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SUN Lin, LIU Guang-hua, ZHANG Xin-xin, XUE Yan-lin, WU Xiao-guang, XIAO Yan-zi, YIN Guo-mei, LIU Si-bo, ZHANG Fu-jin. Effects of pelletizing and adding Mongolia medicinal Scutellaria baicalensis on vitamin content and chemical composition of alfalfa . Acta Prataculturae Sinica,2020,29(10): 99-108  
Doi:10.11686/cyxb2020115
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本文属于开放获取期刊。
蒙药黄芩与制粒对紫花苜蓿维生素和化学成分的影响
孙林1,2, 刘广华1, 张欣昕1, 薛艳林1, 吴晓光3, 肖燕子4, 殷国梅1, 刘思博1, 张福金1,*
1.内蒙古自治区农牧业科学院,内蒙古 呼和浩特 010031
2.中国农业大学草业科学与技术学院,北京 100193
3.内蒙古自治区土地调查规划院,内蒙古 呼和浩特 010055
4.呼伦贝尔学院农林学院,内蒙古 呼伦贝尔 021000
*通信作者. E-mail: dizhangl@163.com

作者简介:孙林(1988-),女,内蒙古清水河人,助理研究员,博士。E-mail: sunlin2013@126.com

收稿日期: 2020-03-13
基金项目:国家牧草产业技术体系(CARS-34),国家重点研发计划项目(2017YFD0502103、2016YFC0500604)和内蒙古自治区农牧业科学院青年创新基金项目(2018QNJJM03)资助
摘要

研究制粒工艺(制粒前、后)和添加黄芩(0、0.5%、1.0%、1.5%)对紫花苜蓿的营养品质、维生素含量、大肠杆菌与霉菌数量的影响,旨在了解制粒过程中紫花苜蓿的营养品质、维生素含量和微生物数量变化规律,探讨蒙药黄芩添加剂对紫花苜蓿维生素含量的保存、稳定作用。结果表明:制粒后,紫花苜蓿维生素B2、维生素B5、维生素B6含量显著降低,而维生素K1、维生素C含量显著升高;紫花苜蓿干物质和粗脂肪含量显著增加;大肠杆菌数量显著降低。添加1.5%黄芩显著提高了紫花苜蓿维生素C、维生素B2、维生素B6含量,而添加0.5%~1.0%黄芩显著降低了维生素K1含量,添加1.5%黄芩显著降低了维生素B1含量。综合两个因素的影响考虑,添加1.5%黄芩可显著提高紫花苜蓿草颗粒维生素C、维生素B6含量;添加1.5%黄芩和制粒能显著提高紫花苜蓿粗脂肪含量。

关键词: 紫花苜蓿; 黄芩; 维生素; 草颗粒; 化学成分
Effects of pelletizing and adding Mongolia medicinal Scutellaria baicalensis on vitamin content and chemical composition of alfalfa
SUN Lin1,2, LIU Guang-hua1, ZHANG Xin-xin1, XUE Yan-lin1, WU Xiao-guang3, XIAO Yan-zi4, YIN Guo-mei1, LIU Si-bo1, ZHANG Fu-jin1,*
1.Inner Mongolia Academy of Agricultural & Animal Husbandry Sciences, Hohhot 010031, China
2.College of Grassland Science and Technology, China Agricultural University, Beijing 100193, China
3.Inner Mongolia Autonomous Region Land Surveying and Planning Institute, Hohhot 010055, China
4.College of Agriculture and Forestry, Hulunbuir University, Hulunbuir 021000, China
*Corresponding author. E-mail: dizhangl@163.com
Abstract

This study investigated the changes in nutritional quality, vitamin levels and microbial population levels in dried alfalfa herbage in storage and the extent to which vitamin content in alfalfa pellets can be stabilized by adding small amounts of the Mongolian medicinal plant Scutellaria baicalensis (hereafter abbreviated SB). Data were collected on the effects of pelletizing (by measurement before and after pelletizing) and on addition of SB at a range of concentrations (0, 0.5%, 1.0%, 1.5%) on the nutritional quality, vitamin levels and population of Escherichia coli and mold incidence. It was found that after pelletizing the contents of vitamin B2, vitamin B5 and vitamin B6 decreased significantly, while the contents of vitamin K1, vitamin C, dry matter and lipids (measured by ether extraction) increased significantly, and the population of E. coli decreased significantly. The contents of vitamin C, vitamin B2 and vitamin B6 in alfalfa were significantly increased by addition of 1.5% of SB, while the content of vitamin K1 was significantly decreased by addition of 0.5%-1.0% of SB, and the content of vitamin B1 was significantly reduced by addition of 1.5% of SB. Considering the influence of the two factors, the content of vitamin C and vitamin B6 in dried alfalfa herbage in storage was significantly increased by adding 1.5% SB. The ether extract component of dried alfalfa herbage was significantly increased by addition of 1.5% SB and pelletizing.

