作者简介:陶莲(1984-),女,达斡尔族,内蒙古呼伦贝尔人,博士。E-mail: cautaolian@163.com
本研究以玉米秸秆为研究对象,探讨酶制剂、菌制剂以及酶制剂与菌制剂混合处理对玉米秸秆青贮料发酵品质、营养成分以及瘤胃降解率的影响。玉米秸秆(干物质含量为42%~44%)用青贮切碎机切短至2 cm,将各处理青贮剂溶于蒸馏水,与原料混合均匀后,装入聚乙烯袋(24 cm×40 cm)中,每袋1 kg,然后用真空包装机抽真空封口,室温贮藏45 d后开封取样。采用实验室化学分析法及半体内试验测定发酵品质、营养成分和瘤胃降解率。结果表明,1)与对照组相比,菌制剂(LAB1 和LAB2)处理组pH值和NH3-N含量均显著降低( P<0.05),乳酸(LA)含量、有机物(OM)及可溶性碳水化合物(WSC)保存量、干物质(DM)、OM、粗蛋白(CP)的瘤胃降解率显著增加( P<0.05);菌制剂处理组的WSC含量显著高于对照组和酶制剂处理( P<0.05)。2)与对照组相比,酶制剂(CE1和CE2)处理组pH值、NH3-N含量、中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)、纤维素均显著降低( P<0.05),乳酸(LA)含量、有机物(OM)及可溶性碳水化合物(WSC)保存量、干物质(DM)、OM、粗蛋白(CP)的瘤胃降解率显著增加( P<0.05);有降低酸性洗涤木质素(ADL)含量的趋势,但是差异不显著( P>0.05)。3)酶菌复合处理组(MCL1和MCL2)pH值最低( P<0.05),NDF、纤维素在瘤胃中降解能力显著高于其他处理组( P<0.05),ADL降解率在数值上高于其他组,但差异不显著( P>0.05);与对照组相比,酶菌混合处理组能够降低NDF、ADF、纤维素含量( P<0.05)。综上,酶菌复合添加剂喷洒到秸秆中进行青贮发酵后,能够有效破除玉米秸秆青贮饲料的特殊的木质素-纤维素-半纤维素复合体结构,改善秸秆青贮饲料的发酵品质,提高营养物质的保存量及反刍动物瘤胃对秸秆营养物质的降解率,从而提高秸秆的可利用率,其中MCL2处理组效果最佳。
A study has been undertaken to investigate the effects of probiotics on the fermentation quality, nutrition composition and in situ ruminal degradability of corn stalk silage. Green corn stalk without ears (dry matter=42%-44%) was chopped to 2 cm lengths and then 1 kg of chopped corn stalk was packed with additives (zymin, fungus-preparation, and a mixture of the zymin and fungus-preparation) in polyethylene bags (24 cm×40 cm) using a vacuum packager. After 45 days of fermentation at room temperature, the corn stalk silage’s fermentation quality, nutrition composition and in situ ruminal degradability were analyzed using laboratory chemical methods and in situ technology. The results showed that, compared to the control, the pH value and ammonia nitrogen (NH3-N) content of the two lactobacillus (LAB1 and LAB2) treatments decreased ( P<0.05), whereas contents of lactate acid (LA), organic matter (OM), water soluble carbohydrates (WSC), and the in situ ruminal degradability of DM, OM and crude protein (CP) increased significantly ( P<0.05). The addition of lactobacillus increased WSC content ( P<0.05) compared with the control and cellulase treatments. Compared with the control, the pH value, NH3-N content, neutral detergent fiber (NDF), acid detergent fiber (ADF), and cellulose content of the cellulase treatments (CE1 and CE2) significantly decreased ( P<0.05). Furthermore, the acid detergent lignin (ADL) content had a decreasing trend ( P>0.05). The mixture of cellulase and lactobacillus treatments (MCL1 and MCL2) had the lowest pH value and the highest in situ degradation of NDF and cellulose compared with other treatments ( P<0.05). In addition, in situ degradation of ADL increased but did not reach significance ( P>0.05). Compared with the control, the NDF, ADF and cellulose contents of the cellulase and lactobacillus mixture treatments significantly decreased ( P<0.05). In conclusion, the application of cellulase and lactobacillus mixtures to the fermentation of corn stalk contributed to the breakdown of lignin-cellulose-hemicellulose composite structures and the improvement of fermentation quality, which consequently resulted into high nutrient digestibility and utilization efficiency. The MCL2 treatment had the best effect in this regard.
