体外产气法评价不同青贮添加剂处理下汽爆玉米秸秆品质

时间：2024-08-31

高雪梅，焦婷，雷赵民，赵生国，李雄雄，秦伟娜

(1.甘肃农业大学草业学院，草业生态系统教育部重点实验室，甘肃省草业工程实验室，中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃兰州 730070；2.甘肃农业大学动物科学技术学院，甘肃兰州 730070)

秸秆是我国重要的粗饲料资源，2017年，我国农作物秸秆可收集资源量为8.27亿t，其中，玉米、水稻、小麦三大粮食作物秸秆资源量分别为37.2、19.1、14.7亿t，合计占全国秸秆资源总量的84.8%[1]。玉米秸秆在我国秸秆资源中占很大比例，但由于利用加工技术有限，自身营养价值低，常被丢弃或焚烧，造成资源浪费，带来环境污染等问题。

近年来，随着牛羊养殖业的快速发展，农民对粗饲料的需求不断增加，粗饲料不足问题日益显现，导致饲草原料价格攀升，养殖成本增加，养殖效益缩减[2]。因此，加大饲草料资源挖掘与开发，改善秸秆利用加工手段，对缓解饲草资源短缺、提高养殖效益、避免资源浪费具有重要意义。农作物秸秆具有纤维木质化程度高、粗蛋白(CP)含量低、养分消化率低、适口性较差等特点，直接用于家畜饲喂效果较差[3]。通过适当处理可提高秸秆降解率，增加其20%的能量利用率，对于缓解优质粗饲料紧缺的现状具有重要意义[4-5]。蒸汽爆破技术是一种物理与化学相结合的加工技术，能够破坏秸秆纤维结构，显著降低半纤维素含量，使粗蛋白、可溶性糖等营养成分含量升高[6]。适当条件下汽爆处理能提高秸秆营养价值，改善适口性，提高消化率[7]，汽爆后发酵处理可以保持秸秆营养品质，增加利用率[8]。

因此，通过汽爆处理提高玉米秸秆营养品质，再进行厌氧发酵，既可以解决玉米秸秆品质低、适口性差、难以贮存等问题，又可以使玉米秸秆高效利用。本试验研究了不同青贮添加剂厌氧发酵对汽爆玉米秸秆纤维结构的影响，利用体外产气法测定了其体外产气量、降解率以及发酵特性，旨在筛选低质粗饲料的适宜处理方法，提高玉米秸秆的利用价值。

1 材料和方法

1.1 材料

试验所用汽爆原料为上一年堆垛玉米秸秆，汽爆前将水分调为65%～70%，在汽爆腔压力1.0 MPa、维压10 min下汽爆的玉米秸秆。

青贮添加剂宜生贮宝Sila-Max(MAX)由美国瑞科动物营养公司提供，含纯化纤维素酶、淀粉、丙酸杆菌、淀粉酶，乳酸菌≥2×1010cfu/g，添加量为0.002 5 kg/t；青贮添加剂Sila-Mix(MIX)由美国瑞科动物营养公司提供，黑曲霉、硅酸钙，总钙含量25%～29.5%，乳酸菌≥1.8×106cfu/g，添加量为1.000 kg/t；活性纤维菌在平凉灵台康庄牧业公司自购，含乳酸菌、纤维素分解菌、纤维素酶、淀粉，添加量为0.500 0 kg/t；发酵桶为20 L圆形旋盖白色塑料桶。试验在甘肃灵台康庄牧业有限公司牛场进行。

1.2 样品制备与指标测定

1.2.1 样品制备分别将3种添加剂(按添加量说明)与汽爆玉米秸秆混合，混匀后装桶压实密封，以不添加任何添加剂作为对照(CK)。每个处理装3桶，即3次重复，密度600～650 kg/m3，置于室内发酵。发酵60 d 后，开桶取样，去掉上部3～4 cm的样品，然后将桶内样品混匀后进行取样，用真空包装袋保存并带回实验室，在105 ℃烘箱内烘干、粉碎备用。

