青貯飼料有氧穩定性測定裝置的設計與驗證

鄭 毅， 唐鴻宇， 李天宇， 蔡 茂， 陳 豪， 張嘉保， 王 鵬

(吉林大學動物科學學院，長春 130062)

青貯飼料的有氧穩定性是青貯飼料品質評定的重要指標之一[1]。目前國內外對于青貯飼料有氧穩定性的測定方法主要包括微生物培養法和溫度檢測法。溫度檢測法是通過對開封后的青貯飼料中心溫度的實時跟蹤，記錄出其核心溫度比外界溫度高出2℃所需的準確時間。該方法雖然較微生物培養法具有操作簡單，工作量小等優點，但在利用此技術進行青貯飼料有氧穩定性評定的過程中，常因盛裝飼料進行二次發酵的容器型號、材質、隔熱效果[2]等因素不統一，直接影響實時監測溫度的準確度，進而給青貯飼料的有氧穩定性評價帶來系統誤差。

在進行青貯飼料有氧穩定性測定時，需要保證外環境因素的穩定性和統一性，其結果才具有可比性。目前國內外研究者用于測定青貯飼料有氧穩定的裝置容器無論在規格大小、材質等方面千差萬別，測定裝置在保溫和透氣兩方面尚不能做到兼顧。在青貯全株玉米有氧穩定性的試驗中[3-4]，因不同研究者使用的物料盛裝容器不同，致使相互之間的試驗結果缺乏對照性，且出現過因盛裝容器性能原因導致的揮發性脂肪酸和纖維成分測定數據異常的現象[5]。

針對上述問題，本研究旨在設計并制造出一款操作簡便、實用性強、成本較低、受眾面廣的有氧穩定性測定裝置，并通過利用全株玉米青貯和玉米青秸稈青貯飼料的有氧穩定性試驗對該裝置進行驗證。解決現有技術存在的設備簡易、隔熱措施不一、系統誤差大及影響青貯飼料有氧穩定性評定準確度的問題，實現對青貯飼料有氧穩定性溫度的有效實時監控。

1 材料與方法

1.1 裝置設計理念

本研究為實現對青貯飼料開封有氧穩定性溫度變化的實時監測，并解決隔熱保溫與通風的矛盾，從材料選擇方面，選用輕質且隔熱效果好的材料。在整體結構設計方面，采用功能系統模塊化設計，模塊可拆分設計，隔熱與通風兼顧設計和多單元復合型設計。

1.2 材料

該裝置主要由輕質木板和泡沫板、聚乙烯塑料板、PVC管組成。

1.3 裝置的設計

本裝置包括：樣本盛裝系統、保溫隔熱系統和溫度實時監控系統。樣本盛裝系統安裝在保溫隔熱系統中，溫度實時監控系統通過感溫元件通過保溫隔熱系統與樣本盛裝系統連接，被測樣本飼料要求在上述安裝步驟完成之前，事先裝入樣本盛裝系統內。樣本盛裝系統包括料桶和料桶蓋。料筒蓋上形成有料桶感溫探孔，料桶底部形成有料桶通氣孔。保溫隔熱系統包括：保溫隔熱箱體(下稱“箱體”)、保溫隔熱蓋板(下稱“蓋板”)和保溫隔熱底板(下稱“底板”)。蓋板在箱體上方，箱體在底板上方。蓋板上的與料桶感溫探孔對應的位置上形成有蓋板感溫探孔；保溫隔熱系統的蓋板、箱體和底板上形成有通氣孔以及連接通氣孔的通氣槽，通氣槽途經料桶感溫探孔或料桶通氣孔，以使盛裝被測樣本的料桶與外界環境進行氣體交換。箱體包括箱體隔熱內膽，蓋板包括蓋板隔熱板，底板包括底板隔熱板。箱體中設有多個容納料桶的料桶槽，能夠同時對多個樣本進行測定。溫度實時監控系統包括熱敏探頭和溫度記錄器。熱敏探頭一端通過蓋板通氣孔和料桶蓋通氣孔深入料桶，另一端與溫度記錄器連接。溫度實時監控系統可根據具體條件選擇全自動溫度檢測裝置或人工記錄。

本裝置的有益效果：在監控青貯飼料有氧穩定性溫度的變化時，標準容積的料桶能夠實現被測樣本之間在質量上的平行性；箱體蓋板、箱體和箱體底板的隔熱設計能夠有效實現被測樣本之間以及被測樣本與外界環境之間的熱量交換，實現每個被測樣本能夠在各自測定單元內的獨立性。此裝置一方面在蓋板、箱體和底板的用材上采用隔熱保溫材料；另一方面在蓋板、箱體和底板上設計通氣孔以及連接通氣孔的通氣槽，盛裝被測樣本的料桶可通過通氣孔和通氣槽，在獲得隔熱保溫功能的同時實現被測樣本與外界環境的氣體交換，進而實現各被測樣本開封后順利完成二次發酵互不影響的目的。

