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温度和添加剂对象草青贮发酵品质、α-生育酚和β-胡萝卜素的影响

2016-01-27刘秦华李湘玉李君风白晰张建国邵涛吴琳赵新国田佳鹭

草业学报 2015年7期
关键词:胡萝卜素

刘秦华,李湘玉,李君风,白晰,张建国,邵涛*,吴琳,赵新国,田佳鹭

(1.南京农业大学饲草调制加工与贮藏研究所,江苏 南京 210095;2.华南农业大学农学院,广东 广州 510642)

温度和添加剂对象草青贮发酵品质、α-生育酚和β-胡萝卜素的影响

刘秦华1,李湘玉1,李君风1,白晰1,张建国2,邵涛1*,吴琳1,赵新国1,田佳鹭1

(1.南京农业大学饲草调制加工与贮藏研究所,江苏 南京 210095;2.华南农业大学农学院,广东 广州 510642)

摘要:为提高青贮饲料的发酵品质,降低α-生育酚和β-胡萝卜素的损失,研究了温度(45,30和15℃)和添加剂(无添加:CK;纤维素酶:E;植物乳杆菌:LP)对象草青贮饲料的影响。试验结果表明,在所有温度水平,象草青贮饲料的发酵品质良好,但30℃时产生了少量丁酸,发酵品质略有下降;添加LP和E降低了pH(P<0.05),增加了乳酸含量和乳酸乙酸比(P<0.05),提高了发酵品质。象草青贮饲料贮藏在45和15℃时的α-生育酚含量显著高于30℃(P<0.05),β-胡萝卜素含量显著低于30℃(P<0.05)。LP和E添加组在所有温度水平的α-生育酚和β-胡萝卜素含量均较低(P<0.05)。E组在45℃的α-生育酚含量显著高于LP组,E组在30和15℃的β-胡萝卜素含量显著高于LP组。

关键词:象草;发酵品质;α-生育酚;β-胡萝卜素

DOI:10.11686/cyxb2014338

Liu Q H, Li X Y, Li J F, Bai X, Zhang J G, Shao T, Wu L, Zhao X G, Tian J L. Effect of temperature and additives on fermentation and α-tocopherol and β-carotene content ofPennisetumpurpureumsilage. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(7): 116-122.

刘秦华, 李湘玉, 李君风, 白晰, 张建国, 邵涛, 吴琳, 赵新国, 田佳鹭. 温度和添加剂对象草青贮发酵品质、α-生育酚和β-胡萝卜素的影响. 草业学报, 2015, 24(7): 116-122.

http://cyxb.lzu.edu.cn

收稿日期:2014-08-20;改回日期:2014-09-25

基金项目:南京农业大学青年科技创新基金(KJ2013022),南京农业大学大学生实践创新计划训练项目(1426A02)和中国科学院科技服务网络计划(KFJ-EW-STS-071)资助。

作者简介:刘秦华(1983-),男,重庆人,讲师,博士。E-mail: liuqinhua@njau.edu.cn

通讯作者*Corresponding author. E-mail: taoshaolan@163.com

Abstract:The effects of temperature (45, 30, 15℃) and additives (no additives: CK; cellulase: E; Lactobacillus plantarum: LP), on the fermentation and α-tocopherol and β-carotene content of Pennisetum purpureum silages was determined. The results indicated that the P. purpureum silage produced good fermentation at all temperatures; ensiling at 30℃ produced less butyric acid however. Additives (LP and E) produced significantly higher lactic acid content, lactic acid to acetic acidratio and lower pH (P<0.05) than silages without additive (CK), indicating additives can improve fermentation quality of P. purpureum silage. The study revealed that P. purpureum silage fermented at 30℃ had significantly higher β-carotene, but lower α-tocopherol content than silages fermented at 45 and 15℃ (P<0.05). Silage supplemented with LP and E had lower α-tocopherol and β-carotene contents (P<0.05). E treated silage had higher α-tocopherol content at 30℃ (P<0.05) and higher β-carotene content at 30℃ and 15℃ (P<0.05) than LP treated silage.

