 d以后,WSC下降速度放緩,可能是因?yàn)槿樗峋鲩L到一定程度抑制了有害細(xì)菌的活動,減少了WSC損失。CK在發(fā)酵60 d時的WSC含量較少,其原因是油莎豆自身的乳酸菌數(shù)量較少,發(fā)酵進(jìn)程緩慢,不足以抑制有害微生物的活動,導(dǎo)致WSC含量損失較大。
研究發(fā)現(xiàn)添加劑處理組的pH值顯著低于對照組(P<0.05);其中,W3處理組的pH值最低,W1次之;油莎豆青貯pH僅降到了5.97,與李苗苗等[9]研究結(jié)果相似,可能與油莎豆莖葉細(xì)長而強(qiáng)韌,發(fā)酵過程較緩慢有關(guān),還需進(jìn)一步研究。無論是單獨(dú)添加植物乳桿菌還是聯(lián)合纖維素酶均能有效降低pH值,而單獨(dú)添加纖維素酶組pH值較高,說明纖維素酶在抑制有害微生物活動上效率較低,可將纖維素酶和乳酸菌添加劑同時使用,在補(bǔ)充青貯飼料有益乳酸菌數(shù)量的同時,提高其發(fā)酵底物的數(shù)量,可獲得較單一添加更理想的效果。
唐振華等[19]研究發(fā)現(xiàn)添加乳酸菌能顯著提高青貯DM含量。與試驗(yàn)研究結(jié)果一致,DM會因發(fā)酵過程糖類物質(zhì)和蛋白質(zhì)等的分解而降低,而植物乳桿菌與纖維素酶的添加能夠有效降低發(fā)酵損失,這與黃媛等[20]研究結(jié)果一致。試驗(yàn)結(jié)果還顯示,3種添加劑處理的CP含量顯著高于無添加劑的對照組,在青貯過程中添加劑的加入可降低飼料的氮素?fù)p失量,CP是評價(jià)粗飼料品質(zhì)的重要指標(biāo),青貯飼料中NH3-N含量主要由于微生物對粗飼料中蛋白質(zhì)和氨基酸進(jìn)行分解和再利用而產(chǎn)生,氨態(tài)氮的含量直接反映著青貯飼料中蛋白質(zhì)水平的降解程度,其比率越大,被充分分解的氨基酸和蛋白質(zhì)數(shù)量就越多,青貯效果也就越差[9]。植物蛋白酶和其他微生物活性在蛋白水解中起重要作用[21-22],青貯發(fā)酵過程中植物蛋白酶與微生物分解利用粗蛋白,產(chǎn)生多肽、游離氨基酸、氨等物質(zhì),造成粗蛋白含量的下降,試驗(yàn)的添加劑處理有較低的酸度環(huán)境,抑制了腐敗菌、梭菌等降解,CP的損失較小。研究中,添加劑在一定程度上減少了油莎草青貯粗蛋白含量的損失,氨態(tài)氮的比例較低。與Tao等[23]在紫花苜蓿青貯中使用檸檬酸渣和乳酸菌的研究結(jié)果相吻合。與未添加纖維素酶的CK相比,添加纖維素酶降低了氨態(tài)氮含量,這可能與纖維素酶的抑菌作用有關(guān)。
飼料中NDF和ADF含量的高低與家畜采食量和消化率息息相關(guān),其含量越低,營養(yǎng)品質(zhì)越好[24]。研究中,植物乳桿菌和纖維素酶的添加顯著降低了油莎豆青貯的NDF和ADF含量,這與王亞芳等[25]的研究結(jié)果一致,纖維素酶對植物細(xì)胞壁的水解作用可以降低纖維含量。而單獨(dú)添加植物乳桿菌和纖維素酶油莎豆青貯NDF和ADF含量無顯著差異,但混合添加植物乳桿菌和纖維素酶油莎豆青貯NDF和ADF含量最低,對纖維素降解效果較好,與劉夢潔[26]研究結(jié)果一致,而江春[27]研究表明,植物乳桿菌發(fā)酵主要消耗含糖類物質(zhì),對木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響。這可能與發(fā)酵環(huán)境,發(fā)酵原料有關(guān)。因NDF和ADF含量的降低,RFV值自然升高。研究發(fā)現(xiàn)W3的pH值、NH3-N、NDF和ADF含量最低,DM、CP、WSC、RFV含量最高,原因是植物乳桿菌能夠有效聯(lián)合纖維素酶在發(fā)酵初期增加可利用底物數(shù)量和種類,提高利用WSC效率的同時抑制有害菌的活動,促進(jìn)了青貯的有益發(fā)酵。
青貯接觸空氣后呼吸作用增加,好氧腐敗菌開始大量擴(kuò)散和增殖,青貯飼料溫度隨之升高,同時分解乳酸,使pH值升高,有害菌(如酵母菌、霉菌)活動頻繁,從而造成腐敗。有氧穩(wěn)定時間越短有氧穩(wěn)定性越差,越容易發(fā)生有氧腐敗,試驗(yàn)中添加劑處理的有氧穩(wěn)定性均較對照組好,W3處理>W1處理>W2處理>CK處理。因?yàn)樘砑又参锶闂U菌和纖維素酶后發(fā)酵底物充足,造成較低pH環(huán)境,抑制了腐敗菌的增殖。同型發(fā)酵乳酸菌產(chǎn)生的環(huán)二肽、苯乳酸和羥基脂肪酸對酵母菌和霉菌有明顯的抑制作用[28-29],有助于有氧穩(wěn)定性的提高;W2組有氧穩(wěn)定時間延長主要是由于添加的纖維素酶抑制了腐敗菌的增殖[30]。W3組有氧穩(wěn)定性最高,達(dá)115 h,可能是由于植物乳桿菌和纖維素酶的協(xié)同作用使青貯發(fā)酵效果最佳,較低的pH環(huán)境下,好氧腐敗菌數(shù)量較少不易生長,延長了有氧穩(wěn)定性的時間。
不同添加劑對油莎豆青貯中飼料青貯品質(zhì)和有氧穩(wěn)定性有顯著影響。添加植物乳桿菌(0.2%)+纖維素酶(0.5%)的處理綜合價(jià)值評分最高(0.93)?;旌咸砑又参锶闂U菌和纖維素酶的油莎豆青貯,開袋后在發(fā)酵品質(zhì),提高有氧穩(wěn)定性方面均優(yōu)于單一添加植物乳桿菌(0.2%)或單一添加纖維素酶(0.5%)的油莎豆青貯。