1.2.2 营养指标测定采用张英丽[9]的方法测定粗蛋白、中洗洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)、酸性洗涤木质素(ADL)以及粗灰分(Ash)的含量。

1.3 体外产气试验

1.3.1 选择动物选择3只体重(45±5)kg、安装永久性瘤胃瘘管的1岁健康公羊(小尾寒羊♂×本地北山羊♀的杂交2代)，基础日粮组成及营养水平见表1，分别于每天8∶00、17∶00准时饲喂，自由采食，提供充足饮水。

表1 试验饲粮组成及营养水平(风干基础)

1.3.2 瘤胃发酵培养液制备晨饲后2 h采集3只羊瘤胃液，用4层纱布过滤并混合均匀，立刻放入通有二氧化碳(CO2)的保温瓶(39 ℃热水预热)中迅速带回实验室。人工瘤胃液由A液、B液、C液、刃天青溶液和还原剂溶液组成，参考Menke等[10]方法制备。瘤胃发酵培养液以人工瘤胃液与瘤胃液按2:1的比例混合制得。

1.3.3 体外产气量的测定准确称取秸秆1.000 g放置于尼龙袋中，封口，置于250 mL产气罐中，在39 ℃下预热30 min，再加入150 mL瘤胃培养液，持续通入CO2约30 s，再将产气瓶放置于39 ℃的恒温振荡水浴摇床中。每个发酵底物做 3 次重复。采用ANKOM RFS体外产气系统(美国 ANKOM technology corporation)自动检测消化反应产生的气体，通过无线传输，在计算机的电子表格中自动记录气压变化，用“理想气体方程”在标准状况“S.T.P”下转换成气体体积(mL)。

计算公式为：Vx=Vj×Ppsi×0.068 004 084

式中：Vx为 39 ℃ 产气量(mL)；Vj为产气罐顶部空间体积(mL)；Ppsi为系统自动记录的压力(kPa)。

1.3.4 体外发酵指标测定待48 h体外发酵完成，迅速将产气罐置于冷水中终止发酵，取出尼龙袋，用蒸馏水冲干净后，放置于105 ℃烘箱中，烘干、恒重，用于测定干物质消化率(DMD)、中性洗涤纤维消化率(NDFD)、酸性洗涤纤维消化率(ADFD)；

消化率计算公式为：A=100×(B-C)/B

式中：A为待测秸秆消化率(%)；B为样品中待测秸秆中某成分含量(%)，C为残渣中待测秸秆该成分含量(%)。

将发酵液收集，用pH S-3C酸度计测定发酵液pH；NH3-N浓度用比色法测定[12]；挥发性脂肪酸(VFA)用气相色谱法测定[13]，气相色谱仪型号为岛津GC-2010；微生物蛋白(MCP)用嘌呤法测定[13]。

1.4 扫描电镜分析

挑选出不同处理下的新鲜秸秆组织，采用扫描电镜(S-3400N)观察不同处理下组织的变化[14]。

1.5 数据统计与分析

采用Excel 2016计算试验数据后，采用SPSS 19.0软件对数据进行单因子方差分析，结果以平均值±平均标准误表示，进行Duncan 多重比较，以P<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 不同添加剂处理前后汽爆玉米秸秆的营养成分变化

汽爆玉米秸秆CP、ADL含量在发酵前后无显著差异(P>0.05)；发酵处理后汽爆玉米秸秆NDF、ADF含量显著降低(P<0.05)；灰分含量MIX组最高，与CK、MAX、活性菌组无显著差异(P>0.05)，但CK、MIX组显著高于汽爆未发酵秸秆(P<0.05)(表2)。

