不同添加剂对油莎豆青贮品质及有氧稳定性的影响

贺婷婷，王旭哲，宋 磊，马春晖

(石河子大学动物科技学院，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意义】油莎豆(Cyperusesculentus)是莎草科莎草属的一种多年生草本植物。原产于非洲沙漠干旱地区，具喜阳光、耐高温、抗旱、耐涝等特性，其块茎富含丰富的蛋白质和油脂[1-2]。油莎豆果实是营养丰富的食品原料，油莎豆茎叶是优质牧草，是一种优质、高产、综合利用价值很高的油、粮、饲多用新型作物。【前人研究进展】油莎豆在新疆干旱气候区内的生产潜力较大，比较适合大规模推广种植[3]。目前在新疆南疆沙区种植油莎豆成功，对油莎豆茎叶的主要利用方式为直接饲喂牲畜或制作干草，干草容易造成牧草营养成分的损耗，且调制干草田间损失也较大，而青贮能在最大程度保留牧草营养成分且弥补冬季饲草的不足。添加乳酸菌能有效地促进不同禾本科和豆科植物发酵，并能长时间保存[4-6]。王媛等[7]发现在苜蓿青贮中添加植物乳杆菌可提高乳酸含量并降低干物质损失率。张适[8]在全株玉米青贮中添加乳酸菌发现可溶性碳水化合物(water soluble carbohydrate，WSC)含量有所提高，氨态氮含量下降，纤维素酶能有效降低玉米中的粗纤维含量。李苗苗等[9]在油莎草中添加了3种乳酸菌，油莎草青贮各项指标均在正常范围，乳酸菌的添加使青贮的酸香味浓厚，未发生霉变氧化现象，青贮效果均相对较好；且在低温条件下添加植物乳杆菌的油莎草青贮发酵效果最好。【本研究切入点】油莎豆饲草与常规苜蓿，及全株玉米青贮比较发现其中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤纤维(ADF)含量较高，油莎豆随收获期延长，其纤维含量逐步增加，影响家畜适口性、采食量和消化率，有效降低其纤维含量成为提高其品质的关键因素。【拟解决的关键问题】选择新疆通过对南疆沙区栽培的油莎豆青贮，分别添加植物乳杆菌、纤维素酶及二者混合添加，研究不同添加剂对油莎豆发酵营养品质的效果，及其在改善油莎豆青贮品质方面的积极作用，分析最适添加剂，为油莎豆在南疆沙区的青贮利用提供科学的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

选用中油莎1号油莎豆草地上茎叶作为青贮材料，选定在新疆生产建设兵团第三师54团开展，其生长期为5月3日～9月15日，9月15日(豆子成熟期)将油莎草距离地面2～3 cm刈割，切短至2～3 cm，待贮。植物乳杆菌(3×109cfu/g)购自新疆天康饲料科技有限公司。纤维素酶(活性为20 000 U/g)购自广西南宁庞博生物工程有限公司。表1

表1 油莎豆草青贮原料营养成分

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

设置3个微生物添加剂处理，分别是W1(0.2%植物乳杆菌Lactobacillusplantarumas)；W2(0.5%纤维素酶)；W3(0.2%植物乳杆菌+0.5%纤维素酶)，CK(无添加，喷洒等量的无菌去离子水)为对照组。按相应比例配置菌液和酶制剂。用灭菌喷壶将不同添加剂均匀喷洒在粉碎的油莎豆草上，混匀后装入30 cm×40 cm×0.24 mm透明聚乙烯袋(每袋500 g)，每个处理组和对照组30个重复。将真空密封好的青贮袋放置在室温环境(20±3)℃中发酵，分别在青贮的第0、7、15、30、45、60 d取样，测定青贮pH值、干物质(DM)、粗蛋白(CP)、NDF、ADF、WSC、氨态氮(NH3-N)和相对饲用价值(RFV)，各时间点开袋每个处理随机取3袋，即3次重复；并于青贮第60 d时开袋暴露于空气中，测定青贮饲料的有氧稳定性。

1.2.2 样品采集

开袋后，取青贮袋核心发酵部位样品10 g，放入三角瓶中加90 mL超纯水，混匀后置于4℃冰箱24 h。用2层纱布过滤，取得滤液，用于对青贮pH值和NH3-N含量的测定。剩余样品经105℃烘干后计算青贮DM含量，烘干样品粉碎过筛(0.425 mm筛)后密封备用，用于常规营养成分及WSC测定。

1.2.3 测定指标

1.2.3.1 青贮品质

CP测定采用凯氏定氮法[10]；NDF和ADF的测定采用范氏(Van Soest)洗涤纤维法[10]；WSC采用蒽酮比色法测定[11]。pH值用酸度计(PHS-3C，上海雷磁)测定；NH3-N采用苯酚-次氯酸钠比色法测定[12]，计算RFV[13]。

RFV=DMI×DDM/1.29.

