酶制剂对水稻秸秆青贮发酵品质及体外消化特性的影响

doi:10.11686/cyxb2021312

摘要/Abstract

摘要：

为探讨纤维素酶、木聚糖酶及两种酶组合添加对水稻秸秆青贮过程中结构性、水溶性碳水化合物组分含量及体外消化特性和发酵品质的影响，试验设4个处理组：1）0.3%蒸馏水（对照组，CO）；2）0.3%纤维素酶（CE）；3）0.3%木聚糖酶（XE）；4）0.15%纤维素酶+0.15%木聚糖酶（组合酶组，CX），分别于青贮3、7、14、30 d后取样分析。结果表明，与CO相比，CE、XE和CX组显著提高了乳酸、葡萄糖、果糖和蔗糖含量，显著降低了pH值、氨态氮、总挥发性脂肪酸、酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维、纤维素和半纤维素含量，减少了干物质损失（P<0.05）。酶制剂显著提高了水稻秸秆青贮饲料24、48和72 h时的累积产气量和干物质体外消化率（P<0.05）。青贮末期CX组有最高的乳酸含量（34.13 g·kg^-1 DM）、体外产气量（68.27 mL）、干物质体外消化率（61.31%）和最低的pH值（4.36）。与CE和XE相比，CX组水溶性碳水化合物（葡萄糖、果糖和蔗糖）含量更高。综上所述，添加酶制剂可促进结构性碳水化合物的降解，提高水溶性碳水化合物的含量，改善水稻秸秆青贮发酵品质及体外消化率，与CE和XE相比，CX组发酵品质、碳水化合物的降解转化和体外消化特性更好。

关键词: 纤维素酶, 木聚糖酶, 水稻秸秆, 发酵品质, 体外消化特性

Abstract:

This research investigated the effects of cellulase， xylanase and their combination on the structural and water-soluble carbohydrate components， in vitro digestion characteristics and fermentation quality of rice straw silage. Four treatments were set up as follows： 1） 0.3% distilled water， control （CO）； 2） 0.3% cellulase （CE）； 3） 0.3% xylanase （XE）； 4） a mixture of 0.15% cellulase and 0.15% xylanase， combined enzyme group （CX）. Samples were taken and analyzed after 3， 7， 14 and 30 days of ensiling. Compared to the CO treatment， CE， XE and CX treatments had significantly （P<0.05） higher lactic acid， glucose， fructose and sucrose contents， but significantly （P<0.05） lower pH values， ammonia nitrogen， total volatile fatty acid， acid detergent fiber， neutral detergent fiber， cellulose and hemicellulose contents and dry matter loss. The enzyme additives significantly （P<0.05） increased the cumulative gas production at 24， 48 and 72 hours and in vitro dry matter digestibility of rice straw silage. The CX treatment had the highest （P<0.05） lactic acid content （34.13 g·kg^-1 DM）， in vitro gas production （68.27 mL）， in vitro dry matter digestibility （61.31%） and the lowest pH value （4.36） at the end of ensiling. In addition， the CX group had numerically （P>0.05） or significantly （P<0.05） higher glucose， fructose and sucrose contents than CE and XE groups during ensiling. In summary， the addition of enzymes promoted the degradation of structural carbohydrates， increased the water-soluble carbohydrate content， and improved the fermentation quality and in vitro digestibility of rice straw silage. The CX treatment performed better than the CE and XE treatments， as indicated by superior fermentation quality， higher carbohydrate degradation and conversion， and better in vitro digestion characteristics.

Key words: cellulase, xylanase, rice straw, fermentation quality, in vitro digestion characteristics

吴永杰, 丁浩, 邵涛, 赵杰, 董东, 代童童, 尹雪敬, 宗成, 李君风. 酶制剂对水稻秸秆青贮发酵品质及体外消化特性的影响[J]. 草业学报, 2022, 31(8): 167-177.

