不同添加剂对中药渣青贮品质的影响

2024-01-06詹佳琦陈丹丹郭田心陈晓阳

草地学报 2023年12期

詹佳琦,陈丹丹,郭田心,郭香,吴硕,陈晓阳,周玮,张庆

(华南农业大学林学与风景园林学院,广东木本饲料工程技术研究中心,广东省森林植物种质创新与利用重点实验室,亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室,广东广州 510642)

随着中医业的迅猛发展,中药渣作为提取中草药原料所遗留的下脚料,在中成药、中药饮品及含中药成分的日化产品日益增加的同时其产量也逐渐增加。目前,我国中药与天然药用生物资源的种植面积已经超过了240万hm2,每年中药渣产量高达1 200万t[1]。然而无论是中药饮品还是医疗使用的各类药材,亦或是食疗等产生的中药废渣均没有得到合理的利用。常见的处理中药渣的方式主要有填埋、焚烧、堆放等,这些处理方式不仅占用土地,导致环境污染,还会造成资源浪费[1]。随着可持续发展的观念深入人心,如何有效利用中药渣引起了人们的广泛关注。在积极寻找中药渣绿色处理方式的同时,我国畜牧业在发展过程中因受多种因素制约所引起的饲料短缺问题也引起了人们的注意,其中优质牧草供应不足是现阶段制约我国畜牧业发展的主要因素之一[2-3]。随着农业结构侧改革的进行且在我国饲料资源不足的现象日益凸显的情况下,畜牧行业需要进一步开发新型饲料,其中将经处理后的中药渣加工调制成非常规饲料可能是有效解决饲料短缺、促进废弃物回收循环利用的方法之一。

刘瑜彬等的研究表明[4],中药渣作为发酵原料发酵后,不仅具有较高的营养价值,且具有一定的药学功能,其可以作为饲料原料或功能性添加剂。朱彤等[5]用含中药渣的发酵饲料饲喂畜禽后发现,中药渣的添加可以提高饲料转化率,改善畜禽产品品质,促进猪只生长,同时在减少不同猪群粪污的排泄量和环境污染等方面有着独特的作用。李华磊等[6]在用“十全大补”发酵中药渣对48头21日龄仔猪进行饲用安全性试验的研究表明,在提高断奶仔猪生长性能及其抗氧化力、降低腹泻率、提高其机体体液免疫方面,中药渣有着独特的积极作用。目前,中药渣利用率普遍较低,主要是由于植物源中药中存在植物细胞壁,其中大量的活性营养成分不易被动物利用,因此合理的对中药渣进行生物发酵、添加剂处理,不仅能够破坏中草渣的细胞壁、降解纤维素、促进动物的营养吸收,还能够有效的减少中药渣的毒副作用[7]。纤维素酶(Cellulase,CE)是一种能够专一性降解纤维素的高活性生物催化剂[8]。在青贮中添加纤维素酶可以使结构性碳水化合物更易被水解利用,从而有效地缩短厌氧发酵周期、促进乳酸发酵[9-10]。果胶酶(Pectase,PE),是一类能够有效分解果胶质的酶,生产饲料时,碱性果胶酶能够与纤维素酶、半纤维素酶混合,降解植物细胞壁中的果胶和纤维,同时释放出淀粉、蛋白质、维生素等物质,进而提高饲料的营养价值。此外,在饲料中添加碱性果胶酶,还可以调整饲料黏度,从而使动物对饲料的营养物质吸收效果提升[11]。木聚糖酶(Xylanase,XY)可以使木聚糖类半纤维素降解为低聚糖与木糖,将青贮原料细胞壁的表面结构打破,令纤维素网状结构变得松散,比表面积增大,从而使饲料更易被瘤胃微生物附着与分解,进而提高饲料的消化率[12]。Desta等人[13]在象草(Pennisetumpurpureum)的青贮试验中添加了木聚糖酶,结果发现青贮过程中水溶性碳水化合物含量和乳酸含量增加,半纤维素的含量降低。

