超声波预处理对全株青贮玉米品质的影响

吕 平

（天津职业大学生物与环境工程学院，天津 300401）

全株青贮玉米由于具有生物产量高、 营养齐全、易于制作青贮饲料等特点，在反刍家畜饲料中占据重要地位。然而，在全株青贮玉米饲料的生产中，由于玉米品种、气候、青贮环境和制作手段的不同， 全株玉米青贮饲料的质量不稳定， 差异明显，不能完全满足畜牧业发展的要求。全株青贮玉米饲料制作过程本质上是以乳酸菌为主体的混合菌系的发酵及交替演化的过程， 要对其进行全面和精确的控制比较困难。乳酸菌的快速繁殖、玉米细胞壁的高效分解、 严格厌氧环境的维持对于高质量全株玉米青贮饲料的生产至关重要。 同时在青贮玉米开窖使用后，高效地抑制由霉菌、酵母菌大量繁殖而带来的二次发酵也是控制全株玉米青贮饲料品质的关键措施（韩战强等，2020）。

超声波是一种频率高于两万赫兹不引起听觉的弹性声波。超声辅助提取技术是一种90 年代兴起，现在广泛使用的生物提取技术。超声波借助其在溶液产生的空化效应、 直接的机械振动作用以及间接的热效应， 可以比较快速高效地破坏整体坚固、结构复杂的植物大分子体系。 研究表明，适当频率和功率的超声波， 既可以破坏植物组织各成分之间的结合程度，破坏纤维素、半纤维素和木质素的微晶结构，又能破碎植物细胞本身，促进细胞内物质的释放、扩散。同时对于单体的微生物而言又产生了灭菌的效果。因此，研究超声预处理和乳酸菌添加剂对全株青贮玉米发酵品质、 营养价值及其青贮有氧稳定性的影响具有理论和现实意义（董翠英，2017；陈静等，2016；秦梅颂，2010）。而且， 目前鲜有将超声波应用于全株青贮玉米生产的相关报道。

1 材料与方法

1.1 青贮超声预处理及乳酸菌添加 供试玉米品种乳熟期收割。 通过揉搓机粉碎揉搓后，取5000 g 放入安装有超声发生器（频率20000 赫兹，功率3 千瓦）的固态发酵罐（温度控制在20 ℃、不搅拌、不通气）中，加入适量蒸馏水进行超声处理。超声处理后65 ℃烘干备用。

试验分为空白对照组、 超声处理组和乳酸菌对照组。 乳酸菌对照组是将青贮菌剂[布氏乳杆菌（Lactobacillus buchneri ）、植物乳杆菌（Laobacillus plantarum）， 含量比为 1:1， 活菌数≥1×108cfu/g，100 g/袋]5 g 溶于 20 mL 蒸馏水中， 均匀喷洒于5000 g 全株玉米青贮中。 超声处理组分为五组，分别为超声处理 5、10、15、20、25 min。 超声处理后按照乳酸菌对照组相同的方式添加青贮菌剂。 空白对照组无添加剂，无超声处理。 各组处理完毕后，调整全株青贮玉米样品的水分含量为68% ～72%。 利用两层塑料袋进行全株玉米青贮，塑料袋大小为35 cm×20 cm，每袋装青贮原料500 g，利用抽真空机封装、压实、检查无漏气后在室内阴凉处（20 ～ 25 ℃）贮藏 60 d。

1.2 全株青贮玉米感官评定 使用德国农业协会（DLG）青贮玉米评价法进行感官评定。 主要评价指标有饲料色泽、气味、质地，每个指标分为三或四个等级。累计每项分数的评价总得分，总评分在 16 ～ 20 分为 1 级（优），总评分在 10 ～ 15 分为2 级（良），总评分在 5 ～ 9 分为 3 级（中等），总评分在 0 ～4 分为 4 级（腐败）。 青贮玉米感官评分标准见表1。