Yong-jie WU, Hao DING, Tao SHAO, Jie ZHAO, Dong DONG, Tong-tong DAI, Xue-jing YIN, Cheng ZONG, Jun-feng LI. Effects of enzyme additives on fermentation quality and in vitro digestion characteristics of rice straw silage[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2022, 31(8): 167-177.

图/表 8

参考文献 36

1	Shi Z L， Jia T， Wang Y J， et al. Comprehensive utilization status of corp straw and estimation of carbon from burning in China.Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning， 2017， 38（9）： 32-37.
	石祖梁，贾涛，王亚静，等. 我国农作物秸秆综合利用现状及焚烧碳排放估算. 中国农业资源与区划， 2017， 38（9）： 32-37.
2	Feng W X， Tao L， Chen G S， et al. Recent advance in the biodegradation technique of wheat and rice straw as ruminant feed. China Herbivore Science， 2016， 36（3）： 59-62.
	冯文晓，陶莲，陈国顺，等. 小麦和水稻秸秆作为反刍动物饲料资源的生物降解技术研究进展. 中国草食动物科学， 2016， 36（3）： 59-62.
3	Zhang L X， Diao Q Y， Li Y L， et al. Research progress in using biological agents to degrade anti-nutritional factor of straw.Feed Industry， 2013， 34（5）： 21-26.
	张立霞，刁其玉，李艳玲，等. 利用生物制剂破解秸秆抗营养因子的研究进展. 饲料工业， 2013， 34（5）： 21-26.
4	Zhao J P. Effect of additives on the fermentation quality and carbohydrate of rice straw silage. Nanjing： Nanjing Agricultural University， 2018.
	赵金鹏. 添加剂对水稻秸秆青贮发酵品质及碳水化合物的影响. 南京：南京农业大学， 2018.
5	Mustafa A M， Poulsen T G， Sheng K C. Fungal pretreatment of rice straw with Pleurotus ostreatus and Trichoderma reesei to enhance methane production under solid-state anaerobic digestion. Applied Energy， 2016， 180（5）： 661-671.
6	Sharma A， Singh G， Arya S. Biofuel from rice straw. Journal of Cleaner Production， 2020， 277（5）： 124101.
7	Gado H M， Salem A Z M， Robinson P H， et al. Influence of exogenous enzymes on nutrient digestibility， extent of ruminal fermentation as well as milk production and composition in dairy cows. Animal Feed Science and Technology， 2009， 154（1）： 36-46.
8	Zhao J， Dong Z H， Li J F， et al. Ensiling as pretreatment of rice straw： The effect of hemicellulase and Lactobacillus plantarum on hemicellulose degradation and cellulose conversion. Bioresource Technology， 2018， 266： 158-165.
9	Souza J M， Souza J， Sousa D O， et al. The effects of compound treatment of Aspergillus oryzae and fibrolytic enzyme on in vitro degradation， gas production and fermentative profile of maize silage and sugarcane silage. The Journal of Agricultural Science， 2021， 159（1）： 147-158.
10	Jia Y X. The effect of enzyme additives on fermentation quality of napiergrass silages. Nanjing： Nanjing Agricultural University， 2008.
	贾燕霞. 酶制剂对象草青贮发酵品质的影响. 南京：南京农业大学， 2008.
11	Zhuang S. Study on fibrolytic enzymes on forage silage quality and characteristics of rumen fermentation in vitro. Nanjing： Nanjing Agricultural University， 2011.
	庄苏. 纤维水解酶对牧草青贮品质及体外瘤胃发酵特性的研究. 南京：南京农业大学， 2011.
12	Seare T D， Yuan X J， Li J F， et al. Ensiling characteristics， structural and nonstructural carbohydrate composition and enzymatic digestibility of Napier grass ensiled with additives. Bioresource Technology， 2016， 221： 447-454.
13	Li J F， Tang X Y， Chen S F， et al. Ensiling pretreatment with two novel microbial consortia enhances bioethanol production in sterile rice straw. Bioresource Technology， 2021， DOI： 10.1016/j.biortech.2021.125507.
14	Lee S M， Guan L L， Eun J S， et al. The effect of anaerobic fungal inoculation on the fermentation characteristics of rice straw silages. Journal of Applied Microbiology， 2015， 118（3）： 565-573.
15	Colombatto D， Mould F L， Owen E. Use of fibrolytic enzymes to improve the nutritive value of ruminant diets. Animal Feed Science and Technology， 2003， 107： 201-209.
16	Ding S， Oba M， Swfit M L， et al. In vitro gas production and dry matter digestibility of malting barley grain sown with different seeding and nitrogen fertilization rates in Canada. Animal Feed Science and Technology， 2015， 199： 146-151.
17	Menke K H， Raab L， Salewski A， et al. The estimation of the digestibility and metabolizable energy content of ruminant feedingstuffs from the gas production when they are incubated with rumen liquor in vitro. The Journal of Agricultural Science， 1979， 93（1）： 217-222.