(1)

DMI=120/NDF.

(2)

DDM=88.9-0.779×ADF.

(3)

式中：DMI为干物质随意采食量(%BW)，DDM为可消化干物质含量(%DM)，1.29是饲草DMI×DDM的参数值。

1.2.3.2 有氧稳定性

在发酵60 d 时开袋，袋口要使用干净的纱布裹住，减少微生物与杂质污染和青贮水分快速流失。采用多点式温度记录仪(i500-E3TW，玉环智拓仪器科技有限公司)记录样品温度的变化，将多个探头分别放在发酵袋的样品中心，需在环境中放置3个检测探头，实时监测环境中温度变化，温度记录仪测量时间间隔设置为10 min，每个处理放置3个温度探头[14]。当样品温度高于环境温度2℃时，青贮开始腐败变质，此时记录时间即为有氧稳定时间[12]。

1.3 数据处理

在Excel表中分析处理数据，用SPSS 20.0对数据进行方差分析，选用Duncan法处理间的差异比较。运用Origin 19.0进行绘图。利用Fzuuy数学中隶属函数法对供试对象的青贮品质及其有氧稳定进行综合价值评判，其中，与青贮品质呈正相关的指标(DM、CP 、WSC、RFV和有氧稳定性)采用公式(1)计算，其余指标均呈负相关按照公式(2)计算。

Fij+=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin).

(1)

Fij-=1-(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin).

(2)

式中，Fij为第i个处理第j个指标的隶属度；Xij为第i个处理第j个指标测定值；Xmax、Xmin为所有研究处理中第j项指标的最大值、最小值[14]。

2 结果与分析

2.1 不同添加剂对油莎豆青贮品质的变化

研究表明，各处理pH值在青贮过程中逐渐下降，添加剂处理组的pH值从青贮开始到青贮结束始终低于对照组。且各处理pH值差异显著(P<0.05)，青贮60 d时，W3处理的pH值降至最低，为5.97，W1处理次之，为6.07。图1

图1 不同添加剂对油莎豆青贮pH值的动态变化

NH3-N含量在青贮过程中因蛋白质的降解会逐渐增加，在青贮过程中，CK和W2处理的NH3-N含量始终显著高于其余两个处理(P<0.05)；青贮60 d时CK的NH3-N含量最高(0.22%)，处理组W3最低，为0.16%。图2

图2 不同添加剂对油莎豆青贮NH3-N的动态变化

在青贮0 d时，CK的DM含量显著高于W2(P<0.05)的，与其余处理之间无显著差异(P>0.05)；青贮7～30 d处理W1的DM含量始终显著高于其他处理(P<0.05)；青贮60 d时W1和W3处理的DM含量均显著高于其余两个处理(P<0.05)，W2和CK的DM含量差异显著(P<0.05)，CK的DM含量最低，为28.70%。

CP在青贮过程中缓慢下降，青贮15 d以内，CK的CP含量始终显著低于其余3个处理(P<0.05)；到青贮30 d时，CP含量下降速度开始放缓，W1处理在青贮45 d时显著高于其余处理(P<0.05)；青贮60 d时W1和W3处理的CP含量显著高于其余两个处理(P<0.05)W2和CK的CP含量差异显著(P<0.05)，CK的CP含量最低，为7.13%。

NDF和ADF含量全程变化一致，呈下降趋势，青贮0 d各处理NDF和ADF含量差异并不显著(P>0.05)，除青贮15 d时CK和W1处理NDF和ADF含量无显著差异外，CK的NDF和ADF含量始终显著高于其余处理(P<0.05)，且W3处理的NDF和ADF含量最低，分别为46.23%，27.11%。

