糖蜜和植物乳杆菌对啤酒花枝叶青贮品质、微生物数量及瘤胃降解率的影响
2024-04-28鲜欧洋李肖陈永成王挺王旭哲张凡凡马春晖
鲜欧洋 李肖 陈永成 王挺 王旭哲 张凡凡 马春晖
doi:10.6048/j.issn.1001-4330.2024.03.022
摘 要:【目的】研究糖蜜和植物乳杆菌对啤酒花枝叶青贮品质、微生物数量及瘤胃降解率的影响。
【方法】以啤酒花枝叶为原料,研究添加糖蜜与植物乳杆菌对啤酒花枝叶青贮发酵特征及绵羊瘤胃降解率的影响,设置处理无添加剂处理(CK)、5%糖蜜(Molasses,M0处理)、5%糖蜜+105 CFU/g FM植物乳杆菌的组合(Molasses and Lactobacillus plantarum,M1)3个处理。均在室温(19~23℃)下贮藏90 d后评价感官质量,测定分析青贮品质、微生物数量和瘤胃降解率。
【结果】(1)M0、M1处理的感官质量评价优于对照处理,M1处理的DM显著高于CK和M0处理(P<0.05),M1处理的CP显著高于CK处理(P<0.05),M0、M1处理的WSC显著高于CK处理(P<0.05)。M1处理的NDF显著低于CK和M0处理(P<0.05),M0、M1处理的ADF显著低于CK处理(P<0.05),M1处理的LA显著高于CK、M0处理(P<0.05),M1处理的AA显著高于CK处理(P<0.05),M0、M1处理的pH、NH3-N/TN均显著低于CK处理(P<0.05);(2)M1处理的乳酸菌显著高于CK、M0处理(P<0.05),M0、M1处理的酵母菌显著低于CK处理(P<0.05);(3)瘤胃降解12 h时,各处理之间DMD差异不显著,M0、M1处理的OMD、ADFD、NDFD显著高于CK处理(P<0.05);瘤胃降解24 h时,M1处理的DMD显著高于CK处理,M0、M1处理的OMD、ADFD、NDFD显著高于CK处理(P<0.05);瘤胃降解48 h时,M1处理的DMD、ADFD显著高于CK、M0处理(P<0.05),M0、M1处理的OMD、DNFD显著高于CK处理(P<0.05)。
【结论】糖蜜和植物乳杆菌在啤酒花枝叶青贮发酵中起到了良好的协同作用,有效地改善了青贮品质,抑制了啤酒花枝叶青贮过程中有害微生物的生长,促进了瘤胃微生物的活动。
关键词:啤酒花枝叶;植物乳杆菌;青贮;发酵品质;瘤胃降解率
中图分类号:S182 文献标志码:A 文章编号:1001-4330(2024)03-0719-08
收稿日期(Received):
2023-07-23
基金项目:
农业农村部:国家现代农业产业技术体系项目(CARS);新疆维吾尔自治区优质饲草产业技术体系项目(2022XJSC-Z-02);新疆维吾尔自治区创新环境(人才、基地)建设专项(2021D14008);昌吉州适度规模化肉牛育肥的技术集成与示范推广项目(2021Z02)
作者简介:
鲜欧洋(1996-),男,新疆乌鲁木齐人,硕士研究生,研究方向为饲草加工与生产,(E-mail)709542017@qq.com
通讯作者:
张凡凡(1989-),男,新疆乌鲁木齐人,副教授,博士,硕士生导师,研究方向为饲草加工与生产,(E-mail)zhangfanfan@shzu.edu.cn
马春晖(1966-),男,新疆哈密人,教授,博士,硕士生/博士生导师,研究方向为饲草加工与生产,(E-mail)chunhuima@126.com
0 引 言