18	Liu Q H， Li X Y， Desta S T， et al. Effects of Lactobacillus plantarum and fibrolytic enzyme on the fermentation quality and in vitro digestibility of total mixed rations silage including rape straw. Journal of Integrative Agriculture， 2016， 15（9）： 2087-2096.
19	France J， Dhanoa M S， Theodorou M K， et al. A model to interpret gas accumulation profiles associated with in vitro degradation of ruminant feeds. Journal of Theoretical Biology， 1993， 163（1）： 99-111.
20	Weinberg Z G. Preservation of forage crops by solid-state lactic acid fermentation-ensiling. New York： Springer New York， 2008.
21	Yuan X J， Yu C Q， Shimojo M， et al. Improvement of fermentation and nutritive quality of straw-grass silage by inclusion of wet hulless-barley distillers’ grains in Tibet. Animal Bioscience， 2012， 25（4）： 479-485.
22	Yuan X J， Wen A Y， Guo G， et al. Effect of adding cornzyme on fermentation and nutritive quality of mixed silage of hullessbarley straw and perennial ryegrass in Tibet. Acta Veterinaria et Zootechnica Sinica， 2013， 44（8）： 1269-1276.
	原现军，闻爱友，郭刚，等. 添加酶制剂对西藏地区青稞秸秆和黑麦草混合青贮效果的影响. 畜牧兽医学报， 2013， 44（8）： 1269-1276.
23	Li L， Wu H K， Xie X X， et al. Effect of adding cellulase and strach on quality of napier grass silage. Chinese Journal of Animal Nutrition， 2021， 33（9）： 5025-5035.
	李莉，吴汉奎，解祥学，等. 添加纤维素酶和淀粉对象草青贮发酵品质的影响. 动物营养学报， 2021， 33（9）： 5025-5035.
24	Zhang L， Yu C Q， Shimojo M， et al. Effect of different rates of ethanol additive on fermentation quality of napiergrass （Pennisetum purpureum）. Asian-australasian Journal of Animal Sciences， 2011， 24（5）： 636-642.
25	Liu Q H， Zong C， Dong Z H， et al. Effects of cellulolytic lactic acid bacteria on the lignocellulose degradation， sugar profile and lactic acid fermentation of high-moisture alfalfa ensiled in low-temperature seasons. Cellulose， 2020， 27（14）： 7955-7965.
26	Tian J， Yu Y， Yu Z， et al. Effects of lactic acid bacteria inoculants and cellulase on fermentation quality and in vitro digestibility of Leymus chinensis silage. Grassland Science， 2014， 60（4）： 199-205.
27	Dehghani M R， Weisbjerg M R， Hvelplund T， et al. Effect of enzyme addition to forage at ensiling on silage chemical composition and NDF degradation characteristics. Livestock Science， 2012， 150（1）： 51-58.
28	Shao T， Ohba N， Shimojo M， et al. Changes in mono-and disaccharides compositions of guineagrass （Panicum maximum Jacq.） silage during early stages of ensiling. Journal of the Faculty of Agriculture Kyushu University， 2003， 47（2）： 333-339.
29	Filya I， Muck R E， Contreras-Govea F E. Inoculant effects on alfalfa silage： Fermentation products and nutritive value. Journal of Dairy Science， 2007， 90（11）： 5108-5114.
30	Agustinho B C， Daniel J L P， Zeoula L M， et al. Enzymatic effects of Pleurotus ostreatus spent substrate on whole-plant corn silage and performance of lactating goats. Journal of Dairy Science， 2021， 104（11）： 11660-11672.
31	Zhou E G， Wang H C， Shang Z H. Nutritional value of forage sweet sorghum and its gas production performance evaluated using incubation with sheep rumen fluid in vitro. Acta Prataculturae Sinica， 2020， 29（5）： 43-49.
	周恩光，王虎成，尚占环. 甜高粱的饲用价值及其绵羊体外瘤胃发酵产气性能研究. 草业学报， 2020， 29（5）： 43-49.
32	Meng M J， Tu Y L， Bai Y F， et al. Study of associative effects of wheat straw mixed with rice bran meal on in vitro fermentation parameters. Acta Prataculturae Sinica， 2016， 25（9）： 161-172.
	孟梅娟，涂远璐，白云峰，等. 小麦秸秆与米糠粕瘤胃体外发酵组合效应研究. 草业学报， 2016， 25（9）： 161-172.
33	Morgavi D P， Beauchemin K A， Nsereko V L， et al. Synergy between ruminal fibrolytic enzymes and enzymes from Trichoderma longibrachiatum. Journal of Dairy Science， 2000， 83（6）： 1310-1321.
34	Chen L， Li P， Gou W， et al. Effects of inoculants on the fermentation characteristics and in vitro digestibility of reed canary grass （Phalaris arundinacea L.） silage on the Qinghai-Tibetan Plateau. Animal Science Journal， 2020， DOI： 10.1111/asj.13364.
35	Ding L. Effects of distillers grains and additives on improving the quality of total mixed ration silang in Tibet. Nanjing： Nanjing Agricultural University， 2016.
	丁良. 酒糟及添加剂对提高西藏发酵全混合日粮品质的影响. 南京：南京农业大学， 2016.
36	Li M， Zi X J， Zhou H L， et al. Effects of sucrose， glucose， molasses and cellulase on fermentation quality and in vitro gas production of king grass silage. Animal Feed Science & Technology， 2014， 197： 206-212.

