不同預(yù)處理方式對油菜秸稈微貯飼料品質(zhì)的影響

伍玉鵬， 劉恒恒， 胡榮桂， 徐志宇， 王 硯*

（1.華中農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，湖北武漢 430070；2.中華人民共和國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護總站，北京 100125）

油菜是我國最主要的油料作物之一，其種植面積達700萬hm2以上，2019年油菜籽總產(chǎn)量達1322萬t（殷艷等，2021）。若按照谷草比2.7：1計算，我國油菜秸稈產(chǎn)量約為3569萬t。然而，只有油菜籽得到了充分的利用，大量剩余的油菜秸稈均被作為農(nóng)業(yè)廢棄物丟棄，造成了資源的極大浪費（Liu等，2020）。

飼料化是實現(xiàn)秸稈資源利用的重要方式之一，也是解決我國畜牧業(yè)粗飼料來源的主要途徑（楚天舒等，2016）。油菜秸稈粗蛋白質(zhì)和粗脂肪含量相比小麥、玉米和大豆等作物秸稈更高，且含有多種微量元素，是一種潛力巨大的優(yōu)質(zhì)粗飼料來源（王亦聞等，2020）。但油菜秸稈自身的物理、化學特性卻極大限制了其飼料化應(yīng)用。一方面，油菜秸稈木質(zhì)纖維素含量要明顯高于水稻秸稈和小麥秸稈（趙蒙蒙等，2011）。另一方面，油菜秸稈表皮、皮層中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素以多種化學鍵連接形成穩(wěn)定和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，形成了酶解抗性屏障（Shevchenko等，1996）。這些特性對油菜秸稈的飼料化處理提出了更高的要求。

以微生物厭氧發(fā)酵為主的青貯、黃貯復(fù)合技術(shù)是目前秸稈飼料化的主要方法，并在水稻、玉米、小麥等秸稈的飼料化中得到了廣泛的應(yīng)用（王亞芳等，2020；張相倫等，2018；賈晶霞等，2013）。乳酸菌是主要的接種菌劑，其在厭氧環(huán)境中大量繁殖從而將飼料中的淀粉和可溶性糖變成乳酸，降低pH，抑制有害細菌生長，提高發(fā)酵飼料質(zhì)量（謝華德等，2019）。但對于油菜秸稈來說，淀粉等營養(yǎng)物質(zhì)大多存在于由表皮、皮層包裹的中心莖髓中，乳酸菌很難直接發(fā)揮作用（孟春花等，2020）。因此，破壞油菜表皮中木質(zhì)素、半纖維素和纖維素之間的緊密結(jié)構(gòu)，降低聚合度，使半纖維素結(jié)構(gòu)松散，成為微貯調(diào)制優(yōu)質(zhì)油菜秸稈飼料的關(guān)鍵。

已有研究在微貯中增加好氧發(fā)酵預(yù)處理環(huán)節(jié)，通過預(yù)先破壞油菜秸稈表皮的纖維結(jié)構(gòu)進而促進后續(xù)厭氧發(fā)酵（王硯等，2021），雖在一定程度上提高了油菜秸稈飼料品質(zhì)，卻存在pH升高、雜菌增多等問題。因此，本研究擬在前人已有基礎(chǔ)上，利用好氧發(fā)酵破壞油菜秸稈表皮、皮層結(jié)構(gòu)，利用高溫蒸煮控制優(yōu)勢菌群，通過比較高溫蒸煮、好氧發(fā)酵和厭氧發(fā)酵的不同組合，篩選較優(yōu)的油菜秸稈微貯飼料化前處理方法，以提高油菜秸稈微貯效率和發(fā)酵品質(zhì)，促進油菜秸稈飼料化應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 油菜采集自湖北省沙洋縣高陽鎮(zhèn)種植的雙低油菜，油菜秸稈自然風干后粉碎至1～2 cm備用。所獲取油菜秸稈粗蛋白質(zhì)（CP）含量4.45%，粗脂肪含量1.77%，粗纖維含量35.66%，中性洗滌纖維（NDF）含量69.53%，酸性洗滌纖維（ADF）含量50.25%，水分含量9.14%，可溶性糖（WSC）含量1.43%，總磷（TP）含量0.09%，總鉀（TK）含量1.15%，總鈣（TCa）含量1.44%。

乳酸菌由華中農(nóng)業(yè)大學微生物工程學院研究中心提供，為副干酪乳桿菌（Lactobacillus paracasei），活菌數(shù)約為10億cfu/g。秸稈腐熟劑由華中農(nóng)業(yè)大學微生物工程中心提供，其包含枯草芽孢桿菌200億cfu/g、短小芽孢桿菌20億cfu/g、地衣芽孢桿菌10億cfu/g、酵母菌2億cfu/g和黑曲霉2億cfu/g。