Effect of temperature and additives on fermentation and α-tocopherol and β-carotene content ofPennisetumpurpureumsilage

LIU Qin-Hua1, LI Xiang-Yu1, LI Jun-Feng1, BAI Xi1, ZHANG Jian-Guo2, SHAO Tao1*, WU Lin1, ZHAO Xin-Guo1, TIAN Jia-Lu1

1.InstituteofEnsilingandProcessingofGrass,CollegeofAnimalScienceandTechnology,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China; 2.CollegeofAgriculture,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China

Key words:Pennisetumpurpureum; fermentation quality; α-tocopherol; β-carotene

牧草中的α-生育酚和β-胡萝卜素是草食动物维生素E和维生素A的主要来源之一,对草食动物免疫、繁殖等性能有重要影响。α-生育酚是维生素E的主要形式,对防治由激素及营养失衡造成的各种类型子宫疾病的发生,胎间距加大,难孕牛增多等一系列繁殖障碍疾病均有一定的作用[1]。β-胡萝卜素是维生素A的前体物质,进入机体后形成维生素A,提高血清中免疫球蛋白的含量,刺激多形核粒细胞产生超氧化物增强杀菌力,提高体内各种抗体(IgA、IgM和IgG等)的水平[2]。青贮是有效保存牧草α-生育酚和β-胡萝卜素的加工方式之一。青贮饲料α-生育酚和β-胡萝卜素的含量为鲜草的40%~60%,而干草α-生育酚和β-胡萝卜素的含量为鲜草的10%~20%[3]。Noziere等[4]发现色泽良好的青贮饲料能够保存鲜草约80%的β-胡萝卜素。因此,研究青贮饲料中α-生育酚和β-胡萝卜素含量的变化具有重要意义。

环境温度是影响青贮发酵品质的重要因素之一。高温(30~40℃)条件下青贮易导致丁酸发酵,发酵品质差[5];低温(5~15℃)条件下青贮则发酵较弱,需要较长时间来抑制肠杆菌、芽孢杆菌和酵母等微生物[6]。目前,温度对青贮饲料α-生育酚和β-胡萝卜素影响的研究较少,尚不明确温度对α-生育酚和β-胡萝卜素的影响机制。添加乳酸菌和纤维素酶能提高青贮发酵品质,但对青贮饲料α-生育酚和β-胡萝卜素的影响效果不一致。Lindqvist等[7]发现添加乳酸菌和纤维素酶增加了青贮饲料α-生育酚的含量且未降低β-胡萝卜素的损失,Nadeau等[8]发现添加乳酸菌未降低青贮饲料α-生育酚的损失。

本试验旨在研究添加乳酸菌和纤维素酶对不同贮藏温度象草青贮饲料的发酵品质、α-生育酚和β-胡萝卜素含量的影响,初步探讨其对α-生育酚和β-胡萝卜素的影响机制,为牧草青贮加工提供理论依据。

1材料与方法

1.1 试验材料

2014年9月26日收割株高为1.3~1.6 m 的第1茬象草(Pennisetumpurpureum)为试验材料。乳酸菌为植物乳杆菌(Lactobacillusplantarum),具有在低温下高产乳酸的特性,来自华南农业大学饲草加工实验室,纤维素酶购自江苏锐阳生物科技有限公司。

1.2 试验设计

试验采用实验室青贮罐,容积为1 L的聚乙烯塑料瓶。试验设3个贮藏温度:45,30和15℃;试验处理:无添加(CK)、植物乳杆菌添加(LP)1×105cfu/g FW、纤维素酶添加(E)0.2% FW。每个处理同一贮藏温度4个重复,青贮35 d。

1.3 试验方法

1.3.1青贮饲料的调制将新鲜象草切短至1~2 cm,混匀并分别经不同添加剂处理后再次混匀,装入1 L实验室青贮罐中,每个青贮罐装820 g,压实后盖上内外盖,并用胶带密封,置于设计温度下贮藏35 d后开窖,分析青贮发酵品质、α-生育酚和β-胡萝卜素含量。

