Effects of different Lactobacillus combinations on fermentation quality and in vitro rumen fermentation characteristics of rape straw

doi:10.11686/cyxb2024074

Abstract

Abstract:

This experiment was designed to investigate the effects of Lactobacillus plantarum and Lactobacillus brucei on the conventional nutrient composition and protein fraction of rape （Brassia campestris） straw， and in vitro rumen fermentation parameters in yaks. Four treatment groups with five replicates in each group were set up， including a control group （CON； without any bacterial preparation）， an LP group （with 1.0 g·kg^-1L. plantarum）， an LB group （with 1.0 g·kg^-1L. brucei）， and an LPB group （with 1.0 g·kg^-1L. plantarum+1.0 g·kg^-1L. brucei）. Rape straw was used as fermentation substrate. The rape straw was cut to 2 cm lengths and mixed well with the bacterial preparation， then packed into polyethylene bags. The bags were evacuated and anaerobically fermented at room temperature for 45 days. Samples were taken to determine the nutrient composition， Cornell net carbohydrate and protein （CNCPS） system data， and yak in vitro rumen fermentation parameters of the straws. The results showed that： 1） Compared with the CON group， the pH values of the LP， LB， and LPB groups were decreased （P<0.05）， and lactic acid content was increased （P<0.05）， with the highest values recorded in the LPB group. 2） Compared with the CON group， the neutral detergent fiber （NDF）， acid detergent fiber （ADF）， and cellulose content of the LP， LB， and LPB groups were decreased， and the ether extract content was increased （P<0.05）. Furthermore， the NDF， ADF， and acid detergent lignin levels （ADL） in the LPB group were lower than those in the other two treatment groups （P<0.05）. 3） Compared with the CON group， the rapidly degraded protein （PB1） and moderately degraded protein （PB2） in each treatment group did not change significantly （P>0.05）. The content of non-protein nitrogen （PA1） in the LPB group increased （P<0.05）， and the content of unavailable protein （PC） decreased （P<0.05）. The content of unavailable fiber （CC） in each treatment group decreased （P<0.05）， and the content of available fiber （CB2） and non-structural carbohydrates （NSC） increased （P<0.05）， compared to CON. The content of CC in the LPB group was lower than that in CON， LP and LB groups （P<0.05）. 4） After 72 hours in vitro gas production of rape straw， there was no significant difference in rumen fluid pH among the groups （P>0.05）. The NH₃-N content in each group was lower than that in the CON group （P<0.05）. The dry matter degradation rate （DMD） and volatile fatty acid （VFA） content in the LPB group were higher than those in the CON group （P<0.05）. In conclusion， the anaerobic fermentation of rape straws inoculated with bacterial preparations improved the nutritional value of the rape straws， and different bacterial preparations differed in their efficacy. On a multivariate comparative score， the treatments ranked： L. plantarum+L. brucei>L. plantarum>L. brucei.

Key words: rape straw, Cornell net carbohydrate and protein system, bacterial preparation, invitro fermentation

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Figures/Tables 9

Table 1 Nutritional composition of rape straw （air-dry basis， %）

项目Items	含量Content
干物质Dry matter （DM）	94.80
粗灰分Crude ash （ash）	6.57
粗脂肪Ether extract （EE）	2.01
粗蛋白质Crude protein （CP）	3.91
中性洗涤纤维Neutral detergent fiber （NDF）	74.70
酸性洗涤纤维Acid detergent fiber （ADF）	54.80
酸性洗涤木质素Acid detergent lignin （ADL）	11.20

Table 2 The design of experiment （g·kg-1）

原料Raw material	处理组Treatment	菌制剂Bacterial preparation	添加量Additive amount
油菜秸秆 Rape straw	CON	无添加No additives	0
	LP	植物乳杆菌L. plantarum	1
	LB	布氏乳杆菌L. brucei	1
	LPB	植物乳杆菌+布氏乳杆菌L. plantarum+L. brucei	1+1

Table 3 Calculation formula of Cornell net carbohydrate and protein system component