表1 青贮饲料感官评分标准

1.3 全株青贮玉米发酵品质测定 在超净工作台上小心打开青贮密封袋， 称取50 g 青贮饲料，放入高速组织捣碎机，加入200 mL 蒸馏水，搅拌5 min，先用6 层纱布过滤，然后抽滤过滤，得到约20 mL 提取液，进行pH、有机酸及氨态氮总氮比测定。 pH 用雷磁 PHS-3C 型 pH 计测定； 乳酸（LA）、乙酸（AA）、丙酸（PA）和丁酸（BA）含量采用SHIMADZE-l0A 型高效液相色谱仪分析，色谱柱为 KC-811column，Shimadzu，SPD-M10AVP 检测器，3 mmol/L 高氯酸流动相，流速 1 mL/min，5 μL进样量， 柱温 50 ℃， 检测波长 210 nm。 氨态氮（NH3-N）用苯酚-次氯酸比色法测定。

1.4 全株青贮玉米营养成分测定 在超净工作台上小心打开青贮密封袋， 取500 g 全株青贮玉米样品于65 ℃烘干，中药粉碎机粉碎，过40 目筛待用。 微量凯氏定氮法测定青贮玉米粗蛋白质含量 （CP）； 范氏法测定青贮玉米中性洗涤纤维（NDF）、酸性洗涤纤维（ADF）和酸性洗涤木质素（ADL） 含量； 索式提取法测定青贮玉米粗脂肪（EE）含量；蒽酮-硫酸比色法测定青贮玉米水溶性碳水化合物（WSC）；青贮玉米干物质含量（DM）测定采用干燥箱105 ℃恒温、干燥至恒重的方法。

1.5 数据处理与分析 利用Excel 软件进行数据整理，SPSS 软件包进行单因素 ANOVA 方差分析和Duncan’s 多重比较分析，试验结果采用“平均值±标准差”表示，P ＜0.05 表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 全株青贮玉米感官评定 由表2 可知，超声处理15 min 组和超声处理20 min 组属于 1 级（优良级 ） 全株玉米青贮饲料 ， 其他各组均为2级（良好级）全株玉米青贮饲料。

表2 全株青贮玉米感官评定

2.2 超声预处理和添加乳酸菌剂对玉米青贮发酵品质的影响 由表3 可知， 超声处理和添加乳酸菌剂显著降低了玉米青贮的pH。乳酸菌对照组pH 相比空白对照组下降0.18，降幅4.48%。 随着超声处理时间的增加，pH 先降低后增加，15 min超声处理时，pH 最低，为3.71，相比空白对照组下降0.31，降幅7.71%，而且每个超声处理组之间基本都有显著性差异。 超声处理和添加乳酸菌剂降低了玉米青贮的氨氮总氮比。 乳酸菌对照组氨氮总氮比相比空白对照组下降0.22%，降幅5.93%。随着超声处理时间的增加， 氨氮总氮比先降低后升高，15 min 超声处理时， 氨氮总氮比最低，为3.42%，相比空白对照组下降0.29%，降幅7.82%，5、10、20 min 超声处理组之间差异不显著。

表3 超声预处理和添加乳酸菌剂对玉米青贮发酵品质的影响

超声处理和添加乳酸菌剂显著提高了玉米青贮的乳酸含量。 乳酸菌对照组乳酸含量相比空白对照组提高0.65%，涨幅15.48%。 随着超声处理时间的增加， 乳酸含量先升高后稳定，15 min 超声处理时，乳酸含量最高，为6.39%，相比空白对照组提高2.19%，涨幅高达52.14%，而且每个超声处理组之间基本都有显著性差异。 超声处理大幅度提高了玉米青贮的乙酸含量。 随着超声处理时间的增加， 乙酸含量不断提高，15 min 超声处理后乙酸含量基本稳定，为0.71%，相比空白对照组提高0.35%，涨幅高达97.22%。 但乳酸菌对照组乙酸含量增加不明显， 相比空白对照组只提高0.01%，涨幅2.78%。 空白对照组和添加乳酸菌组均没有检测到丙酸和丁酸，超声处理各组，只有在25 min 时有检测出丙酸和丁酸， 但含量非常低，与感官评价相一致， 并没有发现有刺鼻的丁酸气味，可认为对全株玉米青贮品质基本没有影响。总体上看，15 min 超声处理组 pH 和 NH3-N/TN 最低， 乳酸和乙酸含量最高， 没有检测出丙酸和丁酸，是发酵品质最优处理组。

