不同添加剂发酵处理对汽爆玉米秸秆发酵品质及微生物数量的影响

高雪梅，焦 婷，雷赵民，冉 福，赵生国，李雄雄，秦伟娜，王苗苗

（1. 甘肃农业大学草业学院 / 草业生态系统教育部重点实验室 / 中–美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070；2. 甘肃农业大学动物科学技术学院，甘肃 兰州 730070）

中国作为全球农业大国之一，具有非常丰富的农作物秸秆资源。据统计，2015 年全国主要农作物秸秆可收集资源量为9 亿t，利用量为7.209 亿t，秸秆利用率为80.1%[1]。近年来，玉米秸秆作为反刍动物饲料成为新的研究趋势[2]，但玉米秸秆中粗纤维含量高，质地粗硬，可利用的营养物质较少，适口性差，必须对其进行加工处理，以提高消化率，降低粗纤维含量[3]。常见的处理方法主要有物理法、化学法、生物法和综合法[4]。

蒸汽爆破技术是一种物理与化学相结合的加工技术，能够明显破坏秸秆纤维结构，显著降低半纤维素含量，使粗蛋白、可溶性糖等营养成分含量升高[5]。张慧玲等[6]研究发现，汽爆处理对藜麦(Chenopodium quinoa)秸秆半纤维素、木质素具有显著影响。但经汽爆处理后的玉米秸秆含水量一般在60%～80%，无法直接饲喂家畜，需要进行干燥或发酵等处理[7]。杨雪霞等[8]报道表明，将玉米秸秆进行汽爆处理后再进行固体发酵，其产物粗蛋白含量高达16.65%；张志军等[9]研究发现，汽爆与汽爆后发酵处理可改善棉花秸秆的营养价值，降低棉花(Gossypium spp.)秸秆酸性洗涤木质纤维素。

在生产中，为了保存秸秆营养品质，可将收获籽实后的玉米秸秆进行厌氧发酵，但由于原料品质的限制，不仅要调节水分，还要补充营养物质及微生物菌剂。而汽爆处理可以增加可溶性糖等营养物质，丰富微生物发酵底物。若将干黄的玉米秸秆先进行汽爆处理，再进行发酵处理，待发酵完成后便可直接饲喂。但汽爆处理会将玉米秸秆中的各种微生物均杀死，所以需要加入外源乳酸菌等有益微生物来促进发酵。近年来，国内外学者对微生物添加剂在玉米秸秆营养价值、发酵品质等方面的研究颇多。Liu 等[10]发现植物乳杆菌和纤维素酶的组合能提高青贮全混合日粮[羊草(Leymus chinensis)、甜玉米苞叶、苜蓿(Medicago sativa)和啤酒糟等组成]的青贮发酵品质及营养特性。尉小强等[11]发现在全株玉米中添加乳酸菌可以有效改善玉米青贮的发酵品质。为此，通过对干黄的玉米秸秆进行汽爆预处理，加入不同添加剂进行厌氧发酵，通过对营养品质、发酵品质及微生物数量的综合评价，筛选最经济有效的处理方式，以期为提高玉米秸秆利用效率、改善利用方式提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料

试验所用汽爆原料为上一年收获籽粒后堆垛的、汽爆前将水分调为65%～70%、汽爆装置的汽爆腔压力1.0 Mpa、维压10 m in 下汽爆的玉米秸秆(表1)。青贮添加剂宜生贮宝Sila-Max(美国瑞科动物营养公司提供，纯化纤维素酶、淀粉、纯化纤维素酶，乳酸菌≥ 2 × 1010cfu·g−1)；青贮添加剂Sila-M ix(美国瑞科动物营养公司提供，硅酸钙、黑曲霉、总钙含量25%～29.5%，乳酸菌≥ 1.8 × 106cfu·g−1)。活性纤维菌(平凉灵台康庄牧业公司自购，含乳酸菌、纤维素分解菌、纤维素酶、淀粉)。发酵桶为20 L 圆形旋盖白色塑料桶。试验在甘肃灵台康庄牧业有限公司牛场进行。

表 1 玉米秸秆原样成分Table 1 The nutrient com position of corn straw

1.2 试验设计

试验设4 个处理，3 种添加剂(Sila-Max、Sila-M ix和活性菌)和1 个空白对照(无添加剂)；汽爆后的玉米秸秆在各添加剂处理下分别进行装桶密封发酵，每个处理装6 桶，即6 次重复，Sila-Max、Sila-M ix 和活性菌添加量分别为0.002 5、1.000 0 和0.500 0 kg·t−1，将添加剂与汽爆原料混匀后装桶(每桶12～13 kg)，密封，置于室内，发酵60 d。