1.2 試驗設(shè)計 本研究通過高溫蒸煮、好氧發(fā)酵和厭氧發(fā)酵的不同組合，共設(shè)置7個處理（圖1）。對照（CK）：接種乳酸菌進行40 d的厭氧發(fā)酵；聯(lián)合厭氧發(fā)酵（CK+S）：同時接種乳酸菌和秸稈腐熟劑進行40 d的厭氧發(fā)酵；蒸煮+聯(lián)合厭氧發(fā)酵（TCK+S）：先對油菜秸稈進行高溫蒸煮，之后接種乳酸菌和秸稈腐熟劑進行40 d的厭氧發(fā)酵；好氧預(yù)處理+厭氧發(fā)酵（S-CK）：先利用秸稈腐熟劑進行7 d的好氧發(fā)酵，之后利用乳酸菌進行33 d的厭氧發(fā)酵；蒸煮+好氧預(yù)處理+厭氧發(fā)酵（T-S-CK）：高溫蒸煮后利用秸稈腐熟劑進行7 d的好氧發(fā)酵，之后利用乳酸菌進行33 d的厭氧發(fā)酵；好氧預(yù)處理+蒸煮+厭氧發(fā)酵（S-T-CK）：利用秸稈腐熟劑進行7 d的好氧發(fā)酵，高溫蒸煮之后利用乳酸菌進行33 d的厭氧發(fā)酵；蒸煮+好氧預(yù)處理+蒸煮+厭氧發(fā)酵（T-S-T-CK）：利用秸稈腐熟劑進行7 d的好氧發(fā)酵，在好氧發(fā)酵前、后分別進行高溫蒸煮，之后利用乳酸菌進行33 d的厭氧發(fā)酵。

各處理均稱取500 g秸稈按照設(shè)置開展試驗。參考菌劑說明書，好氧發(fā)酵中秸稈腐熟劑添加量為物料干重的0.2%，混勻，調(diào)節(jié)含水率為65%，蓋上保溫棉進行7 d的好氧發(fā)酵，期間適當進行翻堆；厭氧發(fā)酵中乳酸菌添加量為物料干重的2%，混勻，調(diào)節(jié)水分為65%，將秸稈放在發(fā)酵袋內(nèi)，利用熱封機密封，抽真空后放置在恒溫培養(yǎng)箱38℃下厭氧發(fā)酵33 d或40 d。高溫蒸煮在滅菌鍋中進行，121℃維持30 min。每個處理設(shè)置3個重復(fù)。

1.3 取樣及測定 在40 d發(fā)酵結(jié)束后，利用五點法采樣，根據(jù)我國現(xiàn)行的《青貯飼料質(zhì)量評定標準》（1996）進行感官鑒定，對樣品pH、總氮（TN）、氨氮（AN）、干物質(zhì)（DM）、可溶性碳水化合物（WSC）、粗蛋白質(zhì)（CP）、乳酸、中性洗滌纖維（NDF）及酸性洗滌纖維（ADF）含量等表征發(fā)酵飼料品質(zhì)的指標進行測定。其中DM含量通過烘干法測定；pH由新鮮樣品與去離子水混合（1：10）振蕩獲得上清液后用pH計測定；AN含量用納氏試劑法測定；樣品NDF和ADF含量采用英國ringbio濾袋技術(shù)全自動纖維分析儀測定；采用H2SO4-H2O2消化，凱氏定氮儀測定TN并計算CP含量；乳酸采用離子色譜法檢測；WSC含量采用蒽酮-硫酸比色法測定。對各處理樣品結(jié)構(gòu)進行表征，利用超高分辨率場發(fā)射掃描電子顯微鏡進行電鏡掃描（SEM）。

1.4 統(tǒng)計分析 所有試驗數(shù)據(jù)均以均值表示，采用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件對不同處理進行相關(guān)的統(tǒng)計分析、顯著性檢驗等。

秸稈飼料品質(zhì)的綜合評價采用隸屬函數(shù)值法進行（林真等，2014），用隸屬函數(shù)法轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)統(tǒng)一量綱，其中正相關(guān)指標（Uin）、負相關(guān)指標（U′in）依據(jù)以下公式進行轉(zhuǎn)化：

式中：Uin和U’in分別指第n個樣品第i個指標的原始數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)化后的隸屬函數(shù)值；Xin指第n個樣品第i個指標的原始測定結(jié)果；Ximax和Ximin分別指樣品組中第i個指標的最大值和最小值。