测定项目Item	含量Content
干物质 Dry matter （g·kg^-1 FM）	393.25
中性洗涤纤维 Neutral detergent fiber （g·kg^-1 DM）	715.12
酸性洗涤纤维 Acid detergent fiber （g·kg^-1 DM）	432.35
酸性洗涤木质素 Acid detergent lignin （g·kg^-1 DM）	65.85
纤维素 Cellulose （g·kg^-1DM）	366.50
半纤维素 Hemicellulose （g·kg^-1 DM）	294.77
水溶性碳水化合物 Water soluble carbohydrate （g·kg^-1 DM）	46.32
粗蛋白 Crude protein （g·kg^-1 DM）	61.22

测定项目Item	含量Content
干物质 Dry matter （g·kg^-1 FM）	393.25
中性洗涤纤维 Neutral detergent fiber （g·kg^-1 DM）	715.12
酸性洗涤纤维 Acid detergent fiber （g·kg^-1 DM）	432.35
酸性洗涤木质素 Acid detergent lignin （g·kg^-1 DM）	65.85
纤维素 Cellulose （g·kg^-1DM）	366.50
半纤维素 Hemicellulose （g·kg^-1 DM）	294.77
水溶性碳水化合物 Water soluble carbohydrate （g·kg^-1 DM）	46.32
粗蛋白 Crude protein （g·kg^-1 DM）	61.22

