不同添加劑對油莎豆青貯品質及有氧穩定性的影響

賀婷婷，王旭哲，宋 磊，馬春暉

(石河子大學動物科技學院，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】油莎豆(Cyperusesculentus)是莎草科莎草屬的一種多年生草本植物。原產于非洲沙漠干旱地區，具喜陽光、耐高溫、抗旱、耐澇等特性，其塊莖富含豐富的蛋白質和油脂[1-2]。油莎豆果實是營養豐富的食品原料，油莎豆莖葉是優質牧草，是一種優質、高產、綜合利用價值很高的油、糧、飼多用新型作物。【前人研究進展】油莎豆在新疆干旱氣候區內的生產潛力較大，比較適合大規模推廣種植[3]。目前在新疆南疆沙區種植油莎豆成功，對油莎豆莖葉的主要利用方式為直接飼喂牲畜或制作干草，干草容易造成牧草營養成分的損耗，且調制干草田間損失也較大，而青貯能在最大程度保留牧草營養成分且彌補冬季飼草的不足。添加乳酸菌能有效地促進不同禾本科和豆科植物發酵，并能長時間保存[4-6]。王媛等[7]發現在苜蓿青貯中添加植物乳桿菌可提高乳酸含量并降低干物質損失率。張適[8]在全株玉米青貯中添加乳酸菌發現可溶性碳水化合物(water soluble carbohydrate，WSC)含量有所提高，氨態氮含量下降，纖維素酶能有效降低玉米中的粗纖維含量。李苗苗等[9]在油莎草中添加了3種乳酸菌，油莎草青貯各項指標均在正常范圍，乳酸菌的添加使青貯的酸香味濃厚，未發生霉變氧化現象，青貯效果均相對較好；且在低溫條件下添加植物乳桿菌的油莎草青貯發酵效果最好。【本研究切入點】油莎豆飼草與常規苜蓿，及全株玉米青貯比較發現其中性洗滌纖維(NDF)和酸性洗滌纖維(ADF)含量較高，油莎豆隨收獲期延長，其纖維含量逐步增加，影響家畜適口性、采食量和消化率，有效降低其纖維含量成為提高其品質的關鍵因素。【擬解決的關鍵問題】選擇新疆通過對南疆沙區栽培的油莎豆青貯，分別添加植物乳桿菌、纖維素酶及二者混合添加，研究不同添加劑對油莎豆發酵營養品質的效果，及其在改善油莎豆青貯品質方面的積極作用，分析最適添加劑，為油莎豆在南疆沙區的青貯利用提供科學的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

選用中油莎1號油莎豆草地上莖葉作為青貯材料，選定在新疆生產建設兵團第三師54團開展，其生長期為5月3日～9月15日，9月15日(豆子成熟期)將油莎草距離地面2～3 cm刈割，切短至2～3 cm，待貯。植物乳桿菌(3×109cfu/g)購自新疆天康飼料科技有限公司。纖維素酶(活性為20 000 U/g)購自廣西南寧龐博生物工程有限公司。表1

表1 油莎豆草青貯原料營養成分

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

設置3個微生物添加劑處理，分別是W1(0.2%植物乳桿菌Lactobacillusplantarumas)；W2(0.5%纖維素酶)；W3(0.2%植物乳桿菌+0.5%纖維素酶)，CK(無添加，噴灑等量的無菌去離子水)為對照組。按相應比例配置菌液和酶制劑。用滅菌噴壺將不同添加劑均勻噴灑在粉碎的油莎豆草上，混勻后裝入30 cm×40 cm×0.24 mm透明聚乙烯袋(每袋500 g)，每個處理組和對照組30個重復。將真空密封好的青貯袋放置在室溫環境(20±3)℃中發酵，分別在青貯的第0、7、15、30、45、60 d取樣，測定青貯pH值、干物質(DM)、粗蛋白(CP)、NDF、ADF、WSC、氨態氮(NH3-N)和相對飼用價值(RFV)，各時間點開袋每個處理隨機取3袋，即3次重復；并于青貯第60 d時開袋暴露于空氣中，測定青貯飼料的有氧穩定性。

1.2.2 樣品采集

開袋后，取青貯袋核心發酵部位樣品10 g，放入三角瓶中加90 mL超純水，混勻后置于4℃冰箱24 h。用2層紗布過濾，取得濾液，用于對青貯pH值和NH3-N含量的測定。剩余樣品經105℃烘干后計算青貯DM含量，烘干樣品粉碎過篩(0.425 mm篩)后密封備用，用于常規營養成分及WSC測定。

1.2.3 測定指標

1.2.3.1 青貯品質

CP測定采用凱氏定氮法[10]；NDF和ADF的測定采用范氏(Van Soest)洗滌纖維法[10]；WSC采用蒽酮比色法測定[11]。pH值用酸度計(PHS-3C，上海雷磁)測定；NH3-N采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定[12]，計算RFV[13]。

RFV=DMI×DDM/1.29.