1.3 测定指标

发酵60 d 后，开桶取样，去掉上部3～4 cm 的样品，然后将桶内样品混匀后进行取样，用真空包装袋保存。将样品带回实验室，在105 ℃ 烘箱内烘干、粉碎，进行营养品质测定。粗蛋白 (crude protein, CP)、粗灰分 (crude ash, Ash)采用张英丽[12]方法测定，中性洗涤纤维 (neutral detergent fiber, NDF)、酸性洗涤纤维 (acid detergent fiber, ADF)采用Van Soest[13]方法测定，淀粉 (Starch) 分析按照AACC 方法[14]进行，乳酸、挥发性脂肪酸采用液相色谱仪测定。

将桶子样品称重后，把桶中发霉的部分单独取出并称重，计算发霉量。发霉量(m ildew rate) = 样品发霉部分含量/样品重量 × 100%。

各取20 g 发酵后的新鲜汽爆玉米秸秆，加入180 m L、0.85%的灭菌生理盐水，稀释得到适合浓度后，采用平板梯度稀释法测定青贮料中主要微生物类群数量(MRS 培基测定乳酸菌数量，采用营养琼脂培养基测定好氧细菌数量，采用虎红琼脂培养基测定霉菌数量，强化梭菌培养基测定梭菌数量)。

1.4 综合评价

利用相关性分析和主成分分析法将4 个不同处理下的14 个指标降维简化评价指标数量，然后利用模糊数学隶属函数法计算各处理所选指标的隶属函数值，并将所选指标隶属函数值求和，再取均值，以均值大小进行排名，均值越大，排名越靠前。

隶属函数计算公式[15]:式中：R(Xi)表示某指标隶属函数值，Xi表示该指标的测定值；Xmax表示该指标最大值；Xmin表示该指标最小值。若测定指标与饲料的营养价值呈正相关关系，则用式(1)计算；若呈负相关关系，则用式(2)计算。

1.5 数据分析

采用Excel 2016 进行数据统计，SPSS 19.0 进行方差分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 不同添加剂处理对汽爆玉米秸秆营养品质的影响

不同添加剂处理后，汽爆玉米秸秆CP、NDF、ADF、Ash 含量呈现出不同程度的变化(表2)。添加剂组CP 含量较CK 组减少了1.5%～1.7%；NDF含量Sila-Max 组最高，活性菌组最低，二者间无显著差异(P ＞ 0.05)；淀粉含量活性菌组最高，与CK组、Sila-Max 组差异不显著(P ＞ 0.05)，与Sila-M ix 组差异显著(P ＜ 0.05)；添加剂组ADF 含量与CK 相比增加了0.5%～1.6%；Ash 含量Sila-Max 组最低，与对照组无显著差异(P ＞ 0.05)。

2.2 不同添加剂发酵处理对汽爆玉米秸秆发霉量的影响

如表3 所列，Sila-M ix、Sila-Max 组未出现霉变情况，而CK 组和活性菌组均发霉了，CK 组发霉量达7.75%，活性菌组霉变量为5.07%，二者差异不显著(P ＞ 0.05)。

表 2 不同添加剂发酵对汽爆玉米秸秆营养品质的影响(干物质基础)Table 2 Effects of different additives on the nutrient content of corn steam exploded straw (basis on dry metter) %

表 3 不同添加剂发酵对汽爆玉米秸秆发霉量的影响Table 3 Effects of different additives on moldy amount of steam-exp loded corn straw

2.3 不同添加剂发酵处理对汽爆玉米秸秆发酵品质的影响

图 1 不同添加剂发酵对汽爆玉米秸秆发酵品质的影响Figure 1 Effects of different additives on fermentation quality of steam-exp loded corn straw

如图1 所示，乳酸含量活性菌组显著高于其他处理组(P ＜ 0.05)，其余处理间无显著差异(P ＞ 0.05)；乙酸、丙酸和丁酸含量Sila-Max 处理组最高，显著高于其他处理(P ＜ 0.05)，其余处理间无显著差异(P ＞ 0.05)。

