不同添加劑發酵處理對汽爆玉米秸稈發酵品質及微生物數量的影響

高雪梅，焦 婷，雷趙民，冉 福，趙生國，李雄雄，秦偉娜，王苗苗

（1. 甘肅農業大學草業學院 / 草業生態系統教育部重點實驗室 / 中–美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅農業大學動物科學技術學院，甘肅 蘭州 730070）

中國作為全球農業大國之一，具有非常豐富的農作物秸稈資源。據統計，2015 年全國主要農作物秸稈可收集資源量為9 億t，利用量為7.209 億t，秸稈利用率為80.1%[1]。近年來，玉米秸稈作為反芻動物飼料成為新的研究趨勢[2]，但玉米秸稈中粗纖維含量高，質地粗硬，可利用的營養物質較少，適口性差，必須對其進行加工處理，以提高消化率，降低粗纖維含量[3]。常見的處理方法主要有物理法、化學法、生物法和綜合法[4]。

蒸汽爆破技術是一種物理與化學相結合的加工技術，能夠明顯破壞秸稈纖維結構，顯著降低半纖維素含量，使粗蛋白、可溶性糖等營養成分含量升高[5]。張慧玲等[6]研究發現，汽爆處理對藜麥(Chenopodium quinoa)秸稈半纖維素、木質素具有顯著影響。但經汽爆處理后的玉米秸稈含水量一般在60%～80%，無法直接飼喂家畜，需要進行干燥或發酵等處理[7]。楊雪霞等[8]報道表明，將玉米秸稈進行汽爆處理后再進行固體發酵，其產物粗蛋白含量高達16.65%；張志軍等[9]研究發現，汽爆與汽爆后發酵處理可改善棉花秸稈的營養價值，降低棉花(Gossypium spp.)秸稈酸性洗滌木質纖維素。

在生產中，為了保存秸稈營養品質，可將收獲籽實后的玉米秸稈進行厭氧發酵，但由于原料品質的限制，不僅要調節水分，還要補充營養物質及微生物菌劑。而汽爆處理可以增加可溶性糖等營養物質，豐富微生物發酵底物。若將干黃的玉米秸稈先進行汽爆處理，再進行發酵處理，待發酵完成后便可直接飼喂。但汽爆處理會將玉米秸稈中的各種微生物均殺死，所以需要加入外源乳酸菌等有益微生物來促進發酵。近年來，國內外學者對微生物添加劑在玉米秸稈營養價值、發酵品質等方面的研究頗多。Liu 等[10]發現植物乳桿菌和纖維素酶的組合能提高青貯全混合日糧[羊草(Leymus chinensis)、甜玉米苞葉、苜蓿(Medicago sativa)和啤酒糟等組成]的青貯發酵品質及營養特性。尉小強等[11]發現在全株玉米中添加乳酸菌可以有效改善玉米青貯的發酵品質。為此，通過對干黃的玉米秸稈進行汽爆預處理，加入不同添加劑進行厭氧發酵，通過對營養品質、發酵品質及微生物數量的綜合評價，篩選最經濟有效的處理方式，以期為提高玉米秸稈利用效率、改善利用方式提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗所用汽爆原料為上一年收獲籽粒后堆垛的、汽爆前將水分調為65%～70%、汽爆裝置的汽爆腔壓力1.0 Mpa、維壓10 m in 下汽爆的玉米秸稈(表1)。青貯添加劑宜生貯寶Sila-Max(美國瑞科動物營養公司提供，純化纖維素酶、淀粉、純化纖維素酶，乳酸菌≥ 2 × 1010cfu·g?1)；青貯添加劑Sila-M ix(美國瑞科動物營養公司提供，硅酸鈣、黑曲霉、總鈣含量25%～29.5%，乳酸菌≥ 1.8 × 106cfu·g?1)。活性纖維菌(平涼靈臺康莊牧業公司自購，含乳酸菌、纖維素分解菌、纖維素酶、淀粉)。發酵桶為20 L 圓形旋蓋白色塑料桶。試驗在甘肅靈臺康莊牧業有限公司牛場進行。

表 1 玉米秸稈原樣成分Table 1 The nutrient com position of corn straw

1.2 試驗設計

試驗設4 個處理，3 種添加劑(Sila-Max、Sila-M ix和活性菌)和1 個空白對照(無添加劑)；汽爆后的玉米秸稈在各添加劑處理下分別進行裝桶密封發酵，每個處理裝6 桶，即6 次重復，Sila-Max、Sila-M ix 和活性菌添加量分別為0.002 5、1.000 0 和0.500 0 kg·t?1，將添加劑與汽爆原料混勻后裝桶(每桶12～13 kg)，密封，置于室內，發酵60 d。