(1)

DMI=120/NDF.

(2)

DDM=88.9-0.779×ADF.

(3)

式中：DMI為干物質隨意采食量(%BW)，DDM為可消化干物質含量(%DM)，1.29是飼草DMI×DDM的參數值。

1.2.3.2 有氧穩定性

在發酵60 d 時開袋，袋口要使用干凈的紗布裹住，減少微生物與雜質污染和青貯水分快速流失。采用多點式溫度記錄儀(i500-E3TW，玉環智拓儀器科技有限公司)記錄樣品溫度的變化，將多個探頭分別放在發酵袋的樣品中心，需在環境中放置3個檢測探頭，實時監測環境中溫度變化，溫度記錄儀測量時間間隔設置為10 min，每個處理放置3個溫度探頭[14]。當樣品溫度高于環境溫度2℃時，青貯開始腐敗變質，此時記錄時間即為有氧穩定時間[12]。

1.3 數據處理

在Excel表中分析處理數據，用SPSS 20.0對數據進行方差分析，選用Duncan法處理間的差異比較。運用Origin 19.0進行繪圖。利用Fzuuy數學中隸屬函數法對供試對象的青貯品質及其有氧穩定進行綜合價值評判，其中，與青貯品質呈正相關的指標(DM、CP 、WSC、RFV和有氧穩定性)采用公式(1)計算，其余指標均呈負相關按照公式(2)計算。

Fij+=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin).

(1)

Fij-=1-(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin).

(2)

式中，Fij為第i個處理第j個指標的隸屬度；Xij為第i個處理第j個指標測定值；Xmax、Xmin為所有研究處理中第j項指標的最大值、最小值[14]。

2 結果與分析

2.1 不同添加劑對油莎豆青貯品質的變化

研究表明，各處理pH值在青貯過程中逐漸下降，添加劑處理組的pH值從青貯開始到青貯結束始終低于對照組。且各處理pH值差異顯著(P<0.05)，青貯60 d時，W3處理的pH值降至最低，為5.97，W1處理次之，為6.07。圖1

圖1 不同添加劑對油莎豆青貯pH值的動態變化

NH3-N含量在青貯過程中因蛋白質的降解會逐漸增加，在青貯過程中，CK和W2處理的NH3-N含量始終顯著高于其余兩個處理(P<0.05)；青貯60 d時CK的NH3-N含量最高(0.22%)，處理組W3最低，為0.16%。圖2

圖2 不同添加劑對油莎豆青貯NH3-N的動態變化

在青貯0 d時，CK的DM含量顯著高于W2(P<0.05)的，與其余處理之間無顯著差異(P>0.05)；青貯7～30 d處理W1的DM含量始終顯著高于其他處理(P<0.05)；青貯60 d時W1和W3處理的DM含量均顯著高于其余兩個處理(P<0.05)，W2和CK的DM含量差異顯著(P<0.05)，CK的DM含量最低，為28.70%。

CP在青貯過程中緩慢下降，青貯15 d以內，CK的CP含量始終顯著低于其余3個處理(P<0.05)；到青貯30 d時，CP含量下降速度開始放緩，W1處理在青貯45 d時顯著高于其余處理(P<0.05)；青貯60 d時W1和W3處理的CP含量顯著高于其余兩個處理(P<0.05)W2和CK的CP含量差異顯著(P<0.05)，CK的CP含量最低，為7.13%。

NDF和ADF含量全程變化一致，呈下降趨勢，青貯0 d各處理NDF和ADF含量差異并不顯著(P>0.05)，除青貯15 d時CK和W1處理NDF和ADF含量無顯著差異外，CK的NDF和ADF含量始終顯著高于其余處理(P<0.05)，且W3處理的NDF和ADF含量最低，分別為46.23%，27.11%。