玉米秸秆由细胞壁和细胞内容物组成, 细胞壁所占比例一般在80%以上。细胞内容物几乎能够被完全消化, 而细胞壁中的木质素和半纤维素相互交联并将纤维素镶嵌于内, 以牢固的醚键或酯键连接。同时, 木质素又包围着纤维素形成一种外围基质, 致使微生物和酶对半纤维素、纤维素的降解受到抑制, 而且动物体内又缺乏降解木质素的酶[1]。因此, 秸秆细胞壁这种特殊的木质素-纤维素-半纤维素复合体, 限制了草食动物对半纤维素、纤维素等成分的消化和利用, 从而阻碍了秸秆细胞内营养物质的释放, 导致直接饲喂秸秆时家畜消化率降低[1]。有研究表明, 经过青贮处理后, 玉米秸秆不仅能保持青绿饲料的青鲜状态, 具有明显的酸甜芳香气味, 与玉米秸秆相比青贮中的粗蛋白保存量的相对比例提高3.3%~16.4%, 粗纤维含量降低5%~15%[2, 3]。有机物消化率提高4.8%~15.4%、消化能提高0.23~0.62 MJ/kg, 代谢能提高0.19~0.56 MJ/kg[4, 5]。玉米秸秆青贮时, 原料表面乳酸菌的数量有限, 同时混有不良菌种, 要使乳酸菌尽快繁殖, 每克原料必须有1× 105个以上的乳酸菌[6]。为了提高青贮品质, 在青贮过程中添加乳酸菌接种剂, 已经成为国内外青贮的主要方法。前人研究认为乳酸菌能够提高牧草的发酵品质, 保存更多的营养物质[7, 8, 9]。而纤维素酶能降解青贮原料的结构性碳水化合物为单糖或双糖, 为乳酸发酵提供更多可利用的底物。糖类的增加在青贮早期可加速乳酸菌的繁殖, 使青贮饲料pH值快速降低。这样不仅可抑制酵母菌、梭菌等有害菌的生长, 而且还可抑制青贮原料中植物酶的活性, 减少青贮早期植物呼吸作用对糖的氧化和蛋白质的水解, 保存更多的可溶性碳水化合物, 并减少青贮期间蛋白质的降解[10, 11]。本试验以玉米秸秆为研究对象, 探讨酶制剂、菌制剂以及酶制剂与菌制剂混合处理对玉米秸秆青贮料发酵品质、营养成分以及瘤胃降解率的影响, 旨在为打破玉米秸秆细胞壁的碳链结构, 提高玉米秸秆的利用率, 改善玉米秸秆青贮品质提供基础数据。
玉米秸秆:品种, 三北21。种植于河北保定, 于2014年9月26日, 摘穗后部分叶片仍然青绿, 干物质含量约为42%~44%时收割。
酶制剂:纤维素酶(≥ 5万 U/g), 木聚糖酶(≥ 50万 U/g), β -葡聚糖酶(≥ 100万 U/g), 果胶酶(≥ 30万U/g), 漆酶(≥ 1万 U/g), 粉末状, 袋装, 购自夏盛实业集团有限公司, 常温贮存。
菌制剂:植物乳杆菌(≥ 2× 1010cfu/g), 布氏乳杆菌(≥ 2× 1010cfu/g), 菌种保藏于中国农业科学院饲料研究所, 菌制剂冻干粉于4 ℃冰箱贮存。
本试验共设置7个处理组, 2个酶制剂处理组(标记为CE1和CE2), 2个菌制剂处理组(标记为LAB1和LAB2), 2个酶菌混合处理组(标记为MCL1和MCL2), 同时设置对照组(标记为CK, 表1), 各处理组原料及青贮样品各3个重复。
| 表1 试验设计 Table 1 The design of experiment |
1.3.1 青贮制作 将玉米秸秆用青贮切碎机切短至2 cm, 采用微波炉法快速检测原料含水量, 含水量约为42%~44%。之后将各处理所需用量的青贮剂(表1)分别溶于30 mL蒸馏水中, 充分搅匀后, 均匀喷洒到3 kg原料中, 混合均匀, 等分成3份, 装入聚乙烯袋(24 cm× 40 cm)中, 每袋1 kg, 然后用真空包装机(型号DZ-280/2SD)抽真空封口, 室温贮藏45 d后开封取样。对照组添加等体积蒸馏水。在制作青贮时, 取玉米秸秆原料样, 带回实验室, -20 ℃保存待检。
1.3.2 试验动物、饲养管理及瘤胃降解过程 于2015年3-5月进行瘤胃降解试验。选用6只体况正常、健康、体重(67± 1.3) kg、装有永久瘤胃瘘管的杜泊× 小尾寒羊F1代杂交羯羊, 随机分为2组, 每组3只羊, 每只羊为1个重复。试验羊单圈饲养, 每日基础日粮供给量日粮精粗比为40:60。每日于8:00和18:00饲喂两次, 共1200 g, 中午添羊草一次, 自由饮水, 预试期7 d。基础日粮组成及营养水平见表2。 准确称取2.5 g不同处理的玉米秸秆青贮粉末(65 ℃烘干48 h, 回潮24 h后, 用粉碎机粉碎, 过孔径为1 mm筛), 装入已知重量的10 cm× 6 cm尼龙袋(48 μ m)中, 每个样品设置2个平行, 放置72 h后取出[12]。每个样品3个重复, 每个重复1只羊。