综上所述,本试验将通过在中药渣中添加不同浓度葡萄糖(Glucose,G)和纤维素降解相关酶制剂,以直接或间接的方式供应中药渣青贮过程中充分的发酵底物(可溶性糖碳水化合物),此外在酶类降解反应过程中辅佐以添加产酸能力强的植物乳杆菌菌株加速发酵进程,尝试改善中药渣青贮品质,以期为中药渣青贮品质改善的技术提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验在佛山某中药饮品加工企业收集得到废弃中药渣,分别命名为中药渣1[黄芪(AstragaliRadix)、山药(DioscoreaRhizoma)与茯苓(Poria)混合中药渣]与中药渣2[柴胡(BupleurumchinensisDC)]。两组中药渣均分别添加不同浓度葡萄糖(G);植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum,LP)与不同的酶(E)组合进行34天的青贮,其中酶共3种,分别为纤维素酶(E1)、果胶酶(E2)和木聚糖酶(E3)(酶均产自湖南盛东生物科技有限公司,纤维素酶的酶活为2×104U·g-1,果胶酶活为3×104U·g-1,木聚糖酶的酶活为2×105U·g-1)。

本试验所用植物乳杆菌(Lactobacillusplantarum,LP)为辣木叶(Moringaoleifera,M)青贮饲料中分离并鉴定出的菌株。2019年5月在华南农业大学启林北试验田人工采集辣木叶后,立刻带回实验室进行切碎并混合均匀,按照试验设计分装至聚乙烯塑料袋(20 cm×30 cm)中,每袋约200 g,真空封口机抽真空并密封保存。经过60 d青贮发酵后开袋取样并进行梯度稀释MRS琼脂培养基选择培养后分离出96株乳酸菌菌株,从中挑选出的植物乳杆菌菌株,培养24小时后产酸能力较强(pH=3.8)[14]。

1.2 试验设计

试验一研究不同浓度的葡萄糖对不同中药渣青贮品质的影响,设对照组CK,试验组分别为0.5%G(0.5 g葡萄糖与100 mL蒸馏水混合均匀后,均匀喷洒到200 g中药渣当中)、1%G(1 g葡萄糖与100 mL蒸馏水混合均匀后,均匀喷洒到200 g中药渣当中)。

试验二研究植物乳杆菌和酶制剂对不同中药渣青贮品质的影响,设对照组CK,试验组分别为植物乳杆菌+纤维素酶(LP+E1)、植物乳杆菌+果胶酶(LP+E2)、植物乳杆菌+木聚糖酶(LP+E3),各组中药渣用量同样为200 g。其中CK为空白对照组,添加等量的纯水混匀;LP添加量是106cfu·g-1,酶添加剂的添加量均为200 U·g-1。

1.3 试验指标测定

本试验所涉及指标的测定方法均参照王成等[15]的研究,并在其方法上做适当的修改及补充。

中药渣青贮料混合均匀后取出约70.0 g放置于信封袋中,65℃条件下烘2天至恒重,根据记录的烘前烘后样本重量,计算干物质含量[16]。采用蒽酮比色法测定水溶性碳水化合物(Water-soluble carbohydrate,WSC)含量[17]。

准确称取10.0 g中药渣青贮样品与90 mL的蒸馏水混合均匀,放置于4℃冰箱中过夜浸取,摇床震荡1 min后利用定性滤纸过滤,采用雷磁pHS-3C型pH计测定滤液的pH值[18]。将测定pH值后的滤液用0.22 μm的水系微孔滤膜过滤后,再采用岛津GC-14型高效液相色谱仪(色谱柱:Shodex Rspak KC-811 s-DVB gel column,日本。检测器:SPD-M10AVP)测定有机酸[乳酸(Lactic acid,LA)、乙酸(Acetic acid,AA)]的含量[19]。根据苯酚-次氯酸钠比色法[21],配制以绝干(NH4)2SO4为标准品的标准铵溶液,并制作标准曲线,经预试验后,向适量样品浸提液加入5 mL苯酚溶液和4 mL次氯酸钠溶液,置于95℃恒温水浴锅中反应5 min,冷却后于630 nm波长下测OD值,计算得出氨态氮(NH3-N)含量。

将20.0 g青贮样品与180 mL无菌生理盐水充分振荡后逐级稀释。30℃条件下用MRS琼脂培养基和结晶紫中性红胆盐琼脂培养基分别培养乳酸菌和大肠杆菌48 h;28℃条件下用孟加拉红培养基培养酵母菌和霉菌48 h。平板计数法测定微生物数量[19-20]。本试验培养基均购自广州鼎国生物技术有限公司。