【研究意义】啤酒花(Humulus Lupulus L.)为桑科葎草属多年生缠绕植物,属单性花,雌雄异株[1],在我国主要种植于新疆和甘肃两省(区),主要用于制作啤酒原料[2]。啤酒花枝叶是啤酒花加工副产品,研究其青贮品质、微生物数量及瘤胃降解率变化,对分析青贮发酵中的协同作用及品质改善有重要意义。乳酸菌在原料发酵过程中起着关键作用,乳酸菌的添加可以促进青贮发酵,对提高青贮营养品质具有现实意义。【前人研究进展】啤酒花废弃枝叶中含有丰富的营养物质[3],已有将啤酒花废弃枝叶直接饲喂、堆肥发酵的相关研究,并在牛、豬、鸡等家畜中应用,显示能改善肠道内环境以及养分消化率,减少瘤胃甲烷排除[4-5]。青贮是长期保存青绿饲草料营养物质最经济便捷的加工方式之一[6],但是啤酒花废弃枝叶中的α-酸和β-酸含有苦味物质且含糖量较低,加大了青贮失败风险[7],因此在青贮过程中,通常通过外源添加发酵底物,最大程度减少青贮的营养损失。可溶性糖是评价青贮饲料营养品质的重要指标,只有在可溶性糖含量在2.5%以上才能很好的青贮,低于2.5%往往会加大青贮失败的风险[8]。糖蜜富含糖类物质,可在微生物生长繁殖的过程中提供丰富的碳源,在青贮发酵过程中作为前期乳酸菌快速发酵的补充[9]。【本研究切入点】植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)属于同型发酵乳酸菌,可以调控乙醇和氨态氮含量在较低水平,进而减少消耗,有助于青绿饲料长期稳定保存[10]。啤酒花枝叶是目前尚未开发的动物饲料原料。目前有关植物乳杆菌与糖蜜接种对啤酒花废弃枝叶青贮发酵特征及绵羊瘤胃降解率的影响研究尚未见报道。需研究糖蜜和植物乳杆菌对啤酒花枝叶青贮品质、微生物数量及瘤胃降解率的影响。【拟解决的关键问题】设置添加糖蜜、植物乳杆菌以及糖蜜混合添加调制啤酒花枝叶青贮饲料3个处理,分析其营养品质、发酵特征及瘤胃降解率,研究其对啤酒花废弃枝叶青贮的影响,为调制啤酒花废弃枝叶青贮饲料提供科学根据。
1 材料与方法
1.1 材 料
啤酒花(Humulus Lupulus L.)枝叶采自新疆塔城奥布森生态农场(46.58°N,83.27°E,海拔490 m),2021年9月5日采用粉碎机粉碎至2~3 cm长度;植物乳杆菌(活菌数:1×105 CFU/g,FW)由中国农业微生物菌种保藏管理中心(ACCC)提供;糖蜜(总糖含量≥50%)由中粮(昌吉)屯河糖业股份有限公司提供。选择昌吉回族自治州玛纳斯县红沙湾村的3只体重(45±2) kg、体态健康并安装永久瘤胃瘘管的哈萨克羊,采用单栏独立饲养方式。试验饲粮的精粗比为1∶2(DM基础),每只羊定量饲喂200 g/d精料,苜蓿干草1 kg,全天不限制饮水,每日饲喂2次,预试期15 d,正试期7 d,术后恢复2周后开始放样。
1.2 方 法
1.2.1 试验设计
设计CK处理(无菌剂添加对照)、M0处理(添加5%糖蜜)、M1处理(5%糖蜜+105 CFU/g FM植物乳杆菌)3个处理组,每组设置3次重复。将菌剂与原料充分混匀。各处理分别称取3 kg样品于青贮袋,抽真空后密封,室温保存。发酵结束后(第90 d),测定营养品质、发酵指标、微生物数量及瘤胃降解率并对样品进行感官质量评价。
1.2.2 测定指标
1.2.2.1 感官质量
主要对青贮的色泽、气味和质地3项核心指标进行感官质量评价[11]。
1.2.2.2 营养品质
采用烘干法测定干物质(dry matter,DM)、凯氏定氮法测定粗蛋白(crude protein,CP)[12],范式纤维洗涤法(Van Soest)测定中性洗涤纤维(neutral detergent fiber,NDF)、酸性洗涤纤维(acid detergent fiber,ADF)[13],蒽酮—硫酸比色法测定可溶性碳水化合物(water soluble carbohydrates,WSC)[14]。
1.2.2.3 发酵品质
采用酸度计测定pH,苯酚—次氯酸钠比色法测定氨态氮(NH3-N)含量[15],高效液相色谱法测定乳酸(lactic acid,LA)、乙酸(acetic acid,AA)丙酸(propionic acid,PA)、丁酸(butyric acid,BA)[16]。