2.4 不同添加剂发酵处理对汽爆玉米秸秆微生物数量的影响

如表4 所列，Sila-Max 处理组乳酸菌数量显著高于其他处理(P ＜ 0.05)，Sila-M ix 组次之；好氧细菌含量CK 组最高，显著高于Sila-M ix 组、活性菌组(P ＜ 0.05)，与Sila-Max 组无显著差异(P ＞ 0.05)；梭菌含量不同处理组差异显著(P ＜ 0.05)，其中CK 组最高，Sila-M ix 组最低；霉菌含量在Sila-Max 组、Sila-M ix 组中未检测到，而在CK 组、活性菌组含量较高，二者差异显著(P ＜ 0.05)。

2.5 主成分分析

根据特征值大于1 的标准挑选出3 个主成分(表5)，14 个指标中前3 个特征值的累积贡献率达100%，说明14 个指标的相关信息可由前3 个主成分来概括。其中，第1 主成分的特征值为6.947，贡献率高达49.620%，对应特征向量中，绝对值较大的性状为乙酸、丙酸、丁酸、乳酸菌和发霉量，所以第1 主成分主要代表挥发性脂肪酸成分；第2 主成分的特征值为4.612，贡献率达32.942%，对应特征向量中，绝对值较大的性状为CP、NDF、ADF、淀粉、乳酸，所以第2 主成分代表营养成分；第3 主成分的特征值为2.441，贡献率达17.438%，对应特征向量中，绝对值较大的性状为Ash、好氧细菌、梭菌、霉菌，所以第3 主成分代表微生物成分。

2.6 不同指标相关性分析

为了进一步进行主要性状筛选，对这14 个指标进行相关性分析（表6），丙酸、丁酸、乳酸菌与乙酸极显著正相关(P ＜ 0.01)，丙酸与丁酸和乳酸菌极显著正相关(P ＜ 0.01)，丁酸和乳酸菌极显著正相关(P ＜0.01)，淀粉与ADF 显著正相关(P ＜ 0.05)，乳酸与NDF 显著负相关(P ＜ 0.05)，梭菌、霉菌与发霉量显著正相关(P ＜ 0.05)；其余指标间无显著相关性(P ＞0.05)。

表 4 不同添加剂发酵对汽爆玉米秸秆微生物数量的影响Table 4 Effects of different additives on m icrobial population of steam-exp loded corn straw lg cfu·g−1

表 5 主成分分析结果及各因子成分矩阵Table 5 Principal component analysis results and factor com ponent matrix

表 6 玉米秸秆评价指标相关性矩阵Table 6 Correlation matrix of corn straw evaluation indexes

2.7 综合得分及排名

综合主成分分析与相关性分析结果，在第1 主成分中选择乙酸、发霉量来代表其他性状，在第2 主成分中选择CP、NDF 代表其他性状，第3 主成分中选择灰分、好氧细菌来代替其他性状，采用模糊数学隶属函数法进行分析，结果表明(表7)，在所有处理中，Sila-Max 表现最好，平均隶属值为0.55，其次为Sila-M ix，平均隶属值为0.42，CK 组平均隶属值小于0.4，综合表现较差。

表 7 各因子综合得分及排序Table 7 Com prehensive score and ranking of each factor

3 讨论

3.1 不同添加剂对汽爆玉米秸秆营养成分的影响

CP 含量可以用来衡量粗饲料营养成分在制备过程中的流失或保留，饲料CP 含量越低，饲料品质越差[16]。杨雪霞等[8]研究表明，进行汽爆处理后再进行发酵可以提高CP 含量。本研究得出相似结论，经汽爆与发酵处理后，玉米秸秆CP 含量是原玉米秸秆的2.01～2.05 倍，这主要由于汽爆过程中发生了美拉德反应[17]。NDF 和ADF 是反映饲草纤维品质最主要的指标[18]，ADF 与动物消化率呈负相关关系，其含量越低，饲草的消化率越高，饲用价值越高[19]；NDF 影响反刍动物的瘤胃充盈度及采食量，其含量越高，饲料能量越低[20]。本研究中，经汽爆与发酵处理后的玉米秸秆NDF、ADF 含量分别降低了18.16%～20.17%、2.38%～3.94%，说明汽爆与发酵处理能够提高玉米秸秆营养品质，但不同添加剂处理之间没有显著差异，这与Santos 和Avila[21]研究结果相似。同样，赵苗苗和玉柱[22]使用乳酸菌添加剂对象草(Pennisetum purpureum)进行青贮后，NDF 含量无明显变化，孙文君等[23]发现添加乳酸菌对稻草进行青贮，稻草的ADF 和NDF 含量变化也不明显，由此可以推断乳酸菌作用效果与青贮原料有关，本研究中，汽爆后的玉米秸秆原料为上一年收获籽粒后堆垛的玉米秸秆，其本身营养含量低，导致微生物可利用的底物浓度低，出现添加剂组与对照组CP、NDF、ADF 含量差异不显著的情况。