青貯過程中WSC含量逐漸降低，青貯前30 d各處理下降幅度均較大，青貯30 d后下降速度有所減緩。青貯前15 d各處理WSC含量迅速下降，在青貯30～45 d時，處理W1和W3的WSC含量無顯著差異但顯著高于其余處理(P<0.05)；直至青貯60 d時，W3處理WSC含量最高(5.37%)，且與其他處理出現顯著差異(P<0.05)，W1次之，為4.94%，CK處理WSC含量最低，為4.07%。表2

2.2 添加劑、青貯時間及其互作對油莎豆青貯品質的影響

研究表明，青貯時間對于油莎豆青貯DM、NDF、ADF、CP、WSC、NH3-N和pH值的變化均表現出極顯著影響(P<0.01)，且不同添加劑對于以上各項指標也表現出極顯著影響(P<0.01)。并且青貯時間與各處理的交互作用對DM、CP、WSC、NH3-N和pH值的影響極顯著(P<0.01)，而對NDF和ADF含量產生顯著影響(P<0.05)。表3

表3 不同青貯時間和添加劑下油莎豆青貯營養品質變化

2.3 油莎豆青貯前后營養品質對比

研究表明，在青貯完成后(60 d)各處理與青貯0 d時的pH值、DM、NDF、ADF、CP、WSC、NH3-N含量均有顯著差異(P<0.05)，且各處理DM、NDF、ADF、CP、WSC含量和pH值均降低，RFV有不同程度的上升。

各處理的營養品質均與青貯原料的存在顯著差異(P<0.05)，且隨著青貯時間的推移，各處理的pH值、DM、NDF、ADF、CP、WSC均有不同程度的下降，但RFV值較青貯原料有所升高。青貯完成時對照CK的RFV值最低，與其他處理差異顯著(P<0.05)，W3的RFV值最大，而處理W1、W2之間無顯著差異(P>0.05)。表4

表4 青貯前后油莎豆營養品質對比

2.4 添加劑對油莎豆青貯有氧穩定性的影響

研究表明，CK與W1-W3處理有氧暴露后穩定的時間分別為75、102、88、115 h。各處理的有氧穩定時間均表現出顯著差異(P<0.05)，其中W3處理有氧穩定時間最長，顯著高于其余處理(P<0.05)。圖3

圖3 不同添加劑油莎豆青貯暴露于空氣下有氧穩定性變化

2.5 不同添加劑處理油莎豆青貯發酵品質的綜合評價

研究表明，綜合評價分值越高則青貯品質越好，反之越差。發酵60 d后，不同添加劑處理油莎豆青貯品質的綜合排序為W3處理>W1處理>W2處理>CK處理。表5

表5 不同添加劑對油莎豆青貯品質及有氧穩定性隸屬函數

3 討 論

3.1 不同添加劑對油莎豆青貯營養品質的影響

乳酸菌能在很長一段時間內防止青貯飼料質量的快速下降[15-16]。乳酸菌的加入，使處理的WSC含量被大量消耗，纖維素酶與植物乳桿菌同時發酵和酶解時，酶解纖維素產生的還原糖被植物乳桿菌發酵利用[17-18]，促進了發酵進程，導致還原糖含量降低，在發酵前期(0～15 d)W1和W3處理的WSC含量下降速度較快，青貯30 d以后，WSC下降速度放緩，可能是因為乳酸菌增長到一定程度抑制了有害細菌的活動，減少了WSC損失。CK在發酵60 d時的WSC含量較少，其原因是油莎豆自身的乳酸菌數量較少，發酵進程緩慢，不足以抑制有害微生物的活動，導致WSC含量損失較大。

研究發現添加劑處理組的pH值顯著低于對照組(P<0.05)；其中，W3處理組的pH值最低，W1次之；油莎豆青貯pH僅降到了5.97，與李苗苗等[9]研究結果相似，可能與油莎豆莖葉細長而強韌，發酵過程較緩慢有關，還需進一步研究。無論是單獨添加植物乳桿菌還是聯合纖維素酶均能有效降低pH值，而單獨添加纖維素酶組pH值較高，說明纖維素酶在抑制有害微生物活動上效率較低，可將纖維素酶和乳酸菌添加劑同時使用，在補充青貯飼料有益乳酸菌數量的同時，提高其發酵底物的數量，可獲得較單一添加更理想的效果。