称取0.5 g中药渣青贮后干粉,加入浓硫酸和催化剂(硫酸钾∶硫酸铜,5∶1)消煮完成后,用凯氏定氮仪(FOSS Kjeltec 8400,丹麦)测定粗蛋白质含量[22]。根据范氏纤维法[23],使用纤维分析仪测定酸性洗涤纤维(Acid detergent fiber,ADF)和中性洗涤纤维(Neutral detergent fiber,NDF)的含量。

1.4 数据统计

采用SPSS 19.0进行双因素方差分析(Two-way ANOVA),两个因素互作时用Duncan法对各组进行多重比较,P<0.05为差异显著。

2 结果与分析

2.1 青贮前中药渣的特性

中药渣1和中药渣2的干物质含量差异较小(约为32.57%和35.88%)(表1),中药渣1的中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维含量比中药渣2高。中药渣1和中药渣2的可溶性碳水化合物含量分别是8.79%DM和10.87%DM;粗蛋白含量分别是11.75%DM和10.36%DM。中药渣1和2表面附着的乳酸菌、酵母菌、霉菌和大肠杆菌数量均小于2. 00 lg cfu·g-1FM。

表1 中药渣原料青贮前的特性(±SD,n=3)Table 1 Characteristics of traditional Chinese medicine residues before silage (±SD,n=3)

2.2 添加葡萄糖对中药渣青贮品质和营养价值的影响

由表2可知,不同浓度的葡萄糖添加到两类中药渣中后降低了青贮饲料的pH值(P<0.01),仅在0.5%G添加处理的中药渣2青贮饲料中作用不明显。0.5%G处理显著增加了中药渣1的干物质含量(P<0.05)。添加0.5%G对不同中药渣乳酸菌计数的变化不同,中药渣1中乳酸菌含量显著降低(P<0.05),而中药渣2的乳酸菌含量却显著增加(P<0.05)。在中药渣1发酵饲料中,仅在添加1%G处理组中检出酵母菌。添加0.5%G处理后,中药渣2中酵母菌含量显著增加(P<0.05)。此外中药渣1添加0.5%G后乳酸和乙酸含量显著增加(P<0.05),中药渣2添加1%G后,乳酸和乙酸含量显著下降(P<0.05)。与对照相比,中药渣2用1%G处理后,可溶性碳水化合物含量显著增加(P<0.05)。此外,当中药渣所包含的种类不同时,其干物质含量具有显著差异(P<0.05),中药渣种类对pH值、可溶性碳水化合物及粗蛋白含量也有极显著影响(P<0.01)。不同的添加剂处理与中药渣种类的交互作用对乳酸菌、乙酸及可溶性碳水化合物含量具有极显著影响(P<0.01),对乳酸含量有显著影响(P<0.05)。

表2 添加葡萄糖对中药渣1和2青贮品质和营养价值的影响Table 2 Effects of adding glucose on the silage quality and nutritional value of chinese medicine residue 1 and 2

2.3 添加LP和不同酶对中药渣1和中药渣2青贮品质和营养价值的影响

由表3可知,LP与酶制剂混合处理后两种中药渣中的干物质含量并没有发生明显变化,但它们显著降低了pH值(P<0.05)。LP+PE处理后两种中药渣中的乳酸菌显著减少。所有的处理中均未检测到霉菌和大肠杆菌,仅在LP+CE处理的中药渣2中检测到酵母菌。LP与不同酶制剂的混合处理均降低了两种中药渣的氨态氮、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量(P<0.05)。与对照相比,LP+CE处理后的中药渣1酸性洗涤纤维含量显著下降(P<0.05),LP+CE和LP+PE处理后的中药渣1中的中性洗涤纤维含量显著下降。虽然相较于对照组,除了LP+CE处理显著增加了中药渣1的粗蛋白含量以外(P<0.05),其他试验组中粗蛋白含量并没有明显变化,但添加剂处理对两种中药渣的粗蛋白含量影响极显著(P<0.01)。

表3 添加LP和不同酶对中药渣1和2青贮品质和营养价值的影响Table 3 Effects of adding lp and different enzymes on the silage quality and nutritional value of chinese medicine residues 1 and 2