1.2.2.4 主要微生物数量
通过MRS培养基培养乳酸菌(lactic acid bacteria,LAB)[17]、高盐察氏培养基培养酵母菌、麦芽糖浸粉琼脂培养基培养霉菌、营养琼脂培养基培养好氧细菌(aerobic bacteria,AB)(培养基均购自北京陆桥技术股份有限公司)。采用平板计数法计算微生物数量[18]。
1.2.3 绵羊瘤胃降解率
采用瘤胃瘘管尼龙袋法测定干物质降解率(DMD)、中性洗涤纤维降解率(NDFD)、酸性洗涤纤维降解率(ADFD)和有机物降解率(OMD)。各处理样品经烘干、粉碎处理过筛至粒径为1.0 mm,准确称取3 g各待测样品放入孔径45 μm,规格为5 cm×10 cm 的尼龙袋,于晨饲后2 h后打开瘤胃瘘管放入各试验绵羊瘤胃内,在瘤胃降解12 h、24 h、48 h分别收集尼龙袋,反复冲洗浸泡漂洗至洗净烘干至恒重待用。
1.3 数据处理
试验数据采用Excel 2019进行整理,使用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析(ANOVA),多重比较采用Duncan法。各指标瘤胃降解率计算方法公式如下[19]:
Dx = [(MA - MB) / MA ] × 100%.
式中,Dx为待测样品某成分的瘤胃降解率(%);
MA为待测样品某成分含量(g);
MB为过瘤胃残留物中某成分含量(g)。
2 结果与分析
2.1 糖蜜和植物乳杆菌接种啤酒花废弃枝叶青贮感官质量评价
研究表明,CK处理为褐绿色,M0、M1处理均为黄褐色;CK处理芳香味不明显,有微弱丁酸味,M0、M1处理芳香味明显,有较强乳酸气味;CK处理有轻微结块,略黏手,M0、M1处理茎叶结构松散,无霉变。综合感官质量评价CK处理一般,M0、M1处理良好。表1
2.2 糖蜜和植物乳杆菌对啤酒花废弃枝叶青贮品质和微生物数量的影响
研究表明,原料(第0 d)DM、CP、NDF、ADF、pH显著高于发酵组(CK、M0、M1)(P<0.05),NH3-N/TN、LA、AA显著低于发酵组(CK、M0、M1)(P<0.05),WSC含量显著高于CK处理;BA未检测出,PA差异不显著(P>0.05)。发酵结束后(第90 d),M1处理DM和LA含量显著高于CK和M0处理(P<0.05),CP和AA含量显著高于CK处理(P<0.05),M0、M1处理WSC含量显著高于CK处理(P<0.05),pH、NH3-N/TN均显著低于CK处理(P<0.05)。M1处理NDF含量显著低于CK和M0处理(P<0.05),M0、M1处理的ADF含量显著低于CK处理(P<0.05)。
原料(第0 d)酵母菌和好氧细菌显著高于发酵组(CK、M0、M1)(P<0.05),乳酸菌显著低于发酵组(CK、M0、M1)(P<0.05);发酵结束后,M1处理的乳酸菌显著高于CK、M0处理(P<0.05),M0、M1处理的酵母菌显著低于CK处理(P<0.05),M0、M1的霉菌低于检出限,3个处理间的好氧细菌差异不显著(P>0.05)。表2
2.3 植物乳杆菌和糖蜜接种对啤酒花废弃枝叶青贮绵羊瘤胃降解率的影响
研究表明,瘤胃降解12 h時,各处理之间DMD差异不显著(P>0.05),M0、M1处理的OMD、ADFD、NDFD显著高于CK处理(P<0.05);瘤胃降解24 h时,M1处理的DMD显著高于CK处理(P<0.05),M0、M1处理的OMD、ADFD、NDFD显著高于CK处理(P<0.05);瘤胃降解48 h时,M1处理的DMD、ADFD显著高于CK、M0处理(P<0.05),M0、M1处理的OMD、DNFD显著高于CK处理(P<0.05)。表3