2.3 超声预处理和添加乳酸菌剂对玉米青贮营养成分的影响 由表4 可知， 超声处理提高了玉米青贮的干物质含量。随着超声处理时间的增加，干物质含量先升高后降低，20 min 超声处理时，干物质含量最高，为29.67%，相比对照组提高了1.76%，涨幅达6.31%。 各超声处理组之间干物质含量差异显著。 乳酸菌对照组干物质含量相比对照组变化不大，降低了0.9%，降幅达3.22%。 超声处理可以显著提高玉米青贮的水溶性碳水化合物含量。随着超声处理时间的增加，水溶性碳水化合物含量先增加后减少，20 min 超声处理时， 水溶性碳水化合物含量最高，为6.17%，相比对照组增加了0.84%，涨幅为15.76%。 各超声处理组之间水溶性碳水化合物含量差异比较显著。 乳酸菌对照组水溶性碳水化合物含量与对照相比提高了0.15%，涨幅为2.81%。 超声处理大幅提高了玉米青贮的粗脂肪含量。 随着超声处理时间的增加，粗脂肪含量呈现出凸形曲线，20 min 超声处理时，粗脂肪含量最高，为4.81%，相比对照组提高0.79%，涨幅19.65%。各超声处理组之间粗脂肪含量差异显著。 乳酸菌对照组粗脂肪含量与对照组相比降低了0.18%，降幅为4.48%。 超声处理大幅提高了玉米青贮的粗蛋白质含量。 随着超声处理时间的增加，粗蛋白质含量呈现单蜂曲线，20 min超声处理时，粗蛋白质含量最高，为9.47%，相比对照组提高了1.33%，涨幅达16.34%。 各超声处理组之间粗蛋白质含量差异显著。 乳酸菌对照组粗蛋白质含量与对照相比小幅增加了0.22%，涨幅为2.70%。

表4 超声预处理和添加乳酸菌剂对玉米青贮营养成分的影响

超声处理大幅度降低了玉米青贮的中性洗涤纤维含量。随着超声处理时间的增加，中性洗涤纤维含量不断下降，15 min 超声处理后趋于稳定，25 min 超声处理后中性洗涤纤维含量最低，为36.21%， 相比对照下降了 12.79%， 降幅达26.10%。 各超声处理组之间中性洗涤纤维含量差异显著。 乳酸菌对照组中性洗涤纤维含量与对照相比变化不大，降低了1.51%，降幅为3.08%。 超声处理显著降低了玉米青贮的酸性洗涤纤维含量。随着超声处理时间的增加，酸性洗涤纤维含量不断下降，10 min 超声处理后基本稳定，25 min超声处理后酸性洗涤纤维含量最低， 为19.91%，相比对照下降了5.76%，降幅达22.44%。 乳酸菌对照组酸性洗涤纤维含量与对照相比降低了1.12%，降幅为4.36%。 超声处理大幅度降低了玉米青贮的酸性洗涤木质素含量。 随着超声处理时间的增加， 酸性洗涤木质素不断下降，15 min 超声处理后基本稳定，15 min 超声处理后酸性洗涤木质素含量最低， 为4.39%， 相比对照下降了1.8%，降幅达29.08%。 乳酸菌对照组酸性洗涤木质素含量与对照相比降低了0.23%， 降幅达3.72%。 总体上看，20 min 超声处理 DM 、EE、CP 和 WSC 含量最高，而 NDF、ADF、ADL 含量虽然不是最高，但与最高值相差不大，可以认为是营养成分最优处理组。