1.3 測定指標

發酵60 d 后，開桶取樣，去掉上部3～4 cm 的樣品，然后將桶內樣品混勻后進行取樣，用真空包裝袋保存。將樣品帶回實驗室，在105 ℃ 烘箱內烘干、粉碎，進行營養品質測定。粗蛋白 (crude protein, CP)、粗灰分 (crude ash, Ash)采用張英麗[12]方法測定，中性洗滌纖維 (neutral detergent fiber, NDF)、酸性洗滌纖維 (acid detergent fiber, ADF)采用Van Soest[13]方法測定，淀粉 (Starch) 分析按照AACC 方法[14]進行，乳酸、揮發性脂肪酸采用液相色譜儀測定。

將桶子樣品稱重后，把桶中發霉的部分單獨取出并稱重，計算發霉量。發霉量(m ildew rate) = 樣品發霉部分含量/樣品重量 × 100%。

各取20 g 發酵后的新鮮汽爆玉米秸稈，加入180 m L、0.85%的滅菌生理鹽水，稀釋得到適合濃度后，采用平板梯度稀釋法測定青貯料中主要微生物類群數量(MRS 培基測定乳酸菌數量，采用營養瓊脂培養基測定好氧細菌數量，采用虎紅瓊脂培養基測定霉菌數量，強化梭菌培養基測定梭菌數量)。

1.4 綜合評價

利用相關性分析和主成分分析法將4 個不同處理下的14 個指標降維簡化評價指標數量，然后利用模糊數學隸屬函數法計算各處理所選指標的隸屬函數值，并將所選指標隸屬函數值求和，再取均值，以均值大小進行排名，均值越大，排名越靠前。

隸屬函數計算公式[15]:式中：R(Xi)表示某指標隸屬函數值，Xi表示該指標的測定值；Xmax表示該指標最大值；Xmin表示該指標最小值。若測定指標與飼料的營養價值呈正相關關系，則用式(1)計算；若呈負相關關系，則用式(2)計算。

1.5 數據分析

采用Excel 2016 進行數據統計，SPSS 19.0 進行方差分析和主成分分析。

2 結果與分析

2.1 不同添加劑處理對汽爆玉米秸稈營養品質的影響

不同添加劑處理后，汽爆玉米秸稈CP、NDF、ADF、Ash 含量呈現出不同程度的變化(表2)。添加劑組CP 含量較CK 組減少了1.5%～1.7%；NDF含量Sila-Max 組最高，活性菌組最低，二者間無顯著差異(P ＞ 0.05)；淀粉含量活性菌組最高，與CK組、Sila-Max 組差異不顯著(P ＞ 0.05)，與Sila-M ix 組差異顯著(P ＜ 0.05)；添加劑組ADF 含量與CK 相比增加了0.5%～1.6%；Ash 含量Sila-Max 組最低，與對照組無顯著差異(P ＞ 0.05)。

2.2 不同添加劑發酵處理對汽爆玉米秸稈發霉量的影響

如表3 所列，Sila-M ix、Sila-Max 組未出現霉變情況，而CK 組和活性菌組均發霉了，CK 組發霉量達7.75%，活性菌組霉變量為5.07%，二者差異不顯著(P ＞ 0.05)。

表 2 不同添加劑發酵對汽爆玉米秸稈營養品質的影響(干物質基礎)Table 2 Effects of different additives on the nutrient content of corn steam exploded straw (basis on dry metter) %

表 3 不同添加劑發酵對汽爆玉米秸稈發霉量的影響Table 3 Effects of different additives on moldy amount of steam-exp loded corn straw

2.3 不同添加劑發酵處理對汽爆玉米秸稈發酵品質的影響

圖 1 不同添加劑發酵對汽爆玉米秸稈發酵品質的影響Figure 1 Effects of different additives on fermentation quality of steam-exp loded corn straw

如圖1 所示，乳酸含量活性菌組顯著高于其他處理組(P ＜ 0.05)，其余處理間無顯著差異(P ＞ 0.05)；乙酸、丙酸和丁酸含量Sila-Max 處理組最高，顯著高于其他處理(P ＜ 0.05)，其余處理間無顯著差異(P ＞ 0.05)。