3 讨 论
3.1 植物乳杆菌和糖蜜对啤酒花废弃枝叶营养品质的影响
青贮发酵中好氧细菌等有害微生物的活动,如呼吸作用会消耗青贮中DM含量[20]。试验中,青贮发酵组(第90 d)DM含量均低于原料(第0 d),而在发酵组中,M1处理的DM显著高于M0和CK处理,这是由于糖蜜的添加为青贮发酵提供了额外的底物,这可以促进青贮体系中产生足够的乳酸,使pH降低,同时抑制好氧微生物活动[21],减少了DM损失,植物乳杆菌和糖蜜联合添加效果更加明显。啤酒花废弃枝叶青贮发酵组(第90 d)相比于原料(第0 d)粗蛋白质含量显著下降,是由于参与青贮发酵的某些微生物具有降解蛋白质的作用,其中蛋白水解菌和植物酶可引起植物粗蛋白降解并伴随着NH3-N的产生。与CK相比,有糖蜜添加的处理均能降低pH值,导致NH3-N/TN降低。而同时添加糖蜜和植物乳杆菌显著降低了NH3-N含量,从而保持了CP含量。是在发酵底物充足的前提下,植物乳杆菌促使体系快速发酵造成的低pH环境,抑制了蛋白水解菌和植物酶的活性[22]。因此,在啤酒花废弃枝叶青贮中添加植物乳杆菌可以最大程度上减少氮源流失。添加处理青贮的NDF和ADF含量显著低于对照青贮,
是由于植物乳
杆菌的添加促进了微生物的增殖,糖蜜为发酵提供了底物,植物乳杆菌及其产生的多种酶对纤维结构破坏,促进了微生物的呼吸作用和纤维成分的分解[23]。WSC是青贮发酵的一个重要因素,糖蜜属于发酵促进剂,可促进LA发酵中可溶性碳水化合物的利用。原料中的WSC仅为3.29%(干物质基础),
低于发酵良好的青贮的最低WSC含量标准(干物质基础的5%)[24],在没有任何添加剂的情况下,青贮保存营养物质的能力不佳,致使啤酒花废弃枝叶发酵效果不理想。足够的WSC含量可以为乳酸发酵提供更多的物质基础,接种植物乳杆菌在发酵早期过程中将WSC转化为乳酸,可确保青贮期间WSC的有效转化和利用,降低pH和减少营养损失[25]。
3.2 植物乳杆菌和糖蜜接种对啤酒花废弃枝叶青贮发酵品质和微生物数量的影响
青贮过程会产生复杂的细菌发酵,会导致有机酸的积累和pH的下降。pH对青贮的发酵质量起着关键作用[26]。在整个青贮期内,糖蜜组和糖蜜与植物乳杆菌联合添加组的pH值均顯著低于对照处理,其中糖蜜和植物乳杆菌组合的pH降幅最大。低pH直接增加了可发酵底物的含量,促进了LA的充分生产和青贮营养物质的保存。青贮前M0、M1处理均可以显著刺激pH的下降。然而,添加糖蜜和植物乳杆菌组合比单独添加糖蜜表现出更低的pH值,是因为在前期青贮过程中,WSC在一定程度上被植物乳酸菌分解,反过来可能加速了乳酸菌在青贮环境中建立优势菌群,乳酸菌占领主导地位,加速了pH的快速下降[26]。有机酸对青贮发酵品质评价具有重要参考意义。青贮pH也与青贮体系有机酸的变化有关。其中,LA通过LAB增殖生长产生促进青贮体系良性发酵的代谢产物[27]。试验中,糖蜜和植物乳杆菌组合添加青贮LA含量显著高于其他青贮处理,添加植物乳杆菌会加速LA的积累,从而导致啤酒花枝叶青贮pH值下降。M1处理的LA含量显著高于其他处理,植物乳杆菌在青贮发酵体系中通过充分利用发酵基质生成LA,使青贮体系中的pH下降,形成低酸环境,抑制多种挥发性脂肪酸(如PA等)的生成,并提高AA生成量[28]。各处理均未检测出丁酸,可能是啤酒花本身含有α-酸和β-酸具有抑菌性,对产丁酸的微生物产生了抑制作用[29]。与对照组相比,M0、M1处理LAB含量提高27.3%~39.6%,显著减少了好氧细菌和霉菌的数量,使好氧细菌、酵母菌的活动受到抑制,是因为添加糖源供应了青贮的发酵底物以及植物乳杆菌的添加产生足够的乳酸来降低pH值并限制其他有害细菌的生长,促进了乳酸菌繁殖生长[30]。添加剂可以减少啤酒花废弃枝叶青贮中无益微生物数量,其中糖蜜和植物乳杆菌组合添加的效果最佳。