| 表2 基础日粮组成及营养水平(干物质基础) Table 2 Composition and nutrient levels of the basal diet (DM basis) |
1.3.3 常规营养成分测定 青贮袋开启后, 准确称取20 g青贮饲料, 加入180 mL蒸馏水, 匀浆60 s, 先用4层粗纱布粗滤, 再用滤纸精滤后使用雷磁3C型pH计测定pH值[13]。滤液采用苯酚-次氯酸钠法测定氨态氮(NH3-N)含量[14], 使用SHIMADZE-10A型高效液相色谱分析乳酸(lactic acid, LA)、乙酸(acetic acid, AA)、丙酸(propionic acid, PA)和丁酸(butyric acid, BA)的含量。液相色谱柱的型号为KC-811, 规格为30× 8 mm, 检测器型号为SPD-M10AVP, 所用流动相为浓度为3 mmol/L的高氯酸溶液, 设定流速为1 mL/min; 设定柱温为50 ℃, 设定检测波长为210 nm, 每个样品进样量为5 μ L[13]。剩余青贮饲料于60 ℃烘干48 h, 过1 mm筛粉碎。干物质(dry matter, DM)、中性洗涤纤维(neutral detergent fiber, NDF)、酸性洗涤纤维(acid detergent fiber, ADF)和酸性洗涤木质素(acid detergent lignin, ADL)、粗蛋白(crude protein, CP)和灰分(Ash)参照张丽英[15]的方法。有机物(organic matter, OM)含量=DM-Ash, 纤维素含量(cellulose)=ADF-ADL, 半纤维素(Hemicellulose)含量=NDF-ADF, 总氮(total nitrogen, TN)含量=CP/6.25, 总酸(total acid, TA)含量=LA+AA+PA+BA。
1.3.4 瘤胃降解率测定
72 h的降解率: A(%)=(B-C)/B× 100
式中:A为待测饲料的某种营养成分瘤胃72 h的消失率(%); B为待测样品中某种营养成分含量(g); C为待测样品尼龙袋残渣中某种营养成分含量(g)[16, 17]。
用SPSS 19.0(SPSS 19.0, SPSS Inc., Chicago, IL)的One-way ANOVA程序对玉米秸秆青贮原料及发酵样品中发酵品质、营养成分及瘤胃降解率进行方差分析, P< 0.05表示差异显著。
玉米秸秆原料DM含量为317.81 g/kg 鲜重(fresh weight, FW), 木质素含量达到84.32 g/kg DM, 降解率仅为1.03%, 说明其在未经处理情况下木质素在瘤胃中几乎不能被降解。OM、CP、NDF、纤维素和半纤维素降解率为23.01%~30.89%, ADF降解率仅为13.43%(表3)。
| 表3 玉米秸秆原料营养物质含量及瘤胃降解率 Table 3 The contents of nutrition composition and in situ ruminal degradability of 72 h of the corn stalk stuff |
如表4所示, 各处理组青贮后, 与对照组相比, 各处理pH值和NH3-N/TN含量均显著降低(P< 0.05), 乳酸含量显著增加(P< 0.05), 其中MCL1和MCL2处理组pH值最低, MCL2处理组乳酸含量最高。LAB2和MCL2处理组乙酸含量高于其他处理组(P< 0.05)。各处理组丙酸差异不显著(P> 0.05), 丁酸未被检测到。玉米秸秆经过青贮发酵后, 乳酸占总酸含量均为850 g/kg以上。