Keyword: alfalfa; Scutellaria baicalensis; vitamin; pellet; chemical composition

紫花苜蓿(Medicago sativa)干草是我国饲喂家畜最重要的粗饲料来源。紫花苜蓿草粉营养丰富, 为(生态)乳品系统提供主要的氮源、较高的维生素含量等[1]。紫花苜蓿草粉用途广泛, 是家畜优质蛋白质、矿物质和天然维生素的补充料, 也可加工成颗粒饲料, 便于优质紫花苜蓿长期贮藏、远距离运输[2]。牧草以草颗粒形式贮藏能显著提高草颗粒的营养品质[3], 饲喂利用牧草颗粒能显著提高反刍动物生长性能和肉品质[4]。牧草经制粒时, 因温度、水分和压力等综合作用, 可以改善其中淀粉、蛋白质等成分分布情况, 增强牧草中酶的活性, 有效降低牧草中寄生虫卵和有害病原微生物的活性, 牧草的消化率可提高10%~12%[5, 6], 从而提高牧草的利用率。然而, 由于维生素微量和易破坏的结构特点, 制粒工艺中压力、温度和水分等外界因素可造成饲草20%~75%的维生素损失, 具体损失程度取决于不同牧草对加工条件的敏感度[7]。因此, 确保在紫花苜蓿制粒后草颗粒所含维生素和化学成分保持稳定至关重要。

黄芩(Scutellaria baicalensis, SB)为唇形科植物黄芩的干燥根, 药用历史悠久, 药用资源丰富, 始载于《神农本草经》[8], 在蒙医药经典著作《中国医学百科全书· 蒙医学》[9]《蒙药学》[10]《内蒙古蒙药材标准》[11]均有记载, 是蒙药制剂里常用的蒙药材之一。黄酮类化合物是黄芩中的有效成分, 其具有抗氧化、抗炎、抗菌等多种生物学特性, 能有效保护动、植物器官和细胞[12, 13]。黄芩苷(baicalin)为黄芩主要的活性成分之一, 能有效抑制多种细菌、真菌、病毒的活性[14, 15], 其作用机制主要是破坏菌体细胞膜和细胞壁的完整性[16]。黄芩苷具有清除自由基、超氧阴离子等氧自由基, 显著降低黄嘌呤氧化酶活性等作用, 是良好的抗氧化剂[17, 18]。黄芩中提取的黄芩苷可促进β 胡萝卜素的再生[19]。推测黄芩中黄酮类成分可能对紫花苜蓿制粒后草颗粒的维生素含量有稳定和提高作用, 而对大肠杆菌等微生物数量有抑制作用。但蒙药黄芩(以下简称黄芩)添加剂对紫花苜蓿制粒前后的维生素含量的影响至今未见报道。因此, 本研究旨在探讨制粒前后黄芩添加剂对紫花苜蓿的维生素和化学成分的影响。

1 材料与方法
1.1 试验地概况

试验于2016年4月1日— 2018年12月31日在内蒙古自治区农牧业科学院试验基地进行。该基地位于内蒙古自治区呼和浩特市清水河县, E 111° 43'33″, N 39° 45'15″, 属于典型的半干旱大陆性气候。年均温7.4 ℃。年均降水量410 mm, 年均日照时间2900 h, 无霜期136 d。

1.2 试验材料与设计

试验材料为种植第3年第2茬次现蕾至初花期(留茬5~6 cm)刈割的准格尔紫花苜蓿; 收获后采用不压扁自然晾晒, 适时监测含水量变化规律, 当含水量下降至12%~14%时, 用电动粉碎机(FW80型, 常州市国旺仪器制造有限公司)粉碎苜蓿干草, 粉碎粒度为5 mm。蒙药材黄芩于呼和浩特市惠丰堂药店购买, 粉碎后过1 mm筛, 备用。