將各個待評價材料的各個指標的具體特性隸屬值進行累加，并求平均數(shù)以獲取各個處理的平均隸屬度。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同處理油菜秸稈飼料感官評價 各處理獲得的油菜秸稈飼料均無腐敗氣味，顏色為褐黃或亮黃色，在含水率上并無顯著差異（表1）。pH是影響微貯質(zhì)量的重要因素之一，pH快速下降，有助于限制植物酶活性，減少蛋白質(zhì)降解損失，抑制產(chǎn)生高水平乙酸、丁酸的有害微生物以及其他有害微生物的數(shù)量（Hwang等，2004）。在本研究中，秸稈腐熟劑與高溫蒸煮的不同組合對秸稈飼料pH產(chǎn)生的影響并不相同，其中S-T-CK及TS-T-CK處理獲得的飼料pH分別為3.90和3.92，要顯著低于其他處理，說明利用秸稈腐熟劑對油菜秸稈進行好氧發(fā)酵預(yù)處理并在厭氧微貯前進行高溫蒸煮能夠有效促進乳酸菌的大量繁殖，進而將飼料中的淀粉和可溶性糖變成乳酸，這有利于提高發(fā)酵飼料的質(zhì)量。但S-T-CK與T-S-TCK之間的飼料pH無顯著差異，說明好氧發(fā)酵前增加高溫蒸煮并未有效促進產(chǎn)酸。從最終的油菜秸稈飼料感官評價結(jié)果來看，S-T-CK及T-S-TCK評定總分在80以上，較常規(guī)微貯提高了78%，均達到了優(yōu)等，T-S-CK、S-CK及T-CK+S評定總分在60～80，為良好，而CK和CK+S總分低于60，為一般。

2.2 不同處理油菜秸稈飼料營養(yǎng)品質(zhì) 飼料中的CP及WSC含量是評價飼料營養(yǎng)品質(zhì)的重要指標，其中CP指飼料中含氮有機物的總稱，包含一些必需的氨基酸，而WSC則是反芻動物瘤胃微生物合成菌體蛋白重要的能源（劉海燕等，2019）。本研究顯示，好氧發(fā)酵預(yù)處理結(jié)合高溫蒸煮能夠有效提高飼料中的CP含量，其中T-S-TCK、S-T-CK及T-S-CK處理CP含量均達到了5%以上，顯著高于CK+S及CK處理（表2）。但各處理之間在WSC上均無顯著差異，其中T-S-TCK、S-T-CK及T-S-CK處理相比CK甚至小幅降低了WSC含量，可能是乳酸菌大量繁殖生長加快了對WSC的利用（曾輝等，2017）。這一觀點可由對應(yīng)處理中顯著降低的pH得到印證（表1）。雖然好氧發(fā)酵預(yù)處理結(jié)合高溫蒸煮促進了乳酸菌大量繁殖，但乳酸菌沒有蛋白質(zhì)分解酶，不分解破壞原料中的蛋白質(zhì)（Elferink等，1999）。這是本研究中CP與WSC在不同處理中呈現(xiàn)不同趨勢的原因。

NDF和ADF是評價纖維品質(zhì)優(yōu)良的重要指標，其含量分別與動物采食量和消化率呈負相關(guān)。飼料中NDF與ADF含量越低，表明其飼用價值越大，經(jīng)濟價值越高（陰法庭等，2018）。在本研究中，好氧發(fā)酵預(yù)處理結(jié)合高溫蒸煮相比CK顯著降低了NDF與ADF含量，較常規(guī)微貯可降低3.44%～7.29%，提高了油菜秸稈的飼用價值（表2）。除CK外，各處理之間的DM含量均無顯著差異，而導(dǎo)致CK處理DM含量較低可能與其較高的含水量有關(guān)（表1）。

表2 不同處理的油菜秸稈發(fā)酵飼料營養(yǎng)品質(zhì)

微貯過程中，各類微生物活動消耗降解蛋白質(zhì)并產(chǎn)生AN，飼料中的AN/TN值越高，說明蛋白質(zhì)降解越多（朱玉環(huán)等，2013）。蛋白質(zhì)是動物獲取植物能量的重要來源，蛋白質(zhì)若大量降解會顯著降低飼草利用率。因此，一般品質(zhì)優(yōu)等飼料的AN占TN的比例應(yīng)低于10%（陰法庭等，2018）。本研究中，各處理的AN/TN均在10%以下，各處理之間并無顯著差異（表2）。本研究顯示T-S-T-CK、S-T-CK、T-S-CK及S-CK處理的飼料乳酸含量均顯著高于CK、CK+S及TCK+S處理的飼料，說明好氧發(fā)酵預(yù)處理結(jié)合高溫蒸煮促進了發(fā)酵過程中乳酸菌等有益菌的繁殖，使之成為貯料中的優(yōu)勢菌群，進而產(chǎn)生大量乳酸（曾輝等，2019）。