本裝置的箱體、蓋板和底板在材料上選擇的導熱系數極低的隔熱材料以及箱體、蓋板和底板的通氣槽和通氣孔設計，能夠在實現被測樣本與外界環境保持空氣暢通的同時，消除二次發酵過程中產生的熱量與外界環境的熱量交換現象，有效解決通風與保溫隔熱的現實矛盾。

本裝置采用的樣本盛料系統與保溫隔熱系統分離設計，便于每個被測樣本在實驗過程隨時取樣且互不干擾。此外，本裝置采取的單體多單位設計，實現了同時對多個樣本進行有氧穩定性實驗的功能，有效的提高實驗效率、準確性和平行性。

1.4 設計與連接

圖1為本研究裝置的設計圖解。具體包括樣本盛裝系統、保溫隔熱系統和溫度實時監控系統。

1.4.1物料盛裝系統 物料盛裝系統包括：料桶蓋(A)、料桶感溫探孔(B)、料桶體(C)、料桶底(D)和料桶通氣孔(E)。A和C之間為塑料膠帶連接。A、C和D采用聚乙烯塑料。A中心處開有直徑為10 mm的B，D中心處開有直徑為20 mm的E，C的容積為1 L，C和D之間為膠體連接。

1.4.2保溫隔熱系統 保溫隔熱系統包括：保溫隔熱蓋板、保溫隔熱箱體和保溫隔熱底板。蓋板在箱體上方，由鎖扣自由連接。箱體底部的凹陷結構與底板頂部凸出結構連接。

蓋板結構包括：蓋板感溫探孔(F)、蓋板隔熱板(G)和蓋板通氣孔(H)。G位于蓋板架內，由膠體連接。H對稱分布于G長邊兩側，由G內面的H相連，F透過G與蓋板通氣槽相通。H直徑為10 mm；F位于G上，直徑為10 mm；蓋板通氣槽寬度為10 mm，深度為10 mm，長度與G寬度一致。

圖1 裝置設計圖Fig.1 Design drawing of the equipmentA. 料桶蓋；B. 料桶感溫探孔；C. 料桶體； D. 料桶底；E. 料桶底通氣孔；F. 蓋板感溫探孔； G. 蓋板隔熱板；H. 蓋板通氣孔；I. 料桶槽；J. 箱體； K. 箱體通氣孔；L. 底板通氣槽；M. 底板通氣孔； N. 底板隔熱板；O. 底板外板；P. 熱敏探頭；Q. 數據采集器A, cover of the storage vat; B, hole of the spherical thermistor at the storage vat; C, container wall of the storage vat; D, bottom of the storage vat; E, venthole at the bottom of the storage vat; F, hole of the spherical thermistor at the cover plate; G, cover thermal baffle; H, venthole at the cover plate; I, slot position of the storage vat; J, box; K, venthole at the box; L, vent groove on the baseplate; M, venthole of the baseplate; N, thermal baffle baseplate; O, exothecium of the baseplate; P, spherical thermistor; Q, data acquisition system

箱體結構包括：料桶槽(I)、箱體本體(J)和箱體通氣孔(K)。K對稱分布于箱體外壁的長邊下緣。I位于箱體隔熱內膽內。箱體外壁位于箱體隔熱內膽外部，由膠體連接。K直徑為10 mm。I高度與C相同，I內徑大于C外徑1 mm。箱體外壁四面由鉚釘連接。

底板結構包括：底板通氣槽(L)、底板通氣孔(M)、底板隔熱板(N)和底板外板(O)。M位于L上；L位于N上方；L上兩端與K相對應；N位于O上方，二者由膠體連接。M直徑為20 mm，深度為10 mm；L寬度為10 mm，深度為10 mm，尺寸與N的寬度一致。

其中G、N和箱體隔熱內膽均采用保溫隔熱材料，要求導熱系數≤0.028 W·(m·K)-1，抗壓強度>220 KPa。O和箱體外壁采用木質材料。

1.4.3溫度實時監控系統 溫度實時監控系統包括：熱敏探頭(P)和數據采集器(Q)。P一端連接Q，另一端通過F和B，插入C幾何中心處。溫度實時監控系統的P和Q可以使用常規溫度計(0～50℃)并采用人工測量方式代替。

1.5 裝置性能驗證性試驗

試驗采用經45天厭氧發酵，密度為600 kg·m-3的優質[6]全株玉米(Whole-plant corn)青貯和密度為500 kg·m-3的優質玉米青秸稈(Green-corn straw)青貯。以常規聚乙烯塑料桶盛裝青貯飼料作為對照組，以本研究裝置盛裝青貯飼料作為試驗組，分別進行全株玉米青貯和玉米青秸稈青貯的有氧穩定性測定試驗。每個處理3個重復。試驗容器內膽容積均為1 L。試驗采用多路溫度記錄儀對兩種試驗容器的中心溫度進行連續記錄。

2 結果與分析

圖2顯示了全株玉米青貯開封后發酵容器中心溫度變化曲線。試驗組分別在開封58 h和277 h后形成兩個發熱高峰，溫度分別達到31.41℃和31.35℃。對照組在開封56 h和259 h后形成兩個發熱高峰，溫度分別達到26.04℃和27.68℃。