1.3.2青贮原料化学成分及微生物组成分析青贮原料切短后,四分法取300 g烘干后测定干物质(dry matter, DM),烘干样品粉碎后过1 mm筛用于测定粗蛋白(crude protein, CP)、水溶性碳水化合物(water-soluble carbohydrate, WSC)、中性洗涤纤维(neutral detergent fiber, NDF)和酸性洗涤纤维(acid detergent fiber, ADF)。DM含量采用 65℃干燥法烘60 h以上至恒重测定[9],CP含量采用凯氏定氮法测定[10],中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维采用尼龙袋法测定[11],中性洗涤纤维减去酸性洗涤纤维得半纤维素含量,WSC含量采用蒽酮-硫酸法测定[12]。采用四分法另取20 g青贮原料,于250 mL锥形瓶中加蒸馏水180 mL稀释10倍,并在4℃浸提18 h后过滤得到浸提液,用于分析缓冲能。缓冲能采用盐酸、氢氧化钠滴定法测定[6]。乳酸菌、好气性细菌、酵母菌和霉菌数量分别采用MRS(deMan-Rogosa-Sharpe)琼脂培养基、营养琼脂培养基、马铃薯葡萄糖琼脂培养基计数[6]。乳酸菌厌氧37℃培养2 d;好气性细菌、酵母菌和霉菌在有氧条件下 30℃培养2~3 d。

1.3.3发酵品质和微生物组成分析青贮罐开封后,采用四分法取100 g 混匀的青贮饲料放入聚乙烯塑料封口袋中,加入400 mL 蒸馏水,冰箱里4℃下浸泡 18 h 后过滤,用 pH计(HANNA, pH 211型)测定浸提液 pH 值。有机酸含量采用高效液相色谱仪测定[13]。色谱条件:日立L-2000高效液相色谱仪;色谱柱RS pak KC-811 昭和电气;流动相为3 mmol/L 的高氯酸溶液;流速1 mL/min;柱温60℃;检测器,L-2420紫外可见检测器;检测波长210 nm。NH3-N含量采用苯酚-次氯酸钠比色法测定[9]。微生物组成分析方法与原料相同。

1.3.4α-生育酚和β-胡萝卜素含量分析α-生育酚和β-胡萝卜素浸提液制备[7]:四分法分样后称取10 g新鲜样品,置于冷冻干燥机中-55℃冷冻干燥48 h并粉碎得冻干样品。将全部冻干样品置于三角瓶中,加入70 mL无水乙醇、30 mL甲醇、30 mL 浓度为10%的维生素C、20 mL KOH水溶液(质量∶体积=1∶1),黑暗条件下80℃水浴30 min进行皂化,冷水中冷却。取全部皂化液于250 mL分液漏斗,加入50 mL石油醚,上下倒置3 min后静置,将下层液去掉,将上层液倒入平底烧瓶,于75℃水浴蒸干,用 1.5 mL 异丙醇溶解,3500 r/min离心后得α-生育酚和β-胡萝卜素浸提液。

α-生育酚和β-胡萝卜素含量采用高效液相色谱仪测定[7]。色谱条件:日立L-2000高效液相色谱仪;色谱柱,Inersil ODS-4;流动相为90%甲醇+10%乙腈;流速为2 mL/min;柱温为45℃;检测器,L-2420紫外可见检测器;α-生育酚的检测波长,280 nm;β-胡萝卜素的检测波长,450 nm。

1.4 数据统计

对试验数据采用SPSS 13 软件的一般线性模型(GLM)进行双因素方差分析(Two way-ANOVA),并用邓肯法(Duncan)对各处理的平均值进行多重比较;对发酵品质参数与α-生育酚及β-胡萝卜素进行相关性分析。

2结果与分析

2.1 青贮原料的化学成分

新鲜象草的DM、CP含量及缓冲能较低,分别为146.86 g/kg FW,71.99 g/kg DM和94.42 mEq/kg DM;WSC含量为55.35 g/kg DM;NDF和ADF含量较高,分别为632.60 g/kg DM和 425.96 g/kg DM;附着乳酸菌较少,数量为3.94 lg cfu/g FW;好氧性微生物较多,数量超过5.0 lg cfu/g FW(表1)。α-生育酚和β-胡萝卜素含量分别为10.00 mg/kg DM和450.21 mg/kg DM。