从本研究结果来看，经汽爆与发酵处理后，淀粉含量增加，这可能是在高温、高湿、高压条件下，细胞壁内的部分纤维素会发生降解，产生葡萄糖及其衍生物[17]。而活性菌中添加有纤维素酶及淀粉，Sila-Max 中含纯化淀粉酶，所以出现活性菌组淀粉含量增加、Sila-Max 组淀粉含量减少的现象。

3.2 不同添加剂对汽爆玉米秸秆乳酸及挥发性脂肪酸的影响

Sila-Max 和Sila-M ix 是两种青贮饲料乳酸菌类添加剂，Sila-Max 含有能产生淀粉酶和纤维素酶的菌类，而Sila-M ix 含有25.0%～29.5%的CaCO3。纤维活性菌含乳酸菌、纤维分解菌和能产生纤维素酶的菌类。谭树义等[24]研究发现，添加纤维素降解酶和乳酸菌，能够改善玉米秸秆发酵、保存秸秆原有的营养成分，并提高总挥发性脂肪酸含量。在青贮发酵过程中乳酸和乙酸的含量越高则青贮品质越好[25]，所以在一定程度上可增加青贮饲料的乳酸、乙酸含量来提高青贮品质。苗芳等[26]研究发现，乙酸等有助于提高青贮饲料的有氧稳定性的有机酸，对减缓或防止青贮饲料二次发酵有明显作用。丁酸的发酵程度是鉴定青贮饲料好坏的重要指标，丁酸含量越多，青贮料品质越差[27]，一般认为优质的青贮饲料丁酸含量应该低于干物质含量的1%[28]。本研究中，活性菌组乳酸含量显著高于其他处理，这是由于纤维活性菌中含有的纤维素酶、淀粉酶对部分纤维素进行了分解，丰富了乳酸菌发酵底物，增加了乳酸含量；Sila-Max 组的乙酸、丙酸含量显著高于其他处理，丁酸含量最高的Sila-Max 处理组，仅为0.61%，低于优质青贮饲料标准，说明添加剂Sila-Max 在增加汽爆玉米秸秆乙酸、丙酸含量，防止青贮饲料二次发酵方面具有较好的效果，这与其含有多种菌类发酵产物有关。

3.3 不同添加剂对汽爆玉米秸秆微生物数量及发霉量的影响

微生物作为青贮发酵过程中的关键因素，其种类含量将直接影响青贮发酵效果。乳酸菌是青贮发酵过程中最为关键的微生物，是青贮过程中乳酸发酵的驱动者[29]，其可以抑制有害微生物的生长繁殖，阻止发酵原料养分的分解，抑制蛋白质在青贮过程中的水解[30]。霉菌会引起青贮饲料腐败变质，并产生霉菌毒素，导致青贮饲料品质降低，危害家畜健康[31]。而青贮饲料霉变不仅会造成饲料营养的流失，而且产生的毒素会对畜禽生产者以及食品和饲料的加工企业带来巨大经济损失，霉变也成了制约反刍动物生产的重要因素[32]。本研究中，添加剂Sila-Max、Sila-M ix 均能增加青贮后玉米秸秆乳酸菌含量，降低梭菌、好氧细菌和霉菌数量，防止秸秆霉变；而添加剂活性菌与空白对照处理的玉米秸秆均存在霉菌与霉变现象，从饲料安全无毒方面考虑，在生产中应不予考虑。

4 结论

不同添加剂对汽爆玉米秸秆营养品质、挥发性脂肪酸含量及微生物数量的作用效果不同：活性菌能够增加秸秆淀粉、乳酸含量，促使发酵成功；Sila-Max 可以提高乳酸菌、乙酸、丙酸含量，抑制有害微生物活动，具有抑制二次发酵的潜力；Sila-M ix能够提高汽爆玉米秸秆乳酸菌数量，抑制好氧细菌、梭菌和发霉，说明其能抑制有害微生物的活动。通过主成分分析与隶属函数法综合评价表明，Sila-Max具有相对较好的维持和提高汽爆玉米秸秆品质的效果。