圖2 全株玉米青貯開封后發酵容器中心溫度隨接觸空氣時間的變化曲線Fig.2 The central temperature of the fermentation containers changed with the time of contacting with air after the whole-crop silage opened

圖3顯示了玉米青秸稈青貯開封后發酵容器中心溫度變化曲線。試驗組在開封后81 h形成單一的發熱高峰，溫度達到33.17℃。對照組在78～81 h形成發熱最高峰，溫度達到24.13℃。在132 h后又形成了一個發熱小高峰，溫度達到22.03℃，僅高出室溫3.30℃。

圖3 玉米青秸稈青貯開封后發酵容器中心溫度隨接觸空氣時間的變化曲線Fig.3 The central temperature of the fermentation containers changed with the time of contacting with air after the corn green straw silage opened

3 討論

青貯飼料的有氧穩定性是青貯飼料品質評定的重要指標之一。有研究表明[7-8]，發酵品質越好的青貯飼料發生二次發酵的幾率越大，而丁酸含量高的劣質青貯飼料幾乎不會發生二次發酵。當青貯飼料中甲酸、甲酸鈉、丙酸、苯甲酸、甘油等化學成分含量較高時，青貯飼料發生二次發酵的幾率會顯著降低。引起青貯飼料二次發酵主要有3個因素[9]：(1)發酵溫度：青貯飼料中存在許多種微生物(如酵母菌，霉菌[10]，以及其他好氧性細菌)，它們中大部分繁殖的適宜溫度在20～40℃之間[11]；(2)填裝密度：青貯飼料密度低，開封后空氣易進入，易于發生二次發酵；(3)青貯飼料取用量[12]：開封后如果單次取用量少，取用部位的青貯飼料一直暴露在空氣中，易于發生二次發酵。

在關于青貯飼料的有氧穩定性方面的研究中，許多試驗采用常規化學成分分析法測定pH值、氨態氮、有機酸[13]等，通過實驗室評定青貯飼料品質來評測青貯飼料的有氧穩定性[14]。該方法雖可通過檢測物質含量評測二次發酵趨勢，但在實際生產中缺乏穩定性、操作繁瑣、難以被廣泛應用。微生物檢測法相較于溫度檢測法，因其實驗成本高和操作難度大，則難以推廣。

溫度檢測法雖操作簡便，但影響因素較多。在較多科研試驗中[15-18]，設計者都是通過在自定的統一容器中，通過添加生物添加劑，比較在二次發酵時飼料核心溫度比外界溫度高出2℃所需的時間，來評定青貯飼料有氧穩定性。一般試驗所用的容器，如扎有多個小孔的塑料自封袋、敞口聚乙烯塑料桶(或桶口用雙層紗布包裹)、玻璃瓶等[16-20]，通常存在系統誤差。保溫較好的容器，透氣性差，無法滿足有氧條件[21]；透氣性好的容器，熱量易流失；容器上存在的這些缺點，會使試驗結果偏離實際生產的真實情況。同時，由于各試驗采用的容器型號上的不統一，導致各試驗之間缺少可比性，最終導致在使用溫度檢測法進行青貯飼料有氧穩定性測定時，無法建立統一標準。

本試驗中，以對照組對常規試驗容器進行模擬。在全株玉米試驗中，試驗組與對照組的曲線都具有兩個發熱高峰。屬于由酵母菌和霉菌先后交替作用的酵母-霉菌型二次發酵[22]。但在同等條件下，對照組在整個二次發酵過程中的溫度一直低于試驗組。分析原因為對照組的保溫隔熱效果不如試驗組，致使發酵容器中心溫度通過容器外壁散失，導致整體溫度曲線偏低。在玉米青秸稈試驗中，試驗組與對照組的曲線是具有單一發熱高峰的二次發酵，屬于由霉菌單獨引起的二次發酵類型。但對照組發熱溫度較試驗組低，且溫度上升幅度較小。而對照組出現的第二個發熱高峰，分析原因為對照組使用了敞開式塑料容器，與空氣中復雜性微生物有關，可能是飼料表面與空氣接觸部分感染了外界的酵母菌造成的[23]。

本裝置既能降低外界溫度對發酵容器中心溫度的影響，又能保證容器內發酵符合有氧發酵，使裝置內青貯飼料二次發酵時環境符合實際生產環境。裝置驗證性試驗結果顯示，無論是酵母-霉菌型二次發酵，還是霉菌單獨引起的二次發酵，本裝置都能更顯著地檢測到發酵溫度的變化趨勢。通過本裝置統計的溫度變化趨勢和所需時間，符合傳統有氧穩定性測定時理論值[24]。試驗結果證明本裝置在青貯飼料有氧穩定性測定方面，較充分的滿足預期設計的要求，對溫度檢測法測定青貯飼料有氧穩定性建立統一標準起到較好的輔助作用。

4 結論

本研究研發的青貯飼料有氧穩定性測定裝置有較強的保溫性能與充分的供氧性能，可用于青貯飼料有氧穩定性的測定，且對溫度檢測法統一標準的建立起到輔助作用。該裝置操作簡單，成本低廉，測定結果穩定，值得推廣。