體外產氣法評價不同青貯添加劑處理下汽爆玉米秸稈品質

高雪梅，焦婷，雷趙民，趙生國，李雄雄，秦偉娜

(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，甘肅省草業工程實驗室，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)

秸稈是我國重要的粗飼料資源，2017年，我國農作物秸稈可收集資源量為8.27億t，其中，玉米、水稻、小麥三大糧食作物秸稈資源量分別為37.2、19.1、14.7億t，合計占全國秸稈資源總量的84.8%[1]。玉米秸稈在我國秸稈資源中占很大比例，但由于利用加工技術有限，自身營養價值低，常被丟棄或焚燒，造成資源浪費，帶來環境污染等問題。

近年來，隨著牛羊養殖業的快速發展，農民對粗飼料的需求不斷增加，粗飼料不足問題日益顯現，導致飼草原料價格攀升，養殖成本增加，養殖效益縮減[2]。因此，加大飼草料資源挖掘與開發，改善秸稈利用加工手段，對緩解飼草資源短缺、提高養殖效益、避免資源浪費具有重要意義。農作物秸稈具有纖維木質化程度高、粗蛋白(CP)含量低、養分消化率低、適口性較差等特點，直接用于家畜飼喂效果較差[3]。通過適當處理可提高秸稈降解率，增加其20%的能量利用率，對于緩解優質粗飼料緊缺的現狀具有重要意義[4-5]。蒸汽爆破技術是一種物理與化學相結合的加工技術，能夠破壞秸稈纖維結構，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[6]。適當條件下汽爆處理能提高秸稈營養價值，改善適口性，提高消化率[7]，汽爆后發酵處理可以保持秸稈營養品質，增加利用率[8]。

因此，通過汽爆處理提高玉米秸稈營養品質，再進行厭氧發酵，既可以解決玉米秸稈品質低、適口性差、難以貯存等問題，又可以使玉米秸稈高效利用。本試驗研究了不同青貯添加劑厭氧發酵對汽爆玉米秸稈纖維結構的影響，利用體外產氣法測定了其體外產氣量、降解率以及發酵特性，旨在篩選低質粗飼料的適宜處理方法，提高玉米秸稈的利用價值。

1 材料和方法

1.1 材料

試驗所用汽爆原料為上一年堆垛玉米秸稈，汽爆前將水分調為65%～70%，在汽爆腔壓力1.0 MPa、維壓10 min下汽爆的玉米秸稈。

青貯添加劑宜生貯寶Sila-Max(MAX)由美國瑞科動物營養公司提供，含純化纖維素酶、淀粉、丙酸桿菌、淀粉酶，乳酸菌≥2×1010cfu/g，添加量為0.002 5 kg/t；青貯添加劑Sila-Mix(MIX)由美國瑞科動物營養公司提供，黑曲霉、硅酸鈣，總鈣含量25%～29.5%，乳酸菌≥1.8×106cfu/g，添加量為1.000 kg/t；活性纖維菌在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，添加量為0.500 0 kg/t；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。

1.2 樣品制備與指標測定

1.2.1 樣品制備 分別將3種添加劑(按添加量說明)與汽爆玉米秸稈混合，混勻后裝桶壓實密封，以不添加任何添加劑作為對照(CK)。每個處理裝3桶，即3次重復，密度600～650 kg/m3，置于室內發酵。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，用真空包裝袋保存并帶回實驗室，在105 ℃烘箱內烘干、粉碎備用。

1.2.2 營養指標測定 采用張英麗[9]的方法測定粗蛋白、中洗洗滌纖維(NDF)、酸性洗滌纖維(ADF)、酸性洗滌木質素(ADL)以及粗灰分(Ash)的含量。

1.3 體外產氣試驗

1.3.1 選擇動物 選擇3只體重(45±5)kg、安裝永久性瘤胃瘺管的1歲健康公羊(小尾寒羊♂×本地北山羊♀的雜交2代)，基礎日糧組成及營養水平見表1，分別于每天8∶00、17∶00準時飼喂，自由采食，提供充足飲水。