表2 不同添加剂发酵处理前后汽爆玉米秸秆的营养成分

2.2 不同添加剂处理后玉米秸秆体外产气量变化

不同添加剂处理后，汽爆玉米秸秆产气量随着时间的增加而升高，在前12 h内产气速率较高；12 h后，随着时间的增加，MAX组、MIX组和活性菌组产气量仍在持续上升，而CK组产气量明显下降，曲线趋于平缓；48 h时，累计产气量由大到小为活性菌组>MAX组>MIX组>CK组(图1)。

图1 不同添加剂处理下汽爆玉米秸秆体外产气量

2.3 不同添加剂处理对汽爆玉米秸秆体外消化率的影响

与CK组相比，不同添加剂发酵处理后，汽爆玉米秸秆DMD、NDFD、ADFD均无显著差异(P>0.05)(表3)。

表3 不同添加剂处理下汽爆玉米秸秆体外消化率

2.4 不同添加剂处理对汽爆玉米秸秆体外发酵挥发性脂肪酸的影响

MAX组、MIX组乙酸含量差异不显著(P>0.05)，二者显著高于CK组、活性菌组(P<0.05)；MAX组丙酸、总挥发性脂肪酸含量显著高于其他处理组(P<0.05)；异丁酸、丁酸、异戊酸、戊酸含量在MAX组、MIX组和CK组间无显著差异(P>0.05)；活性菌组各挥发性脂肪酸含量最低，除丁酸外，其余指标与CK组无显著差异(P>0.05)(表4)。

表4 不同添加剂对汽爆玉米秸秆体外发酵挥发性脂肪酸含量

2.5 不同添加剂处理对汽爆玉米秸秆体外发酵NH3-N、pH、MCP的影响

不同添加剂处理下pH、NH3-N浓度无显著差异，MAX、MIX组MCP含量显著高于CK组、活性菌组(P<0.05)(表5)。

表5 不同添加剂处理下汽爆玉米秸秆体外发酵 NH3-N、pH值、MCP含量

2.6 不同添加剂处理对汽爆玉米秸秆纤维结构的影响

由不同处理下汽爆玉米秸秆在扫描电镜下的超微结构可以看出，CK组(图2-A)秸秆皮外层结构完整，表皮毛排布整齐；活性菌组(图2-B)表面粗糙、膨松，表皮毛部分脱落，出现孔洞、裂痕，有大量附着物；MAX组(图2-C)秸秆皮外层结构发生变化，表皮毛部分脱落，表面粗糙，出现孔洞和大量附着物；MIX组(图2-D)秸秆皮外层结构出现裂痕、孔洞，表面粗糙，表皮毛脱落，有大量附着物。

图2 不同添加剂处理下汽爆玉米秸秆纤维结构变化

3 讨论

3.1 不同添加剂对汽爆玉米秸秆营养品质的影响

添加剂能够改善秸秆营养品质，其作用效果与添加剂类别、作用原料等有很大的关系。大量研究证实，添加乳酸菌对于青贮饲料营养成分的影响有限[15-16]。本试验得出相似结论，不同添加剂处理下的汽爆玉米秸秆CP、NDF、ADF、ADL和Ash的含量与CK无显著差异，这是由于添加剂均为乳酸菌添加剂，汽爆玉米秸秆自身营养价值低所致。

3.2 不同添加剂对汽爆玉米秸秆产气量的影响

体外产气量可以在某种程度上反映饲料在反刍动物瘤胃中的降解特性[17]。通常，饲料中可发酵有机物含量越高，体外产气量越大。本试验中，MAX组、MIX组及活性菌组48 h累积产气量高于CK组，说明MAX、MIX以及活性菌处理能够增加秸秆可发酵有机物，提高产气量。