3.3 植物乳杆菌和糖蜜对啤酒花废弃枝叶青贮瘤胃降解率的影响
瘤胃降解率能够很好地反映饲料在瘤胃中的消化利用程度,DMD可以在一定程度上反映反刍动物干物质采食量,饲料总利用率主要通过OMD来衡量[31]。研究中,复合添加植物乳杆菌和糖蜜发酵情况良好,有利于动物消化利用,因此OMD较高。各处理在青贮后,均能使DMD、OMD显著提高,说明反刍动物对青贮后的饲料消化利用率更高。一方面啤酒花枝叶通过青贮处理后改善了啤酒花枝叶的细胞壁结构,使促进瘤胃降解的微生物释放[32],啤酒花枝叶经青贮处理后可以提高DM在瘤胃内的降解率,添加剂处理相较于对照处理,DM在瘤胃中的降解更为明显。瘤胃发酵48 h,M1处理的DMD最高,是由于联合添加植物乳杆菌和糖蜜最大程度上保存了DM含量,对刺激瘤胃蠕动,提高瘤胃降解,提高DMD有促进作用[33]。青贮体系的pH、瘤胃微生物和纤维组成是影响NDFD和ADFD的主要原因[34]。反刍动物瘤胃消化酶可以促进瘤胃内容物中纤维素的分解利用,但是机体内木质素与半纤维素紧密包围纤维素,阻碍了消化酶与纤维素的接触,不利用于秸秆类饲料的再次利用[35]。试验中,瘤胃发酵48 h,M0和M1处理的NDFD和ADFD显著高于对照处理,主要是由于糖蜜和植物乳杆菌的添加促进了青贮有益微生物的生长对纤维降解效率产生了影响[36]。添加植物乳杆菌和糖蜜的啤酒花枝叶青贮后,可以有效改善反刍动物对纤维物质的消化利用,具有更好的纤维消化率。
4 结 论
以糖蜜添加量为5%,植物乳杆菌添加量为1×105 cfu/g,对啤酒花枝叶进行青贮,糖蜜和植物乳杆菌在啤酒花枝叶青贮发酵中起到了良好的协同作用,青贮发酵结束后(90 d),可使乳酸菌数量增加39.70%,乳酸含量提高2.2倍。有效地改善了啤酒花枝叶青贮的品质,抑制了啤酒花枝叶青贮过程中有害微生物的生长,促进了瘤胃微生物的活动,对瘤胃中的DMD、OMD、NDFD和ADFD有一定改善作用。单独添加糖蜜和植物乳杆菌和糖蜜联合添加能不同程度地改善啤酒花枝叶的青贮品质,其中糖蜜和植物乳杆菌联合添加效果最佳。
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Effects of molasses and Lactobacillus plantarum on silage quality,microbial quantity and rumen degradation rate of hop branches and leaves
XIAN Ouyang1,LI Xiao1,2,CHEN Yongcheng1,WANG Ting1,3,WANG Xuze1,ZHANG Fanfan1,MA Chunhui1
(1. College of Animal Science and Technology,Shihezi University,Shihezi Xinjiang 832000,China; 2.Animal Husbandry General Station of Yili Prefecture,Yining Xinjiang 835000,China; 3.Weiling Trading Co.,Ltd.,Hengyang Hunan 421000,China)
Abstract:【Objective】 Effects of molasses and Lactobacillus plantarum on silage quality,microbial quantity and rumen degradation rate of hop branches and leaves.