表1 試驗飼糧組成及營養水平(風干基礎)

1.3.2 瘤胃發酵培養液制備 晨飼后2 h采集3只羊瘤胃液，用4層紗布過濾并混合均勻，立刻放入通有二氧化碳(CO2)的保溫瓶(39 ℃熱水預熱)中迅速帶回實驗室。人工瘤胃液由A液、B液、C液、刃天青溶液和還原劑溶液組成，參考Menke等[10]方法制備。瘤胃發酵培養液以人工瘤胃液與瘤胃液按2:1的比例混合制得。

1.3.3 體外產氣量的測定 準確稱取秸稈1.000 g放置于尼龍袋中，封口，置于250 mL產氣罐中，在39 ℃下預熱30 min，再加入150 mL瘤胃培養液，持續通入CO2約30 s，再將產氣瓶放置于39 ℃的恒溫振蕩水浴搖床中。每個發酵底物做 3 次重復。采用ANKOM RFS體外產氣系統(美國 ANKOM technology corporation)自動檢測消化反應產生的氣體，通過無線傳輸，在計算機的電子表格中自動記錄氣壓變化，用“理想氣體方程”在標準狀況“S.T.P”下轉換成氣體體積(mL)。

計算公式為：Vx=Vj×Ppsi×0.068 004 084

式中：Vx為 39 ℃ 產氣量(mL)；Vj為產氣罐頂部空間體積(mL)；Ppsi為系統自動記錄的壓力(kPa)。

1.3.4 體外發酵指標測定 待48 h體外發酵完成，迅速將產氣罐置于冷水中終止發酵，取出尼龍袋，用蒸餾水沖干凈后，放置于105 ℃烘箱中，烘干、恒重，用于測定干物質消化率(DMD)、中性洗滌纖維消化率(NDFD)、酸性洗滌纖維消化率(ADFD)；

消化率計算公式為：A=100×(B-C)/B

式中：A為待測秸稈消化率(%)；B為樣品中待測秸稈中某成分含量(%)，C為殘渣中待測秸稈該成分含量(%)。

將發酵液收集，用pH S-3C酸度計測定發酵液pH；NH3-N濃度用比色法測定[12]；揮發性脂肪酸(VFA)用氣相色譜法測定[13]，氣相色譜儀型號為島津GC-2010；微生物蛋白(MCP)用嘌呤法測定[13]。

1.4 掃描電鏡分析

挑選出不同處理下的新鮮秸稈組織，采用掃描電鏡(S-3400N)觀察不同處理下組織的變化[14]。

1.5 數據統計與分析

采用Excel 2016計算試驗數據后，采用SPSS 19.0軟件對數據進行單因子方差分析，結果以平均值±平均標準誤表示，進行Duncan 多重比較，以P<0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 不同添加劑處理前后汽爆玉米秸稈的營養成分變化

汽爆玉米秸稈CP、ADL含量在發酵前后無顯著差異(P>0.05)；發酵處理后汽爆玉米秸稈NDF、ADF含量顯著降低(P<0.05)；灰分含量MIX組最高，與CK、MAX、活性菌組無顯著差異(P>0.05)，但CK、MIX組顯著高于汽爆未發酵秸稈(P<0.05)(表2)。

表2 不同添加劑發酵處理前后汽爆玉米秸稈的營養成分

2.2 不同添加劑處理后玉米秸稈體外產氣量變化

不同添加劑處理后，汽爆玉米秸稈產氣量隨著時間的增加而升高，在前12 h內產氣速率較高；12 h后，隨著時間的增加，MAX組、MIX組和活性菌組產氣量仍在持續上升，而CK組產氣量明顯下降，曲線趨于平緩；48 h時，累計產氣量由大到小為活性菌組>MAX組>MIX組>CK組(圖1)。