项目 Item	处理 Treatment （T）	青贮天数 Ensiling days （D）				平均 Mean	标准误 SEM	P 值 P value
项目 Item	处理 Treatment （T）	3 d	7 d	14 d	30 d	平均 Mean	标准误 SEM	处理 T	天数 D	处理×天数 T×D
乳酸 Lactic acid （g·kg^-1 DM）	CO	8.67bC	9.96cBC	11.73cB	16.52cA	11.72b	1.110	<0.001	<0.001	<0.001
	CE	11.52abC	18.93bB	24.25bA	26.39bA	20.27a
	XE	12.51aD	18.36bC	23.97bB	28.05bA	20.72a
	CX	14.50aD	21.87aC	29.83aB	34.13aA	25.04a
乙酸 Acetic acid （g·kg^-1 DM）	CO	5.78aC	8.86aB	10.06aB	15.33aA	10.01a	0.456	<0.001	<0.001	<0.001
	CE	5.28abC	7.12bB	8.09bB	13.63bA	8.53b
	XE	5.16bC	7.41bB	7.99bcB	12.80bA	8.34b
	CX	4.34cD	6.11bC	7.00cB	10.19cA	6.91c
丙酸 Propionic acid （g·kg^-1 DM）	CO	0.72aC	2.08aBC	3.03aAB	4.24aA	2.52a	0.155	<0.001	<0.001	<0.001
	CE	0.57aC	1.38bcB	1.73bB	2.94bA	1.66b
	XE	0.53aC	1.59bB	1.83bB	2.88bcA	1.71b
	CX	0.50aD	1.00cC	1.48bB	2.12cA	1.35c
丁酸 Butyric acid （g·kg^-1 DM）	CO	0.94aD	2.60aC	4.18aB	8.99aA	4.18a	0.303	<0.001	<0.001	<0.001
	CE	0.84aC	1.49bC	3.64aB	4.47bA	2.61b
	XE	1.04aD	1.93bC	3.28abB	4.84bA	2.78b
	CX	0.74aA	1.65bA	2.35bA	3.29cA	2.01c
乳酸/乙酸 Lactic acid/ acetic acid	CO	1.51cA	1.14cA	1.17cA	1.08cA	1.22c	0.136	<0.001	<0.001	<0.001
	CE	2.18bcB	2.66bAB	3.01bA	1.95bB	2.45b
	XE	2.43bB	2.48bB	3.00bA	2.19bB	2.53b
	CX	3.34aB	3.58aB	4.26aA	3.35aB	3.66a
总挥发性脂肪酸 Total volatile fatty acids （g·kg^-1 DM）	CO	7.45aD	13.54aC	17.27aB	28.57aA	16.71a	0.891	<0.001	<0.001	<0.001
	CE	6.69aD	10.00bC	13.47bB	21.04bA	12.80b
	XE	6.73aD	10.93bC	13.11bB	20.52bA	12.82b
	CX	5.58bD	8.76cC	10.83cB	15.60cA	10.61c