试验采用黄芩粉添加比例、制粒前后4× 2[黄芩(SB)× 制粒(P)]完全随机设计。试验设置添加黄芩粉0(SB-0, 对照)、0.5%(SB-0.5)、1.0%(SB-1.0)、1.5%(SB-1.5)4个处理, 3次重复。将紫花苜蓿草粉和黄芩粉搅拌均匀, 调节其含水量为22%~24%, 制粒前取各处理样品, 待测混合草粉营养品质、维生素含量、大肠杆菌与霉菌数量。混合草粉直接经SKJ 250型颗粒机(曲阜市启航机械有限公司生产, 颗粒直径6 mm)制粒, 冷却后取样, 待测草颗粒的化学成分、维生素含量、大肠杆菌和霉菌数量。

1.3 试验方法

1.3.1 维生素含量的测定方法 100 g样品用真空冷冻干燥机(Free Zone 4.5 L, 美国密苏里州堪萨斯城LABCONCO公司)冷冻干燥2 d, 冷冻干燥的样品粉碎后过1.0 mm的筛, 每份样品设置2个平行, 采用高效液相色谱法测定维生素含量。维生素K1(VK1)、维生素C(VC)、维生素B1(VB1)、维生素B2(VB2)、维生素B3(VB3)、维生素B5(VB5)和维生素B6(VB6)含量分别参照GB 5009.158-2016[20]、GB 7303-2018[21]、GB/T 14700-2018[22]、GB/T 14701-2019[23]、GB/T 17813-2018[24]、GB/T 18397-2014[25]和GB/T 14702-2018[26]方法测定。

1.3.2 营养品质指标的测定方法 试验样品于65 ℃鼓风干燥箱烘干, 用微型植物粉碎机进行粉碎后过1 mm筛, 保存于密封袋中备用。将粉碎样品置于105 ℃烘箱中烘3 h, 测定干物质(dry matter, DM)含量; 粗蛋白质(crude protein, CP)采用半微量凯氏定氮法测定; 粗脂肪(ether extract, EE)采用索氏抽提法测定; 酸性、中性洗涤纤维(acid detergent fiber, ADF; neutral detergent fiber, NDF)采用Van Soets法测定。以上指标均参照张丽英[27]描述的方法测定。粗灰分(ASH)采用电炉碳化后, 经马弗炉550 ℃灼烧3 h后测定; 有机物质计算公式:有机质(organic matter, OM)%=干物质%-粗灰分%。

1.3.3 大肠杆菌、霉菌数量的测定方法 取各处理样品10 g, 装入盛有0.85%灭菌生理盐水90 mL的三角瓶内, 置于匀质机上拍打2 min, 采用伊红美兰培养基[28], 分别接种10-1、10-2、10-3, 共3个稀释梯度的悬浮液, 将接种好的培养皿置于30 ℃恒温培养箱, 培养24 h后选取边缘整齐、圆形、表面有光泽呈灰白色的菌落进行大肠杆菌计数。采用马铃薯培养基[29], 分别接种10-1、10-2、10-3, 共3个稀释梯度的悬浮液, 将接种好的培养皿置于25 ℃恒温培养箱培养72 h后选取培养基上菌丝细长、菌落疏松呈绒毛状面絮状的菌落进行霉菌计数。

1.4 统计分析

运用Excel 2007进行初步处理。采用SAS 9.0软件进行数据分析, 利用Duncan多重检验比较均值的差异显著性。因子数学模型为:

Yijk=μ +α i+β j+α β ij+ε ijk

式中:Yijk为观察值, μ 为均值, α i为黄芩添加量的影响(i=0、0.5%、1.0%、1.5%), β j为制粒前、后的影响(j=制粒前、制粒后); α β ij为黄芩添加量(SB)和制粒前、后(P)交互效应, 即黄芩添加量(SB)× 制粒前、后(P), ε ijk为误差。