| 表4 添加剂处理对玉米秸秆青贮饲料发酵品质的影响 Table 4 The effect of additives on the fermentation quality of the corn stalk silages |
由表5可知, 酶制剂、乳酸菌、酶菌混合各处理组可以增加玉米秸秆青贮中的WSC含量(P< 0.05), 其中乳酸菌处理组(LAB1和LAB2)及酶菌混合处理组的WSC含量显著高于对照组和酶制剂处理(P< 0.05)。由表5和表6综合分析可知, 与对照组相比, 酶制剂、乳酸菌、酶菌混合处理组的玉米秸秆青贮中DM和CP含量差异不显著(P> 0.05); 然而, 除LAB1组提高CP降解率效果不明显外, 各种添加剂处理组均能够提高DM和CP的瘤胃降解率(P< 0.05), 说明3种添加剂可能与瘤胃微生物存在不同程度的协同作用。3种添加剂均能够提高玉米秸秆青贮中的OM含量及其72 h瘤胃降解率(P< 0.05)。酶制剂处理组(CE1和CE2)及酶菌混合处理组(MCL1和MCL2)能够降低玉米秸秆青贮中NDF、ADF、纤维素含量(P< 0.05), 有降低ADL含量的趋势, 但是差异不显著(P> 0.05); 其中2个酶菌混合处理组(MCL1和MCL2)中NDF、纤维素在瘤胃中降解能力显著高于其他处理组(P< 0.05), 木质素降解率在数值上高于其他组, 但差异不显著(P> 0.05)。
| 表5 青贮饲料中干物质含量和营养成分含量 Table 5 The contents of dry matter and nutrition composition of the silages |
| 表6 青贮饲料干物质及营养物质72 h瘤胃降解率 Table 6 The in situ ruminal degradability of 72 h of the silages % |
对于纤维素酶, 有研究者认为其与对照组相比能够降低青贮pH、氨态氮、NDF和ADF的含量, 增加可溶性碳水化合物、乳酸的含量[18, 19, 20]。王安等[21]发现, 添加纤维素复合酶使玉米青贮饲料NDF和ADF的含量显著降低。马慧等[22]报道纤维素酶能提高玉米秸青贮中CP含量, 降低NDF与ADF含量, 并增加玉米秸青贮的DM与CP在奶牛瘤胃中的有效降解率。本研究中, 酶制剂处理组青贮后, 与对照组相比, pH值、氨态氮、NDF和ADF含量均显著降低(P< 0.05), 而乳酸含量及保存的OM及WSC含量显著增加(P< 0.05), 与其研究结果相似。原因可能是纤维素酶攻击糖苷键, 使细胞壁结构松散, 同时对木质素进行侧链氧化和甲基化, 然后木质素中的苯环被解链, 并进一步降解使得其松软, 表面积增大, 微生物与其接触面积增大, 从而促进纤维组分的降解[23, 24]。此外, 2个纤维素酶处理组均能够增加DM, NDF, ADF, 纤维素72 h瘤胃降解率, 其中尽管差异不显著, 但CE2处理组中ADL含量与对照组相比下降(3.73%比0.01%), 且ADF瘤胃降解率显著高于CE1处理组。这说明纤维素酶, 木聚糖酶, β -葡聚糖酶, 果胶酶, 漆酶的协同作用, 可有效破坏植物细胞壁结构, 使细胞内容物溶解释放出来, 并由淀粉酶和蛋白酶进一步降解。同时也提高非淀粉多糖的消化率, 提高饲料原料的利用率[25, 26]。与此研究结果相似, 何长芳等[27]用含有纤维素酶、木聚糖酶、β -葡聚糖酶、果胶酶、糖化酶、菌体蛋白、维生素和矿物质的复合酶处理过的小麦秸秆饲喂90只体重相近的健康青海半细毛羔羊, 结果发现酶贮小麦秸秆组羊比对照组增重1.71 kg, 提高幅度达19.95%, 差异显著(P< 0.05), 说明纤维素酶能够提高秸秆纤维组分的瘤胃降解率。而与对照组相比, 酶制剂、酶菌混合处理组的玉米秸秆青贮中CP含量差异不显著(P> 0.05), 与马慧等[22]研究结果不同, 原因可能是因为本实验采用的是青贮塑料袋密封发酵法。然而两种处理组仍然能够提高CP的瘤胃降解率(P< 0.05), 可能是酶制剂能够在青贮发酵过程中破坏纤维结构, 从而打破纤维结构对蛋白组分的束缚结构[26], 从而提高蛋白消化率。Sheperd等[25]的研究结果表明, 不同剂量的纤维素酶处理全株玉米青贮均不影响在青贮发酵过程中有机酸的生成。这可能是由于全株玉米中含有籽粒, 本身所含的可发酵底物就比较高, 使得添加纤维素酶对其青贮发酵品质影响不大。