圖1 不同添加劑處理下汽爆玉米秸稈體外產氣量

2.3 不同添加劑處理對汽爆玉米秸稈體外消化率的影響

與CK組相比，不同添加劑發酵處理后，汽爆玉米秸稈DMD、NDFD、ADFD均無顯著差異(P>0.05)(表3)。

表3 不同添加劑處理下汽爆玉米秸稈體外消化率

2.4 不同添加劑處理對汽爆玉米秸稈體外發酵揮發性脂肪酸的影響

MAX組、MIX組乙酸含量差異不顯著(P>0.05)，二者顯著高于CK組、活性菌組(P<0.05)；MAX組丙酸、總揮發性脂肪酸含量顯著高于其他處理組(P<0.05)；異丁酸、丁酸、異戊酸、戊酸含量在MAX組、MIX組和CK組間無顯著差異(P>0.05)；活性菌組各揮發性脂肪酸含量最低，除丁酸外，其余指標與CK組無顯著差異(P>0.05)(表4)。

表4 不同添加劑對汽爆玉米秸稈體外發酵揮發性脂肪酸含量

2.5 不同添加劑處理對汽爆玉米秸稈體外發酵NH3-N、pH、MCP的影響

不同添加劑處理下pH、NH3-N濃度無顯著差異，MAX、MIX組MCP含量顯著高于CK組、活性菌組(P<0.05)(表5)。

表5 不同添加劑處理下汽爆玉米秸稈體外發酵 NH3-N、pH值、MCP含量

2.6 不同添加劑處理對汽爆玉米秸稈纖維結構的影響

由不同處理下汽爆玉米秸稈在掃描電鏡下的超微結構可以看出，CK組(圖2-A)秸稈皮外層結構完整，表皮毛排布整齊；活性菌組(圖2-B)表面粗糙、膨松，表皮毛部分脫落，出現孔洞、裂痕，有大量附著物；MAX組(圖2-C)秸稈皮外層結構發生變化，表皮毛部分脫落，表面粗糙，出現孔洞和大量附著物；MIX組(圖2-D)秸稈皮外層結構出現裂痕、孔洞，表面粗糙，表皮毛脫落，有大量附著物。

圖2 不同添加劑處理下汽爆玉米秸稈纖維結構變化

3 討論

3.1 不同添加劑對汽爆玉米秸稈營養品質的影響

添加劑能夠改善秸稈營養品質，其作用效果與添加劑類別、作用原料等有很大的關系。大量研究證實，添加乳酸菌對于青貯飼料營養成分的影響有限[15-16]。本試驗得出相似結論，不同添加劑處理下的汽爆玉米秸稈CP、NDF、ADF、ADL和Ash的含量與CK無顯著差異，這是由于添加劑均為乳酸菌添加劑，汽爆玉米秸稈自身營養價值低所致。

3.2 不同添加劑對汽爆玉米秸稈產氣量的影響

體外產氣量可以在某種程度上反映飼料在反芻動物瘤胃中的降解特性[17]。通常，飼料中可發酵有機物含量越高，體外產氣量越大。本試驗中，MAX組、MIX組及活性菌組48 h累積產氣量高于CK組，說明MAX、MIX以及活性菌處理能夠增加秸稈可發酵有機物，提高產氣量。

3.3 不同添加劑對汽爆玉米秸稈消化率的影響

粗飼料的干物質消化率可反映其在動物體內消化的難易程度，是影響干物質采食量的重要因素[18]。瘤胃中NDF和ADF降解率的大小，反映了飼料被降解的難易程度，提高飼料NDFD和ADFD可增加干物質采食量和生產性能[19-20]。秸稈消化率與NDF、ADF含量具有相關性[21]。本試驗中不同添加劑處理后的汽爆玉米秸稈纖維含量與CK組無明顯差異，這與孫文君等[22]在稻草上的研究結果相似，是由乳酸菌制劑對不同發酵原料的作用效果不同導致[23]，從體外DMD、NDFD、ADFD來看，不同處理亦無顯著差異，此結果與秸稈營養狀況相一致。