2 结果与分析
2.1 黄芩和制粒对紫花苜蓿维生素含量的影响

黄芩添加量(P< 0.0001)和制粒(P=0.0011)对紫花苜蓿VK1含量影响显著(表1)。添加0.5%和1%黄芩显著降低了紫花苜蓿VK1含量, SB-1.5处理与SB-0无显著差异(P> 0.05)。制粒可显著提高紫花苜蓿VK1含量, 由制粒前平均3.87 mg· kg-1提高到制粒后平均4.08 mg· kg-1, 提高了5%。黄芩添加量(SB)和制粒(P)的互作效应对紫花苜蓿VK1含量无显著影响(P=0.9424)。黄芩添加量(P=0.0003)和制粒(P=0.0100)对紫花苜蓿VC含量影响显著。黄芩添加量(SB)和制粒(P)的互作效应对紫花苜蓿VC含量影响显著(P=0.0462), 添加1.5%黄芩可以显著增加紫花苜蓿草颗粒VC含量。

表1 制粒与添加黄芩对紫花苜蓿维生素K1和维生素C含量的影响 Table 1 The VK1 and VC content of alfalfa before or after pelletizing by adding different amounts of S. baicalensis (mg· kg-1)

由表2结果可知, 黄芩添加量对紫花苜蓿VB1含量影响显著(P< 0.0001), 添加1.5%黄芩显著降低了紫花苜蓿的VB1含量, 而其他黄芩处理对紫花苜蓿VB1含量无显著影响; 制粒(P=0.8716)和两因素互作效应(P=0.3528)对紫花苜蓿VB1含量无显著影响。制粒显著降低了紫花苜蓿VB2含量(P=0.0045); 黄芩添加量对紫花苜蓿VB2含量影响显著(P=0.0471), SB-1.5较SB-0.5和SB-0显著增加了紫花苜蓿VB2含量; 两因素互作效应(P=0.8781)对紫花苜蓿VB2含量无显著影响。制粒、黄芩添加量和两因素互作对紫花苜蓿VB3无显著影响。制粒显著降低了紫花苜蓿VB5含量(P=0.0046), 但黄芩添加量和两因素互作效应(P=0.8655)对紫花苜蓿VB5含量无显著影响。制粒(P< 0.0001)、黄芩添加量(P< 0.0001)和两因素互作效应(P=0.0250)显著影响紫花苜蓿VB6含量; 制粒显著降低了紫花苜蓿VB6含量, 添加1.5%黄芩显著提高了紫花苜蓿草颗粒VB6含量。

表2 制粒与添加黄芩对紫花苜蓿B族维生素含量的影响 Table 2 The B group vitamin content of alfalfa before or after pelletizing by adding different amounts of S. baicalensis (mg· kg-1)
2.2 蒙药黄芩和制粒对紫花苜蓿营养品质影响研究

由表3可知, 制粒显著提高了紫花苜蓿DM含量(P< 0.0001); 添加黄芩(P=0.2479)和两因素的互作效应(P=0.7949)对紫花苜蓿DM含量无显著影响。添加黄芩对紫花苜蓿OM含量影响显著(P=0.0004), 与对照相比, 添加0.5%黄芩显著提高了紫花苜蓿OM含量; 但制粒(P=0.4943)和两因素的互作效应(P=0.5632)对紫花苜蓿OM含量无显著影响。制粒(P< 0.0001)、添加黄芩(P< 0.0001)和两因素的互作效应(P< 0.0001)均对紫花苜蓿CP含量影响显著; 制粒显著提高了紫花苜蓿CP含量, 平均提高2.64%, 但添加1.5%黄芩显著降低了紫花苜蓿CP含量, 平均降低4.21%。制粒、添加黄芩和两因素的互作效应对紫花苜蓿NDF和ADF含量均无显著影响。制粒(P< 0.0001)、添加黄芩(P< 0.0001)和两因素的互作效应(P< 0.0001)均对紫花苜蓿EE含量影响显著; 制粒可显著提高紫花苜蓿EE含量, 由制粒前的2.19%提高至5.20%, 提高了137.44%%; 添加1.5%黄芩显著提高了紫花苜蓿EE含量, 由SB-0处理的3.25%提高至SB-1.5处理的5.34%, 提高了64.31%。

表3 制粒与添加黄芩对紫花苜蓿营养品质的影响 Table 3 The nutritional content of alfalfa before or after pelletizing by adding different amounts of S. baicalensis (%)
2.3 蒙药黄芩和制粒对紫花苜蓿大肠杆菌和霉菌数量影响研究