青贮过程中WSC含量逐渐降低，青贮前30 d各处理下降幅度均较大，青贮30 d后下降速度有所减缓。青贮前15 d各处理WSC含量迅速下降，在青贮30～45 d时，处理W1和W3的WSC含量无显著差异但显著高于其余处理(P<0.05)；直至青贮60 d时，W3处理WSC含量最高(5.37%)，且与其他处理出现显著差异(P<0.05)，W1次之，为4.94%，CK处理WSC含量最低，为4.07%。表2

2.2 添加剂、青贮时间及其互作对油莎豆青贮品质的影响

研究表明，青贮时间对于油莎豆青贮DM、NDF、ADF、CP、WSC、NH3-N和pH值的变化均表现出极显著影响(P<0.01)，且不同添加剂对于以上各项指标也表现出极显著影响(P<0.01)。并且青贮时间与各处理的交互作用对DM、CP、WSC、NH3-N和pH值的影响极显著(P<0.01)，而对NDF和ADF含量产生显著影响(P<0.05)。表3

表3 不同青贮时间和添加剂下油莎豆青贮营养品质变化

2.3 油莎豆青贮前后营养品质对比

研究表明，在青贮完成后(60 d)各处理与青贮0 d时的pH值、DM、NDF、ADF、CP、WSC、NH3-N含量均有显著差异(P<0.05)，且各处理DM、NDF、ADF、CP、WSC含量和pH值均降低，RFV有不同程度的上升。

各处理的营养品质均与青贮原料的存在显著差异(P<0.05)，且随着青贮时间的推移，各处理的pH值、DM、NDF、ADF、CP、WSC均有不同程度的下降，但RFV值较青贮原料有所升高。青贮完成时对照CK的RFV值最低，与其他处理差异显著(P<0.05)，W3的RFV值最大，而处理W1、W2之间无显著差异(P>0.05)。表4

表4 青贮前后油莎豆营养品质对比

2.4 添加剂对油莎豆青贮有氧稳定性的影响

研究表明，CK与W1-W3处理有氧暴露后稳定的时间分别为75、102、88、115 h。各处理的有氧稳定时间均表现出显著差异(P<0.05)，其中W3处理有氧稳定时间最长，显著高于其余处理(P<0.05)。图3

图3 不同添加剂油莎豆青贮暴露于空气下有氧稳定性变化

2.5 不同添加剂处理油莎豆青贮发酵品质的综合评价

研究表明，综合评价分值越高则青贮品质越好，反之越差。发酵60 d后，不同添加剂处理油莎豆青贮品质的综合排序为W3处理>W1处理>W2处理>CK处理。表5

表5 不同添加剂对油莎豆青贮品质及有氧稳定性隶属函数

3 讨 论

3.1 不同添加剂对油莎豆青贮营养品质的影响

乳酸菌能在很长一段时间内防止青贮饲料质量的快速下降[15-16]。乳酸菌的加入，使处理的WSC含量被大量消耗，纤维素酶与植物乳杆菌同时发酵和酶解时，酶解纤维素产生的还原糖被植物乳杆菌发酵利用[17-18]，促进了发酵进程，导致还原糖含量降低，在发酵前期(0～15 d)W1和W3处理的WSC含量下降速度较快，青贮30 d以后，WSC下降速度放缓，可能是因为乳酸菌增长到一定程度抑制了有害细菌的活动，减少了WSC损失。CK在发酵60 d时的WSC含量较少，其原因是油莎豆自身的乳酸菌数量较少，发酵进程缓慢，不足以抑制有害微生物的活动，导致WSC含量损失较大。

研究发现添加剂处理组的pH值显著低于对照组(P<0.05)；其中，W3处理组的pH值最低，W1次之；油莎豆青贮pH仅降到了5.97，与李苗苗等[9]研究结果相似，可能与油莎豆茎叶细长而强韧，发酵过程较缓慢有关，还需进一步研究。无论是单独添加植物乳杆菌还是联合纤维素酶均能有效降低pH值，而单独添加纤维素酶组pH值较高，说明纤维素酶在抑制有害微生物活动上效率较低，可将纤维素酶和乳酸菌添加剂同时使用，在补充青贮饲料有益乳酸菌数量的同时，提高其发酵底物的数量，可获得较单一添加更理想的效果。