2.2 温度对象草青贮饲料发酵品质、α-生育酚和β-胡萝卜素的影响

温度对象草青贮饲料的pH、乳酸(LA)、乙酸(AA)、氨态氮比总氮(NH3-N/TN)、乳酸比乙酸(LA/AA),乳酸菌、好氧细菌、酵母菌、霉菌、α-生育酚和β-胡萝卜素分别有显著影响(P<0.05),对DM 和丁酸(BA)无显著影响(P>0.05)(表2)。在CK组中,所有温度水平间的干物质、pH、乳酸无显著差异(P>0.05);30和45℃的AA含量显著高于15℃(P<0.05);30℃的BA和NH3-N/TN最高(P<0.05);30和15℃的乳酸菌和好氧性细菌显著多于45℃(P<0.05); 30和45℃的酵母菌数量显著少于15℃(P<0.05);30℃的α-生育酚含量显著低于45和15℃(P<0.05);30℃的β-胡萝卜素含量显著高于45和15℃(P<0.05)。

表1 青贮前象草的化学成分与微生物组成

注:FW,鲜重;DM,干物质;cfu,菌落形成单位;mEq, 毫克当量。下同。

Note: FW, Fresh weight; DM, Dry matter; cfu, Colony-forming units; mEq, Milligram equivalent. The same below.

注:CK,对照;E,纤维素酶;LP,植物乳杆菌;NH3-N/TN,氨态氮比总氮值;LA/AA,乳酸比乙酸;ND,未检测到;同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05); *,差异显著(P<0.05), NS,无显著差异(P>0.05)。

Note: CK, Control; E, Cellulose; LP,Lactobacillusplantarum; NH3-N/TN, Ratio of ammonia-N to total nitrogen; LA/AA, Ratio of lactic acid to acetic acid; ND, no detected; Different lowercase letters in the same column indicate significant differences atP<0.05; *, Significant difference (P<0.05); NS, No significant difference (P>0.05).

2.3 添加剂对象草青贮饲料发酵品质、α-生育酚和β-胡萝卜素的影响

除BA外,添加剂对其他青贮发酵品质参数和α-生育酚及β-胡萝卜素均有显著的影响(P<0.05)(表2)。在45℃贮藏条件下,E组的干物质、AA含量和乳酸菌数量显著低于CK和LP组(P<0.05);E组和LP组的LA含量显著高于CK组(P<0.05);E组的LA/AA值显著高于CK组和LP组(P<0.05),且LP组的LA/AA值显著高于CK组(P<0.05);E组和LP组的好氧性细菌数量显著低于CK组(P<0.05);E组和LP组的α-生育酚和β-胡萝卜素含量显著低于CK组(P<0.05),且E组的α-生育酚含量显著高于LP组(P<0.05)。

在30℃贮藏条件下,E组的干物质含量显著低于CK组和LP组(P<0.05);E组和LP组的LA含量和LA/AA值显著高于CK组(P<0.05);E组和LP组的AA、BA、NH3-N/TN和乳酸菌及好氧性细菌数量显著低于CK组(P<0.05),E组和LP组的酵母菌数量显著高于CK组(P<0.05);E组和CK组的霉菌数量显著低于LP组(P<0.05); 在E组、CK组和LP组均未检测到α-生育酚;E组和LP组的β-胡萝卜素含量显著低于CK组(P<0.05),且E组的β-胡萝卜素含量显著高于LP组(P<0.05)。

在15℃贮藏条件下,E组的干物质含量显著低于CK组和LP组(P<0.05);E组和LP组的pH显著低于CK组(P<0.05);E组和LP组的乳酸含量显著高于CK组(P<0.05);E组和CK组的乙酸含量显著高于LP组(P<0.05);E组和CK组的LA/AA值显著低于LP组(P<0.05),且E组的LA/AA值显著高于CK组(P<0.05);CK组的酵母菌数量显著高于LP组(P<0.05),E组的霉菌数量显著高于CK组和LP组(P<0.05);E组和LP组的α-生育酚含量显著低于CK组(P<0.05),E组和LP组的α-生育酚含量无显著差异(P>0.05),CK组的β-胡萝卜素含量分别与E组和LP组无显著差异(P>0.05),E组的β-胡萝卜素含量显著高于LP组(P<0.05)。