由表4可知, 制粒对紫花苜蓿大肠杆菌数量影响显著(P< 0.0001), 制粒后大肠杆菌数量显著降低, 但黄芩添加剂及两因素互作效应对大肠杆菌数量无显著影响。同时, 在试验样品中未检测到霉菌的存在。

表4 制粒与添加黄芩对紫花苜蓿大肠杆菌和霉菌数量的影响 Table 4 Escherichia coli and mdds population of alfalfa samples before or after pelletizing by adding S. baicalensis (log10 cfu· g-1 FM)
3 讨论
3.1 制粒与黄芩对紫花苜蓿维生素含量的影响

维生素的主要作用是作为酶的辅酶参与机体功能、调节机体代谢。紫花苜蓿制粒工艺的粉碎、混合、制粒、冷却等环节产生的温度、摩擦、压力等都会影响维生素的稳定性。VK包括叶醌(VK1)、甲喹酮(VK2)和甲萘醌(VK3)等形式。VK化合物都具有2-甲基-1, 4-萘醌的生物活性[30]。本试验中紫花苜蓿制粒后, VK1含量显著升高的可能原因有待进一步研究。 试验中添加0.5%~1.0%黄芩可显著降低紫花苜蓿的VK1含量, 可能是黄芩添加剂破坏了维生素K1的化学结构所致, 具体原因有待进一步研究说明。VC的化学性质极不稳定, 遇碱或遇碱加热、遇光都能促进其氧化分解, 失去生物活性[31]。VC作为植物营养成分的重要指标, 易受气候、采收时期、加工方式、贮藏方式、时间等因素的影响[32, 33, 34, 35]。华晶忠等[36]研究表明新鲜苜蓿叶片中VC含量高达1247.4 mg· kg-1, 全株VC含量平均为951.20 mg· kg-1。本试验中紫花苜蓿制粒前、后VC平均含量分别为13.97和14.68 mg· kg-1, 明显低于上述结果, 主要是由于晾晒过程叶片脱落严重和粉碎过程中粉尘损失所致。有研究报道, 蒸汽制粒可使日粮维生素C损失20%~30%, 挤压处理则有55%~70%被破坏[37]。严芳芳[38]研究发现制粒工艺中膨化浮性饲料中维生素C晶体损失率达71%。沈祥[39]研究结果表明饲料加工工艺中, 制粒后VC纯品添加剂的保留率明显降低。本研究中对照处理制粒前后紫花苜蓿的VC含量无显著差异, 可能的原因有2种, 其一是研究材料不同所致, 其二可能是上述文献研究的VC都是外源添加剂, 属于化学纯品, 而本试验中VC来源于紫花苜蓿植株。石浩等[40]研究结果表明黄芩提取液能有效抑制贡梨(Pyrus)的水分损失和VC的氧化。本试验紫花苜蓿添加1.5%黄芩显著提高了其VC含量, 两因素的互作效应对紫花苜蓿VC含量影响显著。此结果表明制粒和添加黄芩能显著提高紫花苜蓿VC含量。B族维生素作为一类低分子有机化合物(辅酶), 除了湿度和氧化还原反应单一条件能破坏维生素稳定性外, 其他单一条件必须与其他因素结合才可能破坏维生素的稳定性[41]。Lewis等[42]和 Leš ková 等[43]研究发现温度低于88 ℃时, 制粒过程对B族维生素含量无显著影响, 进一步说明B族维生素相对稳定, 不易分解。Gadient等[44]研究报道, 无论在高温、室温还是低温环境下VB2稳定性都很好。高温35 ℃时, VB1和VB6的损失率略高, 而VB5(泛酸)损失率明显升高。Zhuge等[45]研究表明, 随着温度的增高, VB2的损失程度明显比VB3的损失程度大。VB6在光照和碱性条件下不稳定, 而VB3(烟酰胺)基本是稳定的, 没有单一的条件能破坏它[46]。本研究中, 制粒和添加黄芩对VB3无显著影响, 充分说明VB3具有较强的稳定性。制粒后, 紫花苜蓿的VB2、VB5、VB6含量显著降低, 制粒过程中调制、制粒、冷却过程是造成这一结果的主要原因[47]。但试验中添加1.5%黄芩可显著提高紫花苜蓿草颗粒VB6含量, 这可能与黄芩中黄酮成分具有抗氧化作用有关。