2.4 不同添加劑發酵處理對汽爆玉米秸稈微生物數量的影響

如表4 所列，Sila-Max 處理組乳酸菌數量顯著高于其他處理(P ＜ 0.05)，Sila-M ix 組次之；好氧細菌含量CK 組最高，顯著高于Sila-M ix 組、活性菌組(P ＜ 0.05)，與Sila-Max 組無顯著差異(P ＞ 0.05)；梭菌含量不同處理組差異顯著(P ＜ 0.05)，其中CK 組最高，Sila-M ix 組最低；霉菌含量在Sila-Max 組、Sila-M ix 組中未檢測到，而在CK 組、活性菌組含量較高，二者差異顯著(P ＜ 0.05)。

2.5 主成分分析

根據特征值大于1 的標準挑選出3 個主成分(表5)，14 個指標中前3 個特征值的累積貢獻率達100%，說明14 個指標的相關信息可由前3 個主成分來概括。其中，第1 主成分的特征值為6.947，貢獻率高達49.620%，對應特征向量中，絕對值較大的性狀為乙酸、丙酸、丁酸、乳酸菌和發霉量，所以第1 主成分主要代表揮發性脂肪酸成分；第2 主成分的特征值為4.612，貢獻率達32.942%，對應特征向量中，絕對值較大的性狀為CP、NDF、ADF、淀粉、乳酸，所以第2 主成分代表營養成分；第3 主成分的特征值為2.441，貢獻率達17.438%，對應特征向量中，絕對值較大的性狀為Ash、好氧細菌、梭菌、霉菌，所以第3 主成分代表微生物成分。

2.6 不同指標相關性分析

為了進一步進行主要性狀篩選，對這14 個指標進行相關性分析（表6），丙酸、丁酸、乳酸菌與乙酸極顯著正相關(P ＜ 0.01)，丙酸與丁酸和乳酸菌極顯著正相關(P ＜ 0.01)，丁酸和乳酸菌極顯著正相關(P ＜0.01)，淀粉與ADF 顯著正相關(P ＜ 0.05)，乳酸與NDF 顯著負相關(P ＜ 0.05)，梭菌、霉菌與發霉量顯著正相關(P ＜ 0.05)；其余指標間無顯著相關性(P ＞0.05)。

表 4 不同添加劑發酵對汽爆玉米秸稈微生物數量的影響Table 4 Effects of different additives on m icrobial population of steam-exp loded corn straw lg cfu·g?1

表 5 主成分分析結果及各因子成分矩陣Table 5 Principal component analysis results and factor com ponent matrix

表 6 玉米秸稈評價指標相關性矩陣Table 6 Correlation matrix of corn straw evaluation indexes

2.7 綜合得分及排名

綜合主成分分析與相關性分析結果，在第1 主成分中選擇乙酸、發霉量來代表其他性狀，在第2 主成分中選擇CP、NDF 代表其他性狀，第3 主成分中選擇灰分、好氧細菌來代替其他性狀，采用模糊數學隸屬函數法進行分析，結果表明(表7)，在所有處理中，Sila-Max 表現最好，平均隸屬值為0.55，其次為Sila-M ix，平均隸屬值為0.42，CK 組平均隸屬值小于0.4，綜合表現較差。

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

3 討論

3.1 不同添加劑對汽爆玉米秸稈營養成分的影響

CP 含量可以用來衡量粗飼料營養成分在制備過程中的流失或保留，飼料CP 含量越低，飼料品質越差[16]。楊雪霞等[8]研究表明，進行汽爆處理后再進行發酵可以提高CP 含量。本研究得出相似結論，經汽爆與發酵處理后，玉米秸稈CP 含量是原玉米秸稈的2.01～2.05 倍，這主要由于汽爆過程中發生了美拉德反應[17]。NDF 和ADF 是反映飼草纖維品質最主要的指標[18]，ADF 與動物消化率呈負相關關系，其含量越低，飼草的消化率越高，飼用價值越高[19]；NDF 影響反芻動物的瘤胃充盈度及采食量，其含量越高，飼料能量越低[20]。本研究中，經汽爆與發酵處理后的玉米秸稈NDF、ADF 含量分別降低了18.16%～20.17%、2.38%～3.94%，說明汽爆與發酵處理能夠提高玉米秸稈營養品質，但不同添加劑處理之間沒有顯著差異，這與Santos 和Avila[21]研究結果相似。同樣，趙苗苗和玉柱[22]使用乳酸菌添加劑對象草(Pennisetum purpureum)進行青貯后，NDF 含量無明顯變化，孫文君等[23]發現添加乳酸菌對稻草進行青貯，稻草的ADF 和NDF 含量變化也不明顯，由此可以推斷乳酸菌作用效果與青貯原料有關，本研究中，汽爆后的玉米秸稈原料為上一年收獲籽粒后堆垛的玉米秸稈，其本身營養含量低，導致微生物可利用的底物濃度低，出現添加劑組與對照組CP、NDF、ADF 含量差異不顯著的情況。