唐振華等[19]研究發現添加乳酸菌能顯著提高青貯DM含量。與試驗研究結果一致，DM會因發酵過程糖類物質和蛋白質等的分解而降低，而植物乳桿菌與纖維素酶的添加能夠有效降低發酵損失，這與黃媛等[20]研究結果一致。試驗結果還顯示，3種添加劑處理的CP含量顯著高于無添加劑的對照組，在青貯過程中添加劑的加入可降低飼料的氮素損失量，CP是評價粗飼料品質的重要指標，青貯飼料中NH3-N含量主要由于微生物對粗飼料中蛋白質和氨基酸進行分解和再利用而產生，氨態氮的含量直接反映著青貯飼料中蛋白質水平的降解程度，其比率越大，被充分分解的氨基酸和蛋白質數量就越多，青貯效果也就越差[9]。植物蛋白酶和其他微生物活性在蛋白水解中起重要作用[21-22]，青貯發酵過程中植物蛋白酶與微生物分解利用粗蛋白，產生多肽、游離氨基酸、氨等物質，造成粗蛋白含量的下降，試驗的添加劑處理有較低的酸度環境，抑制了腐敗菌、梭菌等降解，CP的損失較小。研究中，添加劑在一定程度上減少了油莎草青貯粗蛋白含量的損失，氨態氮的比例較低。與Tao等[23]在紫花苜蓿青貯中使用檸檬酸渣和乳酸菌的研究結果相吻合。與未添加纖維素酶的CK相比，添加纖維素酶降低了氨態氮含量，這可能與纖維素酶的抑菌作用有關。

飼料中NDF和ADF含量的高低與家畜采食量和消化率息息相關，其含量越低，營養品質越好[24]。研究中，植物乳桿菌和纖維素酶的添加顯著降低了油莎豆青貯的NDF和ADF含量，這與王亞芳等[25]的研究結果一致，纖維素酶對植物細胞壁的水解作用可以降低纖維含量。而單獨添加植物乳桿菌和纖維素酶油莎豆青貯NDF和ADF含量無顯著差異，但混合添加植物乳桿菌和纖維素酶油莎豆青貯NDF和ADF含量最低，對纖維素降解效果較好，與劉夢潔[26]研究結果一致，而江春[27]研究表明，植物乳桿菌發酵主要消耗含糖類物質，對木質纖維素結構幾乎沒有影響。這可能與發酵環境，發酵原料有關。因NDF和ADF含量的降低，RFV值自然升高。研究發現W3的pH值、NH3-N、NDF和ADF含量最低，DM、CP、WSC、RFV含量最高，原因是植物乳桿菌能夠有效聯合纖維素酶在發酵初期增加可利用底物數量和種類，提高利用WSC效率的同時抑制有害菌的活動，促進了青貯的有益發酵。

3.2 不同添加劑對油莎豆青貯有氧穩定性影響

青貯接觸空氣后呼吸作用增加，好氧腐敗菌開始大量擴散和增殖，青貯飼料溫度隨之升高，同時分解乳酸，使pH值升高，有害菌(如酵母菌、霉菌)活動頻繁，從而造成腐敗。有氧穩定時間越短有氧穩定性越差，越容易發生有氧腐敗，試驗中添加劑處理的有氧穩定性均較對照組好，W3處理>W1處理>W2處理>CK處理。因為添加植物乳桿菌和纖維素酶后發酵底物充足，造成較低pH環境，抑制了腐敗菌的增殖。同型發酵乳酸菌產生的環二肽、苯乳酸和羥基脂肪酸對酵母菌和霉菌有明顯的抑制作用[28-29]，有助于有氧穩定性的提高；W2組有氧穩定時間延長主要是由于添加的纖維素酶抑制了腐敗菌的增殖[30]。W3組有氧穩定性最高，達115 h，可能是由于植物乳桿菌和纖維素酶的協同作用使青貯發酵效果最佳，較低的pH環境下，好氧腐敗菌數量較少不易生長，延長了有氧穩定性的時間。

4 結 論

不同添加劑對油莎豆青貯中飼料青貯品質和有氧穩定性有顯著影響。添加植物乳桿菌(0.2%)+纖維素酶(0.5%)的處理綜合價值評分最高(0.93)。混合添加植物乳桿菌和纖維素酶的油莎豆青貯，開袋后在發酵品質，提高有氧穩定性方面均優于單一添加植物乳桿菌(0.2%)或單一添加纖維素酶(0.5%)的油莎豆青貯。