2.4 温度和添加剂交互作用对象草青贮饲料发酵品质、α-生育酚和β-胡萝卜素的影响

温度和添加剂交互作用对pH、AA、BA、NH3-N/TN、LA/AA、乳酸菌、好氧细菌、酵母菌、霉菌、α-生育酚和β-胡萝卜素有显著的影响(P<0.05),对DM和LA无显著影响(P>0.05)(表2)。在所有贮藏温度中,E组和LP组在增加LA,降低BA和NH3-N/TN的效果无显著差异(P>0.05)。从DM、pH、AA、LA/AA来看,LP组提高发酵品质的效果较好。除45℃外,E组降低α-生育酚损失的效果显著好于LP组(P<0.05)。E组和LP组降低β-胡萝卜素损失的效果较差;在30和15℃,E组降低β-胡萝卜素损失的效果显著好于LP组(P<0.05)。

2.5 象草青贮饲料发酵品质与α-生育酚及β-胡萝卜素的相关性

α-生育酚与pH、好氧性细菌和酵母菌数量呈正相关(P>0.05),与LA呈显著负相关(P<0.05),与DM、AA、BA、LA/AA、NH3-N/TN、乳酸菌和霉菌数量呈负相关(P>0.05)(图1)。β-胡萝卜素与AA、NH3-N/TN和好氧性细菌数量呈显著正相关(P<0.05),与乳酸菌数量呈显著正相关(P<0.05),与pH和BA呈正相关(P>0.05);与LA/AA呈显著负相关(P<0.05),与DM、LA、酵母菌和霉菌数量呈负相关(P>0.05)。

图1 象草青贮饲料发酵品质与α-生育酚及β-胡萝卜素的相关性Fig.1 Correlation of fermentation characteristics with α-tocopherol and β-carotene in P. purpureum silage   DM,干物质;LA,乳酸;AA,乙酸;BA,丁酸;LA/AA,乳酸比乙酸;NH3-N/TN,氨态氮比总氮;LAB,乳酸菌;AB,好氧性细菌;Y,酵母菌;M,霉菌;*,差异显著(P<0.05)。DM, Dry matter; LA, Lactic acid; AA, Acetic acid; BA, Butyric acid; LA/AA, Ratio of lactic acid to acetic acid; NH3-N/TN, Ratio of ammonia-N to total nitrogen; LAB, Lactic acid bacteria; AB, Aerobic bacteria; Y, Yeast; M, Mold; *, Significant difference at P<0.05.

3讨论

温度明显影响了象草青贮饲料的发酵品质。随着温度的上升,AA呈现上升趋势,LA/AA值、乳酸菌、好氧性细菌和酵母菌数量呈下降趋势,说明高温抑制了乳酸菌、好氧性细菌和酵母菌的繁殖及乳酸发酵,促进了乙酸发酵。该试验结果与Wang和Nishino[14]的研究结果一致。虽然对照组在30℃产生了丁酸发酵,但丁酸含量为2.83 g/kg DM,氨态氮比总氮值为53.41 g/kg,达到优质青贮饲料的要求(丁酸含量<10 g/kg DM,氨态氮比总氮值<100 g/kg)[9],这与Zhang等[15]发现在30℃青贮饲料产生大量丁酸的研究结果不一致。其原因是本试验的象草缓冲能较低,为94.42 mEq/kg DM,乳酸菌利用WSC可产生足够的乳酸,使pH下降至4.10抑制丁酸发酵。Tamada等[5]和荣辉等[16]也有类似的研究报道。对照组在15和45℃未检测到丁酸,其原因是在该温度下产生丁酸的能力弱,大多数丁酸菌产生丁酸的最适宜温度是30℃[5,14]。