3.3 不同添加剂对汽爆玉米秸秆消化率的影响

粗饲料的干物质消化率可反映其在动物体内消化的难易程度，是影响干物质采食量的重要因素[18]。瘤胃中NDF和ADF降解率的大小，反映了饲料被降解的难易程度，提高饲料NDFD和ADFD可增加干物质采食量和生产性能[19-20]。秸秆消化率与NDF、ADF含量具有相关性[21]。本试验中不同添加剂处理后的汽爆玉米秸秆纤维含量与CK组无明显差异，这与孙文君等[22]在稻草上的研究结果相似，是由乳酸菌制剂对不同发酵原料的作用效果不同导致[23]，从体外DMD、NDFD、ADFD来看，不同处理亦无显著差异，此结果与秸秆营养状况相一致。

3.4 不同添加剂处理对汽爆玉米秸秆发酵特性的影响

反刍动物瘤胃环境随饲料的组成及自身条件的变化而变化，瘤胃内pH、NH3-N浓度、VFA含量等，可以反映瘤胃内部的环境状况及饲料在瘤胃内的发酵程度和模式[24]。

VFA是反刍动物瘤胃微生物维持和生长的主要能量来源，通过日粮中碳水化合物的降解产生[25]。反刍动物瘤胃中VFA包括乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸、异戊酸，其中丙酸是反刍动物体内内源葡萄糖合成的前体物质，乙酸是反刍动物代谢所需能量的主要来源，发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]。本试验中，MAX组乙酸、丙酸、丁酸含量最高，且总挥发性脂肪酸含量显著高于其他处理组，说明MAX组秸秆碳水化合物发酵较为完全，消化代谢速率相对较高。这是由于MAX中含有纯化纤维素酶和乳酸菌，在厌氧发酵过程中对纤维进行了分解，使秸秆结构疏松多孔，增加了瘤胃微生物可利用底物和可附着比表面积。

适宜的pH环境是瘤胃微生物正常生长的必要条件，S.Calsamiglia等[27]研究发现，瘤胃pH值为5.5～7.5，可保证瘤胃微生物的生长。本试验各处理pH值在6.44～6.47，给瘤胃微生物的生长繁殖提供了良好的环境。

NH3-N含量是衡量瘤胃氮代谢的重要指标，能间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饲料中蛋白质生成NH3-N的平衡情况[28]。瘤胃液中NH3-N浓度过高或过低都不利于瘤胃微生物的生长繁殖，进而影响家畜对营养的吸收利用。因此，适宜的NH3-N浓度是保证瘤胃微生物正常生长活动的关键，生长所需最佳的NH3-N浓度在5～30 mg/100 mL[29]。本试验中，不同添加剂处理下，瘤胃液NH3-N浓度均在适宜微生物生长的范围内，MIX组、MAX组浓度显著高于CK组，说明MIX组、MAX组秸秆中可以利用蛋白含量较高。

瘤胃中主要蛋白供给是微生物蛋白。微生物蛋白浓度可反映瘤胃微生物利用NH3-N的能力，也侧面反映微生物的种群大小[30]。本试验中，MAX组、MIX组MCP含量显著高于CK组、活性菌组，说明MAX、MIX添加剂处理下秸秆瘤胃微生物菌群较大。MCP的合成效率主要受日粮中蛋白的组成及水平、碳水化合物的含量和种类、碳水化合物和蛋白质降解的同步性等多重因素的影响[31]，可以推断MAX组、MIX组秸秆与瘤胃微生物反应更充分，更利用反刍动物吸收。

3.5 不同添加剂处理对汽爆玉米秸秆纤维结构的影响

扫描电镜(SEM)是表征样品表面的有力工具，表面粗糙度反映不同处理对木质纤维结构的破坏程度[32]。本试验中，与CK组对比发现，添加剂发酵处理后的秸秆结构明显出现孔洞、组织脱落破损，并增加大量附着物，这与焦有宙等[33]研究结果相似，这是由于这几种添加剂中不仅含有乳酸菌，还含有能够促使纤维降解的物质：MAX中含有纤维素酶，它能使植物细胞壁分解产生糖，增加乳酸发酵底物；活性菌中含有纤维素分解菌，能产生纤维素酶对植物细胞壁进行破坏[34-35]。