3.4 不同添加劑處理對汽爆玉米秸稈發酵特性的影響

反芻動物瘤胃環境隨飼料的組成及自身條件的變化而變化，瘤胃內pH、NH3-N濃度、VFA含量等，可以反映瘤胃內部的環境狀況及飼料在瘤胃內的發酵程度和模式[24]。

VFA是反芻動物瘤胃微生物維持和生長的主要能量來源，通過日糧中碳水化合物的降解產生[25]。反芻動物瘤胃中VFA包括乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸，其中丙酸是反芻動物體內內源葡萄糖合成的前體物質，乙酸是反芻動物代謝所需能量的主要來源，發酵液中的丙酸含量增加、乙酸/丙酸的降低均有利于葡萄糖的合成和能量的利用[26]。本試驗中，MAX組乙酸、丙酸、丁酸含量最高，且總揮發性脂肪酸含量顯著高于其他處理組，說明MAX組秸稈碳水化合物發酵較為完全，消化代謝速率相對較高。這是由于MAX中含有純化纖維素酶和乳酸菌，在厭氧發酵過程中對纖維進行了分解，使秸稈結構疏松多孔，增加了瘤胃微生物可利用底物和可附著比表面積。

適宜的pH環境是瘤胃微生物正常生長的必要條件，S.Calsamiglia等[27]研究發現，瘤胃pH值為5.5～7.5，可保證瘤胃微生物的生長。本試驗各處理pH值在6.44～6.47，給瘤胃微生物的生長繁殖提供了良好的環境。

NH3-N含量是衡量瘤胃氮代謝的重要指標，能間接反映瘤胃微生物利用NH3-N合成微生物蛋白和微生物分解飼料中蛋白質生成NH3-N的平衡情況[28]。瘤胃液中NH3-N濃度過高或過低都不利于瘤胃微生物的生長繁殖，進而影響家畜對營養的吸收利用。因此，適宜的NH3-N濃度是保證瘤胃微生物正常生長活動的關鍵，生長所需最佳的NH3-N濃度在5～30 mg/100 mL[29]。本試驗中，不同添加劑處理下，瘤胃液NH3-N濃度均在適宜微生物生長的范圍內，MIX組、MAX組濃度顯著高于CK組，說明MIX組、MAX組秸稈中可以利用蛋白含量較高。

瘤胃中主要蛋白供給是微生物蛋白。微生物蛋白濃度可反映瘤胃微生物利用NH3-N的能力，也側面反映微生物的種群大小[30]。本試驗中，MAX組、MIX組MCP含量顯著高于CK組、活性菌組，說明MAX、MIX添加劑處理下秸稈瘤胃微生物菌群較大。MCP的合成效率主要受日糧中蛋白的組成及水平、碳水化合物的含量和種類、碳水化合物和蛋白質降解的同步性等多重因素的影響[31]，可以推斷MAX組、MIX組秸稈與瘤胃微生物反應更充分，更利用反芻動物吸收。

3.5 不同添加劑處理對汽爆玉米秸稈纖維結構的影響

掃描電鏡(SEM)是表征樣品表面的有力工具，表面粗糙度反映不同處理對木質纖維結構的破壞程度[32]。本試驗中，與CK組對比發現，添加劑發酵處理后的秸稈結構明顯出現孔洞、組織脫落破損，并增加大量附著物，這與焦有宙等[33]研究結果相似，這是由于這幾種添加劑中不僅含有乳酸菌，還含有能夠促使纖維降解的物質：MAX中含有纖維素酶，它能使植物細胞壁分解產生糖，增加乳酸發酵底物；活性菌中含有纖維素分解菌，能產生纖維素酶對植物細胞壁進行破壞[34-35]。

4 結論

通過體外產氣法研究發現，不同青貯添加劑處理能夠改善汽爆玉米秸稈產氣量與瘤胃發酵特性，其中，MAX組表現較好；通過掃描電鏡發現，不同添加劑對秸稈結構的破壞利用程度不同，但破壞程度均明顯大于CK組。綜上，MAX組各方面表現最佳，適宜推廣利用。