项目Items	计算公式Formula
总碳水化合物Carbohydrate （CHO，%DM）	$100 - C P (% D M) - E E (% D M) - A s h (% D M)$
不可利用纤维Unavailable fiber （CC，%CHO）	$100 × [N D F (% D M) × 0.01 × A D L (% N D F) × 2.4] / C H O (% D M)$
可利用纤维Available fiber （CB2，%CHO）	$N S C ? (% D M) - C A 1 (% D M) - C A 2 (% D M) - C A 3 (% D M) - C A 4 (% D M) - C B 1 (% D M)$
非结构性碳水化合物Non-structural carbohydrates （NSC，%CHO）	$C H O (% D M) - N D F (% D M)$
非蛋白氮Non-protein nitrogen （PA1，%CP）	$N (% S P) × [S P (% C P) / 100] × [C P (% D M) / 100]$
快速降解蛋白质Rapidly degraded protein （PB1，%CP）	$C P (% D M) - P A 1 (% D M) - P A 2 ? (% D M) - P B 2 ? (% D M) - P C (% D M)$
中速降解蛋白质Moderately degraded protein （PB2，%CP）	$N D I P (% C P) - A D I P (% C P) × C P (% D M) × 100$
可溶性真蛋白质Soluble true protein （PA2，%CP）	$[S P (% C P) × C P (% D M)] / 100 - P A 1 (% D M)$
不可降解蛋白质Unavailable protein （PC， %CP）	$A D I P (% C P) × C P (% D M) / 100$

Table 3 Calculation formula of Cornell net carbohydrate and protein system component

项目Items	计算公式Formula
总碳水化合物Carbohydrate （CHO，%DM）	$100 - C P (% D M) - E E (% D M) - A s h (% D M)$
不可利用纤维Unavailable fiber （CC，%CHO）	$100 × [N D F (% D M) × 0.01 × A D L (% N D F) × 2.4] / C H O (% D M)$
可利用纤维Available fiber （CB2，%CHO）	$N S C ? (% D M) - C A 1 (% D M) - C A 2 (% D M) - C A 3 (% D M) - C A 4 (% D M) - C B 1 (% D M)$
非结构性碳水化合物Non-structural carbohydrates （NSC，%CHO）	$C H O (% D M) - N D F (% D M)$
非蛋白氮Non-protein nitrogen （PA1，%CP）	$N (% S P) × [S P (% C P) / 100] × [C P (% D M) / 100]$
快速降解蛋白质Rapidly degraded protein （PB1，%CP）	$C P (% D M) - P A 1 (% D M) - P A 2 ? (% D M) - P B 2 ? (% D M) - P C (% D M)$
中速降解蛋白质Moderately degraded protein （PB2，%CP）	$N D I P (% C P) - A D I P (% C P) × C P (% D M) × 100$
可溶性真蛋白质Soluble true protein （PA2，%CP）	$[S P (% C P) × C P (% D M)] / 100 - P A 1 (% D M)$
不可降解蛋白质Unavailable protein （PC， %CP）	$A D I P (% C P) × C P (% D M) / 100$

Table 4 Effects of different bacterial preparations on the fermentation quality of rape straw （n=5）

项目 Items	处理Treatment				标准误 Standard error	P 值 P-value
项目 Items	CON	LP	LB	LPB	标准误 Standard error	P 值 P-value
pH	5.56a	4.76c	4.73c	5.09b	0.11	0.001
乳酸Lactic acid （mmol·L^-1）	4.13c	4.61c	5.02b	5.56a	0.07	0.001
乙酸Acetic acid （mmol·L^-1）	3.93	3.86	4.11	4.51	0.35	0.564
氨态氮NH₃-N （mmol·L^-1）	3.78	3.77	3.10	2.95	0.15	0.176

Table 5 Effects of different bacterial preparations on the nutrient composition of rape straw （n=5， %）

项目 Items	处理Treatment				标准误 Standard error	P 值 P-value
项目 Items	CON	LP	LB	LPB	标准误 Standard error	P 值 P-value
有机物Organic matter （OM）	86.8	87.0	87.0	86.1	0.53	0.642
粗灰分Crude ash （Ash）	9.69a	8.13c	7.47d	8.47b	0.37	0.004
粗脂肪Ether extract （EE）	1.84c	2.77a	2.53ab	2.11bc	0.20	0.023
粗蛋白质Crude protein （CP）	4.73	4.42	4.70	4.82	0.14	0.256
中性洗涤纤维Neutral detergent fiber （NDF）	72.5a	67.7b	65.8c	63.2d	0.20	0.001
酸性洗涤纤维Acid detergent fiber （ADF）	52.9a	49.0b	46.9c	42.6d	0.31	0.003
可溶性碳水化合物Soluble carbohydrates （WSC）	1.44b	1.48b	1.60a	1.67a	0.04	0.021
半纤维素Hemicelluloses （HE）	19.6b	18.7c	18.9bc	20.6a	0.22	0.001
纤维素Cellulose （CE）	43.5a	42.4b	40.5c	36.3d	0.29	0.004