從本研究結果來看，經汽爆與發酵處理后，淀粉含量增加，這可能是在高溫、高濕、高壓條件下，細胞壁內的部分纖維素會發生降解，產生葡萄糖及其衍生物[17]。而活性菌中添加有纖維素酶及淀粉，Sila-Max 中含純化淀粉酶，所以出現活性菌組淀粉含量增加、Sila-Max 組淀粉含量減少的現象。

3.2 不同添加劑對汽爆玉米秸稈乳酸及揮發性脂肪酸的影響

Sila-Max 和Sila-M ix 是兩種青貯飼料乳酸菌類添加劑，Sila-Max 含有能產生淀粉酶和纖維素酶的菌類，而Sila-M ix 含有25.0%～29.5%的CaCO3。纖維活性菌含乳酸菌、纖維分解菌和能產生纖維素酶的菌類。譚樹義等[24]研究發現，添加纖維素降解酶和乳酸菌，能夠改善玉米秸稈發酵、保存秸稈原有的營養成分，并提高總揮發性脂肪酸含量。在青貯發酵過程中乳酸和乙酸的含量越高則青貯品質越好[25]，所以在一定程度上可增加青貯飼料的乳酸、乙酸含量來提高青貯品質。苗芳等[26]研究發現，乙酸等有助于提高青貯飼料的有氧穩定性的有機酸，對減緩或防止青貯飼料二次發酵有明顯作用。丁酸的發酵程度是鑒定青貯飼料好壞的重要指標，丁酸含量越多，青貯料品質越差[27]，一般認為優質的青貯飼料丁酸含量應該低于干物質含量的1%[28]。本研究中，活性菌組乳酸含量顯著高于其他處理，這是由于纖維活性菌中含有的纖維素酶、淀粉酶對部分纖維素進行了分解，豐富了乳酸菌發酵底物，增加了乳酸含量；Sila-Max 組的乙酸、丙酸含量顯著高于其他處理，丁酸含量最高的Sila-Max 處理組，僅為0.61%，低于優質青貯飼料標準，說明添加劑Sila-Max 在增加汽爆玉米秸稈乙酸、丙酸含量，防止青貯飼料二次發酵方面具有較好的效果，這與其含有多種菌類發酵產物有關。

3.3 不同添加劑對汽爆玉米秸稈微生物數量及發霉量的影響

微生物作為青貯發酵過程中的關鍵因素，其種類含量將直接影響青貯發酵效果。乳酸菌是青貯發酵過程中最為關鍵的微生物，是青貯過程中乳酸發酵的驅動者[29]，其可以抑制有害微生物的生長繁殖，阻止發酵原料養分的分解，抑制蛋白質在青貯過程中的水解[30]。霉菌會引起青貯飼料腐敗變質，并產生霉菌毒素，導致青貯飼料品質降低，危害家畜健康[31]。而青貯飼料霉變不僅會造成飼料營養的流失，而且產生的毒素會對畜禽生產者以及食品和飼料的加工企業帶來巨大經濟損失，霉變也成了制約反芻動物生產的重要因素[32]。本研究中，添加劑Sila-Max、Sila-M ix 均能增加青貯后玉米秸稈乳酸菌含量，降低梭菌、好氧細菌和霉菌數量，防止秸稈霉變；而添加劑活性菌與空白對照處理的玉米秸稈均存在霉菌與霉變現象，從飼料安全無毒方面考慮，在生產中應不予考慮。

4 結論

不同添加劑對汽爆玉米秸稈營養品質、揮發性脂肪酸含量及微生物數量的作用效果不同：活性菌能夠增加秸稈淀粉、乳酸含量，促使發酵成功；Sila-Max 可以提高乳酸菌、乙酸、丙酸含量，抑制有害微生物活動，具有抑制二次發酵的潛力；Sila-M ix能夠提高汽爆玉米秸稈乳酸菌數量，抑制好氧細菌、梭菌和發霉，說明其能抑制有害微生物的活動。通過主成分分析與隸屬函數法綜合評價表明，Sila-Max具有相對較好的維持和提高汽爆玉米秸稈品質的效果。