2.3 不同處理油菜秸稈飼料電鏡結(jié)構(gòu)表征 由圖1可看出，油菜秸稈的原樣表皮緊密有序，結(jié)構(gòu)清晰，無孔洞存在。分別對油菜秸稈原樣進行好氧發(fā)酵和高溫蒸煮，發(fā)現(xiàn)好氧預(yù)處理之后的油菜秸稈表面出現(xiàn)塌陷，并且細胞壁有褶皺和破損，出現(xiàn)孔洞，比表面積增加；高溫蒸煮僅僅讓秸稈表皮變得褶皺，卻并未明顯破壞油菜秸稈結(jié)構(gòu)。這說明高溫蒸煮僅能起到軟化秸稈的作用，卻并不能直接影響其后的微貯質(zhì)量。對各個處理微貯獲得的油菜秸稈飼料進行電鏡掃描，發(fā)現(xiàn)T-S-T-CK、S-T-CK、T-S-CK及S-CK處理油菜秸稈破碎化程度更高，結(jié)構(gòu)變得松散，表層斷裂現(xiàn)象較多，而CK、CK+S及T-CK+S處理表層斷裂現(xiàn)象較少。

圖1 不同處理油菜秸稈飼料電鏡結(jié)構(gòu)表征

2.4 不同處理油菜秸稈發(fā)酵飼料品質(zhì)綜合評估對比各處理油菜秸稈發(fā)酵飼料營養(yǎng)指標，發(fā)現(xiàn)不同指標在不同處理中各有優(yōu)勢，因此很難通過單一的指標對各微貯方法進行評判。模糊數(shù)學中的隸屬函數(shù)分析方法提供了一條在多指標測定基礎(chǔ)上對飼料營養(yǎng)品質(zhì)進行綜合評價的途徑，其考慮到了各個指標的作用，避免了只考慮粗蛋白質(zhì)和pH等幾個因子而忽視其他幾個因子的弊端，可以更全面、均衡的評價飼料的營養(yǎng)品質(zhì)，使試驗結(jié)果更加客觀、準確（劉晶等，2018）。本研究顯示，不同處理獲得的油菜秸稈飼料平均隸屬度排序為ST-CK≈T-S-T-CK＞T-S-CK≈S-CK＞CK+S≈T-CK+S＞CK（表3）?？傮w來看，在傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵過程中加入秸稈腐熟劑，能夠在一定程度上提高飼料品質(zhì)，但效果并不明顯，這可能是由于厭氧環(huán)境無法提供秸稈腐熟劑中好氧微生物所需的最優(yōu)環(huán)境，限制了秸稈腐熟劑中好氧微生物的作用，此外，秸稈原本附著土著微生物的競爭也可能削弱接種微生物的作用。在S-CK處理中，秸稈腐熟劑進行的好氧發(fā)酵可通過破壞油菜秸稈纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)促進后續(xù)厭氧發(fā)酵，進而提高油菜秸稈微貯品質(zhì)，這與王硯等（2021）的研究結(jié)果一致。但T-S-CK與S-CK在秸稈飼料綜合評價上并無顯著區(qū)別，說明好氧發(fā)酵前增加的高溫蒸煮環(huán)節(jié)并未能發(fā)揮作用，可歸結(jié)于高溫蒸煮并不能實際破壞秸稈物理結(jié)構(gòu)。這一現(xiàn)象在S-T-CK與T-S-TCK處理之間亦得到了證實。然而，S-T-CK與SCK處理相比平均隸屬度由0.58提高到了0.81，說明好氧發(fā)酵與厭氧發(fā)酵之間插入的高溫蒸煮環(huán)節(jié)顯著改善了秸稈飼料品質(zhì)。這可歸結(jié)為高溫蒸煮殺死了原料中的微生物，為接種的乳酸菌提供了一個資源充足且無競爭的環(huán)境，極大的促進了乳酸菌的生長，強化了厭氧發(fā)酵中乳酸菌的作用。S-T-CK與T-S-T-CK處理相比其平均隸屬度并無明顯差距，但T-S-T-CK處理增加了工藝復(fù)雜度，增加了能耗，因此本研究更加推薦S-T-CK工藝用于油菜秸稈的飼料化微貯。

表3 不同處理油菜秸稈飼料綜合評估隸屬函數(shù)

3 結(jié)論

利用秸稈腐熟劑進行7 d的好氧發(fā)酵，高溫蒸煮，之后利用乳酸菌進行33 d的厭氧發(fā)酵是對油菜秸稈進行飼料化微貯的最佳方法。該方法獲得的秸稈飼料感官較好，且擁有更低的NDF和ADF含量以及更高的CP和乳酸含量。