Table 6 Effects of different bacterial preparations on the Cornell net carbohydrate and protein system components of rape straw （n=5）

项目 Items	处理Treatment				标准误 Standard error	P值 P-value
项目 Items	CON	LP	LB	LPB	标准误 Standard error	P值 P-value
淀粉Starch （%NSC）	0.61	0.65	0.68	0.65	0.030	0.342
酸性洗涤木质素Acid detergent lignin （ADL，%NDF）	9.43ab	9.87a	9.57a	8.94b	0.190	0.025
非蛋白氮None-protein nitrogen （PA1，%CP）	2.19	2.00	1.80	2.01	0.002	0.653
可溶性蛋白Soluble protein （SP，%CP）	2.71a	2.16ab	1.96b	1.88b	0.001	0.041
中性洗涤不溶蛋白Neutral detergent insoluble protein （NDIP，%CP）	1.99a	1.52bc	1.61ab	1.19c	0.001	0.001
酸性洗涤不溶蛋白Acid detergent insoluble protein （ADIP，%CP）	1.32a	0.86b	0.97b	0.84b	0.050	0.001

Table 7 Carbohydrate content calculated based on Cornell net carbohydrate and protein system components （n=5）

项目 Items	处理Treatment				标准误 Standard error	P值 P-value
项目 Items	CON	LP	LB	LPB	标准误 Standard error	P值 P-value
可利用纤维Available fiber （CB2，%CHO）	2.24d	11.9c	14.0b	16.2a	0.68	0.013
可消化纤维Digestible fiber （CB3，%CHO）	57.5a	53.5b	52.7b	51.6c	0.28	0.001
不可利用纤维Unavailable fiber （CC，%CHO）	23.5a	17.7b	17.0b	15.2c	0.41	0.001
非结构性碳水化合物Non-structural carbohydrates （NSC，%CHO）	11.0c	12.7c	14.8b	17.0a	0.67	0.001
总碳水化合物Carbohydrates （CHO，%DM）	83.4	83.9	84.4	83.7	0.50	0.562

Table 8 Protein component content calculated based on Cornell net carbohydrate and protein system components （n=5， %）

项目 Items	处理Treatment				标准误 Standard error	P值 P-value
项目 Items	CON	LP	LB	LPB	标准误 Standard error	P值 P-value
非蛋白氮Non-protein nitrogen （PA1）	27.0b	27.5b	28.8b	30.9a	1.35	0.003
可溶性真蛋白Souble true protein （PA2）	11.0b	25.8a	26.3a	25.9a	1.45	0.001
快速降解蛋白质Rapidly degraded protein （PB1）	11.20	7.41	7.41	12.24	2.68	0.321
中速降解蛋白质Moderately degraded protein （PB2）	15.5	11.2	13.6	14.9	2.46	0.614
不可降解蛋白质Unavailable protein （PC）	26.4a	19.5b	20.7b	17.9b	1.14	0.004

Table 9 Effects of different bacterial preparations on in vitro fermentation parameters of rape straw （n=5）

项目 Items	处理Treatment				标准误 Standard error	P值 P-value
项目 Items	CON	LP	LB	LPB	标准误 Standard error	P值 P-value
产气量Gas production （mL）
8 h	7.4	7.5	7.6	8.1	0.61	0.852
16 h	12.1	13.5	13.6	15.7	1.09	0.184
24 h	41.8b	59.4a	48.7b	62.4a	3.49	0.002
36 h	57.3c	77.4ab	70.9b	85.8a	3.99	0.001
48 h	72.9c	88.3ab	85.9bc	102.5a	4.74	0.004
72 h	86.5b	99.1ab	102.3ab	115.1a	5.54	0.024
干物质降解率和发酵指标Dry matter degradation rate and fermentation index
pH	6.48	6.46	6.47	6.55	0.02	0.072
干物质降解率Dry matter degradation rate （DMD， %）	37.9c	41.5ab	40.5b	42.7a	0.01	0.001
氨态氮NH₃-N （mmol·L^-1）	16.2a	14.0b	12.0c	13.1bc	0.62	0.001
微生物蛋白Microprotein （MCP，mmol·L^-1）	4.45	5.14	4.89	4.69	0.17	0.063
乙酸Acetate （mmol·L^-1）	36.1c	50.2ab	42.6bc	56.5a	3.33	0.002
丙酸Propionate （mmol·L^-1）	21.4c	28.1ab	25.2bc	33.1a	1.66	0.011
丁酸Butyrate （mmol·L^-1）	2.56b	3.72ab	3.51b	5.19a	0.55	0.034

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