项目 Item	处理 Treatment （T）	青贮天数 Ensiling days （D）				平均 Mean	标准误 SEM	P 值 P value
项目 Item	处理 Treatment （T）	3 d	7 d	14 d	30 d	平均 Mean	标准误 SEM	处理 T	天数 D	处理×天数 T×D
乳酸 Lactic acid （g·kg^-1 DM）	CO	8.67bC	9.96cBC	11.73cB	16.52cA	11.72b	1.110	<0.001	<0.001	<0.001
	CE	11.52abC	18.93bB	24.25bA	26.39bA	20.27a
	XE	12.51aD	18.36bC	23.97bB	28.05bA	20.72a
	CX	14.50aD	21.87aC	29.83aB	34.13aA	25.04a
乙酸 Acetic acid （g·kg^-1 DM）	CO	5.78aC	8.86aB	10.06aB	15.33aA	10.01a	0.456	<0.001	<0.001	<0.001
	CE	5.28abC	7.12bB	8.09bB	13.63bA	8.53b
	XE	5.16bC	7.41bB	7.99bcB	12.80bA	8.34b
	CX	4.34cD	6.11bC	7.00cB	10.19cA	6.91c
丙酸 Propionic acid （g·kg^-1 DM）	CO	0.72aC	2.08aBC	3.03aAB	4.24aA	2.52a	0.155	<0.001	<0.001	<0.001
	CE	0.57aC	1.38bcB	1.73bB	2.94bA	1.66b
	XE	0.53aC	1.59bB	1.83bB	2.88bcA	1.71b
	CX	0.50aD	1.00cC	1.48bB	2.12cA	1.35c
丁酸 Butyric acid （g·kg^-1 DM）	CO	0.94aD	2.60aC	4.18aB	8.99aA	4.18a	0.303	<0.001	<0.001	<0.001
	CE	0.84aC	1.49bC	3.64aB	4.47bA	2.61b
	XE	1.04aD	1.93bC	3.28abB	4.84bA	2.78b
	CX	0.74aA	1.65bA	2.35bA	3.29cA	2.01c
乳酸/乙酸 Lactic acid/ acetic acid	CO	1.51cA	1.14cA	1.17cA	1.08cA	1.22c	0.136	<0.001	<0.001	<0.001
	CE	2.18bcB	2.66bAB	3.01bA	1.95bB	2.45b
	XE	2.43bB	2.48bB	3.00bA	2.19bB	2.53b
	CX	3.34aB	3.58aB	4.26aA	3.35aB	3.66a
总挥发性脂肪酸 Total volatile fatty acids （g·kg^-1 DM）	CO	7.45aD	13.54aC	17.27aB	28.57aA	16.71a	0.891	<0.001	<0.001	<0.001
	CE	6.69aD	10.00bC	13.47bB	21.04bA	12.80b
	XE	6.73aD	10.93bC	13.11bB	20.52bA	12.82b
	CX	5.58bD	8.76cC	10.83cB	15.60cA	10.61c

项目 Item	处理 Treatment （T）	青贮天数 Ensiling days （D）				平均值 Mean	标准误 SEM	P 值 P value
项目 Item	处理 Treatment （T）	3 d	7 d	14 d	30 d	平均值 Mean	标准误 SEM	处理 T	天数 D	处理×天数 T×D
pH	CO	5.35aA	5.21aB	5.01aC	4.93aD	5.13a	0.037	<0.001	<0.001	<0.001
	CE	5.12bA	5.08abA	4.77bB	4.69bB	4.92b
	XE	5.05bA	5.01bAB	4.83bBC	4.73bC	4.91b
	CX	4.99bA	4.77cB	4.50cC	4.36cC	4.65c
干物质 Dry matter （g·kg^-1 FM）	CO	389.17aA	383.40aA	378.63aA	376.00aA	381.81a	2.068	<0.001	<0.001	0.889
	CE	379.20aA	370.07aAB	366.73abAB	355.17aB	367.79b
	XE	382.43aA	372.40aA	357.07bA	352.87aA	366.19b
	CX	373.33aA	369.13aAB	355.50bAB	351.07aB	362.26b
氨态氮 Ammonia nitrogen （g·kg^-1 TN）	CO	23.75aB	33.15aB	49.08aA	58.67aA	41.16a	1.778	<0.001	0.0042	0.779
	CE	20.03aB	29.85aAB	39.22aA	47.62aA	34.09b
	XE	21.58aC	30.88aBC	37.74aB	46.63aA	34.20b
	CX	21.11aC	26.29aBC	36.80aAB	44.04aA	32.06b
干物质损失 Dry matter loss （g·kg^-1 DM）	CO	30.40aD	38.67aC	64.60aB	70.97aA	51.17a	2.830	<0.001	<0.001	0.500
	CE	22.50bC	36.67abB	59.43aA	67.83aA	46.60b
	XE	19.63bB	34.27bB	62.27aA	67.77aA	45.95b
	CX	11.26cD	29.73cC	52.16aB	61.00bA	38.55c