唐振华等[19]研究发现添加乳酸菌能显著提高青贮DM含量。与试验研究结果一致，DM会因发酵过程糖类物质和蛋白质等的分解而降低，而植物乳杆菌与纤维素酶的添加能够有效降低发酵损失，这与黄媛等[20]研究结果一致。试验结果还显示，3种添加剂处理的CP含量显著高于无添加剂的对照组，在青贮过程中添加剂的加入可降低饲料的氮素损失量，CP是评价粗饲料品质的重要指标，青贮饲料中NH3-N含量主要由于微生物对粗饲料中蛋白质和氨基酸进行分解和再利用而产生，氨态氮的含量直接反映着青贮饲料中蛋白质水平的降解程度，其比率越大，被充分分解的氨基酸和蛋白质数量就越多，青贮效果也就越差[9]。植物蛋白酶和其他微生物活性在蛋白水解中起重要作用[21-22]，青贮发酵过程中植物蛋白酶与微生物分解利用粗蛋白，产生多肽、游离氨基酸、氨等物质，造成粗蛋白含量的下降，试验的添加剂处理有较低的酸度环境，抑制了腐败菌、梭菌等降解，CP的损失较小。研究中，添加剂在一定程度上减少了油莎草青贮粗蛋白含量的损失，氨态氮的比例较低。与Tao等[23]在紫花苜蓿青贮中使用柠檬酸渣和乳酸菌的研究结果相吻合。与未添加纤维素酶的CK相比，添加纤维素酶降低了氨态氮含量，这可能与纤维素酶的抑菌作用有关。

饲料中NDF和ADF含量的高低与家畜采食量和消化率息息相关，其含量越低，营养品质越好[24]。研究中，植物乳杆菌和纤维素酶的添加显著降低了油莎豆青贮的NDF和ADF含量，这与王亚芳等[25]的研究结果一致，纤维素酶对植物细胞壁的水解作用可以降低纤维含量。而单独添加植物乳杆菌和纤维素酶油莎豆青贮NDF和ADF含量无显著差异，但混合添加植物乳杆菌和纤维素酶油莎豆青贮NDF和ADF含量最低，对纤维素降解效果较好，与刘梦洁[26]研究结果一致，而江春[27]研究表明，植物乳杆菌发酵主要消耗含糖类物质，对木质纤维素结构几乎没有影响。这可能与发酵环境，发酵原料有关。因NDF和ADF含量的降低，RFV值自然升高。研究发现W3的pH值、NH3-N、NDF和ADF含量最低，DM、CP、WSC、RFV含量最高，原因是植物乳杆菌能够有效联合纤维素酶在发酵初期增加可利用底物数量和种类，提高利用WSC效率的同时抑制有害菌的活动，促进了青贮的有益发酵。

3.2 不同添加剂对油莎豆青贮有氧稳定性影响

青贮接触空气后呼吸作用增加，好氧腐败菌开始大量扩散和增殖，青贮饲料温度随之升高，同时分解乳酸，使pH值升高，有害菌(如酵母菌、霉菌)活动频繁，从而造成腐败。有氧稳定时间越短有氧稳定性越差，越容易发生有氧腐败，试验中添加剂处理的有氧稳定性均较对照组好，W3处理>W1处理>W2处理>CK处理。因为添加植物乳杆菌和纤维素酶后发酵底物充足，造成较低pH环境，抑制了腐败菌的增殖。同型发酵乳酸菌产生的环二肽、苯乳酸和羟基脂肪酸对酵母菌和霉菌有明显的抑制作用[28-29]，有助于有氧稳定性的提高；W2组有氧稳定时间延长主要是由于添加的纤维素酶抑制了腐败菌的增殖[30]。W3组有氧稳定性最高，达115 h，可能是由于植物乳杆菌和纤维素酶的协同作用使青贮发酵效果最佳，较低的pH环境下，好氧腐败菌数量较少不易生长，延长了有氧稳定性的时间。

4 结 论

不同添加剂对油莎豆青贮中饲料青贮品质和有氧稳定性有显著影响。添加植物乳杆菌(0.2%)+纤维素酶(0.5%)的处理综合价值评分最高(0.93)。混合添加植物乳杆菌和纤维素酶的油莎豆青贮，开袋后在发酵品质，提高有氧稳定性方面均优于单一添加植物乳杆菌(0.2%)或单一添加纤维素酶(0.5%)的油莎豆青贮。