3 讨论

3.1 中药渣原料特点

依据Jessie等[24]的报道,饲草的干物质含量在30%～35%之间是达到良好青贮发酵效果的指标之一。两种中药渣的干物质含量达到了理想发酵的要求。中药多为植物,绝大多数纤维含量高,根据黎智华等[25]的研究发现,适宜的纤维含量有利于促进动物消化道发育、刺激胃肠蠕动及分泌消化液,还可以缓解有害物质对动物肠黏膜的损伤,但纤维含量过高会降低饲料的适口性,同时影响营养物质的吸收利用。NDF或ADF作为粗纤维中的主要成分,它们是保证奶牛瘤胃正常发酵的重要指标[26]。与王春梅等[27]的研究结果相比,本研究中药渣原料的中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维含量相对较高。利用参与纤维素降解相关的酶类对中药渣进行发酵前期的预处理,不仅可以使得植物细胞内的营养成分得到有效释放促进反刍动物对此类非常规饲料中营养物质的吸收,被降解的纤维素还能转化为反刍动物可利用的可溶性碳水化合物,厌氧条件下为乳酸菌提供充分的发酵底物、加速发酵进程[28]。当前的研究中由于中药渣的纤维素含量较高,即使其WSC含量能满足良好发酵的基本要求(>38 g·kg-1),也无法确保乳酸菌能够有效的利用[29]。此外中药渣表面附着的乳酸菌数量较低(<5 lg cfu·g-1),这都无法确保中药渣在青贮过程中稳定发酵,致使营养物质无法获得良好保存,因此需要有效的添加剂来促进中药渣青贮饲料发酵过程中乳酸菌的发酵并减少营养损失。

3.2 添加葡萄糖中药渣青贮品质和营养价值

pH值是衡量青贮饲料品质的重要指标。一般认为青贮饲料pH值低于4.2时,腐败微生物能被抑制,青贮饲料能得到良好的发酵效果。但pH值过低不利于有益菌的生存[19]。根据何立贵[30]给出的pH值与青贮质量之间的关系标准,可知pH值在3.5～4.1范围内最有利于青贮品质。在本试验中所有处理组的pH值均低于4.2,这可能是中药渣青贮后不良微生物(大肠杆菌、霉菌)的生长受到明显抑制,达到良好抑菌效果的原因。张涛等[31]及赵庆杰等[32]的研究表明,乳酸菌可以降低pH值及蛋白质的分解,减少干物质损失,从而获得优质的青贮饲料。在中药渣青贮发酵过程中乳酸菌是优势菌种,添加0.5%G更加增长了中药渣2中乳酸菌的生长活性。但根据Ohmomo等[33]的报道,许多乳酸菌菌株在pH值低于4.0的环境下时耐受性较弱,本试验中各处理组pH值均低于4.0,且添加了不同浓度的葡萄糖后中药渣的pH值降低,这可能是0.5%G处理的中药渣1中乳酸菌数量下降的原因。整个青贮发酵期间,无论是否添加0.5%的葡萄糖,中药渣1中均未检测出酵母菌,可能是因为中药渣1中具有抑制其生长的活性成分,但是添加1%G后,酵母菌的生长在中药渣1中明显增加,这可能是因为充分的发酵底物给酵母菌的生长提供了所需养分,使得酵母菌在发酵初期正常生长,同时,在中药渣2中添加0.5%的葡萄糖后,可能已达到了酵母菌生长所需的最适发酵底物需求,因此其数量显著增加(P<0.05)。氨态氮含量能反映蛋白的降解速率,当粗蛋白被转化成氨态氮以后,并不能被反刍动物有效利用,而是大部分被微生物转化成菌体蛋白,氨态氮含量越高,意味着蛋白营养损失越严重[34]。尽管在当前的研究中,添加葡萄糖以后,并没有显著减少氨态氮含量,但与对照组相比,所有处理组氨态氮的含量均有所下降。

3.3 添加LP和不同酶青贮34天后的发酵中药渣品质

pH值的变化解释了不良微生物的生长情况。青贮34天以后,在中药渣青贮饲料中均未检测到大肠杆菌、酵母菌、霉菌的存在,这可能是因为较强的酸性条件抑制了其生长活性。纤维含量是评价粗饲料品质最主要的指标之一,中药渣在添加LP与不同酶组合的青贮添加剂后,酸洗洗涤纤维和中性洗涤纤维含量显著减少(P<0.05),这可能是由于酶制剂有效地将纤维素降解成了微生物可直接利用的单糖,加速了乳酸菌发酵进程,产生大量的有机酸,这个变化规律与pH值的变化也是一致的[35]。此外,添加LP与不同酶的组合后,中药渣粗蛋白含量增加同时减少了氨态氮的产生。