3 讨论

超声辅助提取技术目前已经在中药有效成分、食品功能组分的提取中取得了良好的效果，对其提取机理也已有比较全面的认识。早在19 世纪30 年代，Brohult（1937）就发现超声波可以有效降解生物高聚物。 超声波的机械效应使得青贮玉米剧烈振动，引起玉米组织和细胞变形，并产生高速摩擦； 超声波定向推动细胞内和细胞间的气泡形成振动腔，瞬间爆破产生局部高温和高压，撕裂细胞和细胞间的黏连结构，产生超声空化效应；超声波在传播的过程中， 细胞和细胞间质不断吸收热能，温度升高，促进细胞内释放和细胞间破裂的成分快速溶解，实现热效应（劳超等，2017；李冬梅等，2015；张丽芬等，2011）。对于全株玉米来说，超声处理后玉米细胞壁和细胞间质应有一定程度的破坏，这一方面使得细胞膜内的可溶性糖类、蛋白和脂类成分被大量释放出来， 另一方面使得细胞膜外由纤维素、 半纤维素和木质素构成的细胞壁及其间质结构也被严重破坏。 但同时也要注意到超声处理会显著地降低玉米表面所附着的微生物含量，这可能会导致玉米菌群数量过低，不利于青贮玉米的发酵。因此，在本试验中，超声处理后，为了保证青贮的成功，各处理组都添加了乳酸菌剂。

超声处理后玉米青贮的pH 低于添加乳酸菌和空白对照组，可能是由于超声使得青贮体系释放了更多的营养物质成分，促进了乳酸菌群的生长和发酵。 这点在乳酸含量、氨氮总氮和乙酸含量都有所体现，尤其是乙酸的含量最为突出，提高了近一倍多。超声处理后虽然有个别处理监测到有丙酸和丁酸，但含量非常低。 总体上说，超声处理后各组pH 低于4.2，氨态总氮比均低于10%，表明发酵过程良好，青贮成功，这也与感官评价相一致。同时乙酸含量的大幅度提高，对于延长全株玉米青贮的有氧稳定期至关重要，进一步提高青贮品质。

超声处理可提高玉米青贮的干物质含量，并显著提高玉米青贮的粗脂肪、 粗蛋白质和水溶性碳水化合物含量。 但超声处理显著降低了中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维和酸性洗涤木质素含量，而且降低幅度很接近，都在23%～29%，展现出明显的关联性。 中性洗涤纤维包含酸性洗涤纤维和半纤维素含量，而酸性洗涤纤维又包括纤维素、木质素和硅酸盐等。因此，可以认为超声波在一定程度上破坏了细胞壁和细胞间质结构， 释放出的纤维素、半纤维素和木质素，并进一步被超声波降解，形成了可以被乳酸菌为主体的青贮菌群利用的营养成分。一般认为，反刍动物瘤胃可以消化纤维素和半纤维素， 但由于木质素对纤维素和半纤维素的包裹，使得他们又不能被充分利用，而经过超声处理后青贮玉米的木质素含量下降， 释放出纤维素和半纤维素，可以被青贮菌群利用，相当于对青贮玉米进行了预消化， 可以更好地被反刍动物瘤胃所消化吸收，从而提高全株青贮玉米质量。

感官评价反映超声处理15 min 组超声处理20 min 组属于 1 级， 发酵品质试验说明15 min超声是最优处理组，营养成分试验说明20 min 超声可以认为是最优处理组。综上所述，全株玉米经过15 ～20 min 的超声处理可以明显的提高青贮品质和营养价值，有推广的价值。

4 结论

全株青贮玉米在适合的超声条件预处理后pH 和氨氮比降低，乳酸和乙酸含量提高，干物质、水溶性碳水化合物、粗脂肪和粗蛋白质含量提高，中性洗涤纤维、 酸性洗涤纤维和酸性洗涤木质素含量显著降低。 表明15 ～20 min 超声处理可以明显提高全株玉米的青贮质量。