3.2 制粒与黄芩对紫花苜蓿大肠杆菌、霉菌数量和化学成分的影响

中草药不仅具有抗病毒作用, 有些中草药能有效地抑制大肠杆菌产生肠毒素, 并调节机体器官的生理功能; 其次, 中草药还具有营养作用, 能为动物提供丰富的粗蛋白质、粗脂肪、有机酸、维生素、矿物质以及氨基酸等[48]。在草颗粒压制过程中, 加入抗氧化剂, 使草颗粒更耐贮藏, 营养成分损失更少[49]。黄芩中的黄酮类成分中多含有酚羟基, 可以稳定的清除 O2-·、DPPH· 等自由基的作用[50, 51]; 黄芩粗提物中, 总多酚含量(53.11%)、总黄酮含量(59.08%, 其中黄芩素占43.96%, 是主要活性物质之一)较高, 对大肠杆菌[MIC(最小抑菌浓度minimum inhibitory concentration)=0.25 mg· mL-1]的抑制作用较强[52]。赵佳文[53]研究表明当黄芩苷与黄芩素配比在21: 1, 浓度在2 mg· mL-1时, 对大肠杆菌的抑菌率达95%左右。刘昊等[16]研究表明黄芩苷可抑制大肠杆菌活性。程译锋[54]研究表明制粒过程中, 鲤鱼饲料中的绝大部分致病菌可被杀灭。本试验中, 紫花苜蓿制粒后大肠杆菌数量显著降低, 表明制粒工艺是影响大肠杆菌数量的主要因子; 添加黄芩对紫花苜蓿草颗粒制粒前后大肠杆菌数量无显著影响, 黄芩的抑菌效果并未在制粒前、后体现, 这可能是因为黄芩对大肠杆菌的显著抑制作用体现在草颗粒贮藏过程中, 其结果有待进一步研究。本试验中所有样品中均未检测到霉菌的存在, 可能由于本试验中霉菌计数采用平板计数法, 霉菌的检测线是102, 样品中存在的霉菌数量低于最低计数标准, 属于未检测到范围, 因此未检测到霉菌的存在。

宋双红等[55, 56]研究报道从黄芩药材中鉴定出30种化合物, 其中, 亚油酸(41.689%), 油酸(14.151%)和棕榈酸(12.109%)含量较高。本试验添加1.5%黄芩和制粒能显著提高紫花苜蓿EE含量, 这可能是由于添加的黄芩含有多种有机酸所致。孙林[57]研究报道针茅(Stipa)草原牧草经加工成草颗粒后, 针茅草颗粒干物质、粗蛋白质与针茅干草草粉无显著差异。本试验中, 与对照相比, 添加0.5%, 1.0%和1.5%黄芩显著降低了紫花苜蓿中CP含量, 且随着添加量的增加, 下降趋势明显。添加黄芩后影响CP含量变化的机理有待进一步研究。而制粒后紫花苜蓿的CP含量呈上升趋势, 与制粒前差异显著, 可能是由于在制粒过程中高温条件使蛋白质容易发生美拉德反应生成氨基酸复合物, 从而提高粗蛋白质的含量。其次, 由于一些蛋白酶抑制剂与蛋白质具有相似的结构, 热处理技术可能对其空间结构有一定改变[58, 59]。本试验结果表明, 与对照相比, 添加1.5%黄芩显著降低了紫花苜蓿OM含量。这可能是正如郑勇凤等[60]的研究结果所示, 是黄芩添加剂中含有较多的微量元素所致。

4 结论

制粒后, 紫花苜蓿的VB2、VB5、VB6含量显著降低, 而VK1、VC含量显著升高; 紫花苜蓿DM和EE含量显著增加; 大肠杆菌数量显著降低。添加1.5%黄芩显著提高了紫花苜蓿VC、VB2、VB6含量, 而添加0.5%和1.0%黄芩显著降低了紫花苜蓿VK1含量, 添加1.5%黄芩显著降低了紫花苜蓿VB1含量。综合两个因素的影响, 添加1.5%黄芩可显著提高紫花苜蓿草颗粒VC、VB6含量; 添加1.5%黄芩和制粒能显著提高紫花苜蓿EE含量。

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