【Methods】 In this experiment,hop branches and leaves were used as raw materials to study the effects of adding molasses and Lactobacillus plantarum on fermentation characteristics of hop branches and leaves silage and rumen degradation rate of sheep.The treatments were no additive treatment(CK treatment),5% molasses(Molasses,M0 treatment),5% molasses+105 CFU/g FM Lactobacillus plantarum combination(Molasses and Lactobacillus plantarum,M1 treatment).After 90 days of storage at room temperature(19-23℃),the sensory quality was evaluated,the silage quality and microbial quantity were analyzed,and after that,the rumen degradation rate was determined.
【Results】 (1) The sensory quality evaluation of M0 and M1 treatments was better than that of the control treatment.The DM of M1 treatment was significantly higher than that of CK and M0 treatments(P<0.05).The CP of M1 treatment was significantly higher than that of CK treatment(P<0.05).The NDF of M1 treatment was significantly lower than that of CK and M0 treatments(P<0.05).The ADF of M0 and M1 treatments was significantly lower than that of CK treatment(P<0.05).The LA of M1 treatment was significantly higher than that of CK and M0 treatments(P<0.05).The AA of M1 treatment was significantly higher than that of CK treatment(P<0.05).The pH and NH3-N / TN of M0 and M1 treatments were significantly lower than those of CK treatment(P<0.05).(2) The lactic acid bacteria of M1 treatment was significantly higher than that of CK and M0 treatment(P<0.05),and the yeast of M0 and M1 treatment was significantly lower than that of CK treatment(P<0.05).(3) At 12 h of rumen degradation,there was no significant difference in DMD among the treatments.The OMD,ADFD and NDFD of M0 and M1 treatments were significantly higher than those of CK treatment(P<0.05).At 24 h of rumen degradation,DMD of M1 treatment was significantly higher than that of CK treatment,OMD,ADFD and NDFD of M0 and M1 treatments were significantly higher than those of CK treatment(P<0.05).At 48 h of rumen degradation,DMD and ADFD of M1 treatment were significantly higher than those of CK and M0 treatments(P<0.05),OMD and DNFD of M0 and M1 treatments were significantly higher than those of CK treatment(P<0.05).
【Conclusion】 Molasses and Lactobacillus plantarum plays a good synergistic effect in the fermentation of hop branches and leaves silage,can effectively improve the quality of silage,inhibit the growth of harmful microorganisms during hop branches and leaves silage,and promote the activity of rumen microorganisms.
Key words:hop branches and leaves; Lactobacillus plantarum; silage; fermentation quality; rumen degradation rate
Fund projects:Ministry of Agriculture and Rural Affairs:China Agriculture Research System(CARS); High-Quality Forage Industry Technology System Project of Xinjiang Uygur Autonomous Region(2022XJSC-Z-02); Innovation Environment(Talent,Base) Construction Project of Xinjiang Uygur Autonomous Region(2021D14008); Moderate Scale Beef Cattle Fattening Technology Integration and Demonstration Promotion Project Changji Prefecture(2021Z02)
Correspondence author: ZHANG Fanfan(1989-),male,from Urumqi,Xinjiang,Ph.D,associate professor,master tutor,research direction:forage production and processing,(E-mail)zhangfanfan@shzu.edu.cn
MA Chunhui(1966-),male,from Hami,Xinjiang,Ph.D,professor,doctoral supervisor,research direction:forage production and processing,(E-mail)chunhuima@126.com