Cai等[28]认为青贮饲料发酵初期, 片球菌起着非常重要的作用, 植物原料在收获制作成青贮饲料后, 最先进行发酵的是粪链球菌(Streptococcus faecalis)和肠膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroides), 接着被更耐酸的菌株, 如植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)、短乳杆菌(Lactobacillus brevis)、布氏乳杆菌(Lactobacillus buchneri)等取代。吕文龙等[29]发现添加植物乳杆菌有增加不带穗青玉米秸青贮发酵过程乳酸菌含量的趋势, 降低了发酵末期的 pH值(P< 0.05), 有增加发酵过程乳酸含量的趋势(P> 0.05), 提高了发酵末期青贮饲料干物质含量(P< 0.05), 降低了残留水溶性碳水化合物含量、发酵末期粗蛋白含量以及干物质消化率(P< 0.05)。Salawu等[30]发现, 应用植物乳杆菌可以增加豌豆-小麦青贮氮和NDF在瘤胃中的消化率。傅彤[31]发现植物乳杆菌及布氏乳杆菌的混合使用能够降低玉米秸青贮的pH值, 增加乳酸和乙酸的含量, 减少丁酸、ADF和NDF的含量。植物乳杆菌及布氏乳杆菌混合处理的玉米秸秆青贮比对照组产奶量平均每天每头增加了0.65 kg, 乳脂率提高了0.11个百分点, 且适口性好。吕文龙等[29]认为布氏乳杆菌能够提高玉米秸秆青贮料的pH值和乙酸含量, 降低乳酸含量和乳酸乙酸比例。本实验中, 2组乳酸菌处理组均能显著降低pH值、氨态氮含量(P< 0.05), 增加乳酸含量及保存的OM及WSC含量显著增加(P< 0.05), 与上述报道结果部分相符。但两组乳酸菌处理组均未能显著降低NDF和ADF含量, 且各营养成分消化率与对照相比有降低趋势, 但差异不显著, 说明乳酸菌在降低纤维含量及改善瘤胃降解方面作用有限, 原因可能是玉米秸秆中木质素、纤维素、半纤维素含量较高, 而乳酸菌青贮处理中缺少相关的纤维素降解酶, 不能对木质素-纤维素-半纤维素复合体结构产生实质的影响。此外, 植物乳杆菌与布氏乳杆菌混合处理组与植物乳杆菌处理相比, 乙酸含量增加11.75%。乙酸是很好的抗真菌物质, 其含量的增加能够抑制青贮料中酵母的生长繁殖, 从而增加青贮的有氧稳定性。原因可能为LAB2处理组添加了布氏乳杆菌, 而布氏乳杆菌属于异型发酵乳酸菌, 它对青贮料发酵的影响主要是降低乳酸的含量, 增加乙酸的生成量[31]。
有些学者把纤维素酶和乳酸菌制剂混合使用, 他们认为添加剂混合使用后减少青贮料的NDF、ADF、半纤维素和纤维素含量[32, 33]。本实验中, 两组酶菌混合处理组与对照组、酶制剂处理组、菌制剂处理组相比, pH值和氨态氮降低, 乳酸、WSC含量、NDF、纤维素瘤胃降解率显著增加(P< 0.05), 与前人研究结果存在相似性。说明其改善玉米秸秆青贮品质效果显著高于酶制剂或者菌制剂单独使用。原因可能是纤维素酶的协同作用能够使纤维素链间及链内氢键打开, 形成无序的非结晶的纤维素, 进而秸秆中的纤维成分能够被降解成为单糖或双糖, 而糖类的增加在青贮早期植物乳杆菌和布氏乳杆菌的快速繁殖, 使青贮饲料pH值快速降低, 从而缩短青贮发酵期, 提高青贮品质, 改善青贮的消化率[34]。
酶菌复合添加剂喷洒到秸秆中进行青贮发酵后, 能够有效破除玉米秸秆青贮饲料的特殊的木质素-纤维素-半纤维素复合体结构, 改善秸秆青贮饲料的发酵品质, 提高营养物质的保存量及反刍动物瘤胃对秸秆营养物质的降解率, 从而提高秸秆的可利用率, 效果最佳。
The authors have declared that no competing interests exist.
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