添加乳酸菌和纤维素酶常用于提高青贮饲料发酵品质。在本试验中,添加植物乳杆菌和纤维素酶的象草青贮饲料在不同贮藏温度下均含有较多的乳酸,较高的LA/AA,较少的氨态氮,且未检测到丁酸,提高了发酵品质。这与Zhang等[15]和王奇等[9]的结果一致。而且在不同温度下,植物乳杆菌和纤维素酶对青贮发酵品质有显著影响。随着温度的降低,LP组的乳酸含量呈上升趋势,乙酸含量呈下降趋势,LA/AA值显著上升,DM含量较高并保持稳定,发酵品质逐步提高,说明在低温下该植物乳杆菌同型乳酸发酵的能力较强。随着温度的降低,纤维素酶添加组的乳酸和乙酸含量呈上升趋势,pH呈下降趋势,说明低温下纤维素酶的活性较强,细胞壁物质被降解为六碳糖和五碳糖,促进了发酵。这与Zhang和Nishino[14]的研究结果不一致,与Colombatto等[17]报道的Liquicell 2500酶在低温下促进发酵的结果一致,Depol 40酶在高温下促进发酵的结果不一致,其原因是不同的纤维素酶具有不同的温度活性。

温度对α-生育酚及β-胡萝卜素的含量有显著影响。在本试验中,对照组的α-生育酚含量依次是:45℃>15℃>30℃。出现该结果的原因是:α-生育酚不饱和键少,结构稳定,在无氧条件下45℃高温对α-生育酚的破坏作用小[3];15℃低温下乳酸菌、好氧性细菌和酵母菌较多,降低了α-生育酚的含量;30℃时产生了丁酸发酵,α-生育酚损失较大。对照组在30℃的β-胡萝卜素含量显著高于15和45℃,这是由于15℃低温下酵母菌较多,能降解β-胡萝卜素[18];β-胡萝卜素属四萜类化合物,具有4个不饱和的戊二烯单位,性质活泼,45℃高温容易导致β-胡萝卜素降解[19];对照组在30℃含有较多的β-胡萝卜素的原因可能是蛋白质降解过程中产生了保护β-胡萝卜素的物质。这点可由β-胡萝卜素与氨态氮比总氮值呈显著正相关得以证明,但产生的何种物质及对β-胡萝卜素的保护机理还有待进一步研究。

利用青贮添加剂可以改善青贮发酵品质,但降低青贮饲料α-生育酚和β-胡萝卜素损失的效果有显著差异[20]。在本试验中,植物乳杆菌和纤维素酶添加组在45和15℃的α-生育酚含量显著低于对照,且纤维素酶添加组在45℃的α-生育酚含量显著高于植物乳杆菌添加组,说明添加植物乳杆菌和纤维素酶降低α-生育酚损失的效果不佳,这与Nadeau 等[8]的结果类似,与Lindqvist等[7]的结果不一致,其原因是植物乳杆菌添加组和纤维素酶添加组的pH下降到3.5的水平。α-生育酚与pH呈正相关,与乳酸含量呈显著负相关对此进行了证实。同样的,植物乳杆菌和纤维素酶添加组在45和30℃的乳酸含量和LA/AA值显著增加,乳酸发酵较强,β-胡萝卜素的损失较大。上述结果与从DM含量为285~586 g/kg DM,pH值为5.16~5.51、乳酸含量为1.40~32.9 g/kg DM,丁酸含量为0~2.3 g/kg DM的裹包混合青贮饲料中得出的:乳酸发酵降低α-生育酚和β-胡萝卜素损失的结果不一致[21],这说明较弱的乳酸发酵使α-生育酚和β-胡萝卜素的损失较小,而较强的乳酸发酵使α-生育酚和β-胡萝卜素的损失较大。纤维素酶添加组在45℃的α-生育酚含量显著高于LP组,在30和15℃的β-胡萝卜素含量显著高于LP组的原因尚不明确,有待进一步研究。

4结论

在15,30和45℃青贮,象草青贮饲料的发酵品质均良好,添加植物乳杆菌和纤维素酶提高了其发酵品质。象草青贮饲料贮藏在45和15℃时的α-生育酚损失较小,β-胡萝卜素损失较大;30℃时α-生育酚损失较大,β-胡萝卜素损失较小。添加植物乳杆菌和纤维素酶未能降低象草青贮饲料α-生育酚和β-胡萝卜素的损失。

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