生物性添加剂对燕麦青贮品质和有氧稳定性的影响

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生物性添加剂对燕麦青贮品质

和有氧稳定性的影响


作   者


黄毅飞1,*吴泽宇1

米玛更才2,王克山1

赵静1,惠爱玲1,张文成1


作者单位


1. 合肥工业大学 食品与生物工程学院,

农产品生物化工教育部 工程研究中心;

2. 西藏浪卡子县农牧综合服务中心


引用格式


黄毅飞,吴泽宇,米玛更才,等.生物性添加剂对燕麦青贮品质和有氧稳定性的影响[J].农产品加工,2025,(03):58-63.


基金项目


安徽省重点研究与开发计划项目 (2022J11020005)。


摘   要


为探讨生物性添加剂对燕麦青贮品质和有氧稳定性的影响。试验共设置了7个处理组,分别为对照组(CK)、植物乳杆菌组(LP)、牛链球菌组(SB)、枯草芽孢杆菌组(BS)和丙酸杆菌组(PP)(上述4种菌种浓度均调节至1×106 CFU/g FW),纤维素酶组(CT,50 U/g FW)和木聚糖酶组(XT,50 U/g FW)。所有样本在真空密封聚乙烯袋中存放30 d,并在青贮结束后对有氧稳定性进行评估。结果表明,与对照组相比,乳酸菌处理显著提高了青贮饲料中CP和LA的含量(p<0.05),显著降低了pH值和NH3-N含量(p<0.05),其中SB的作用效果优于LP。CT和XT显著降低了NDF,ADF和HC的含量(p<0.05),显著提高了WSC的含量(p<0.05)。在有氧暴露过程中,BS和PP显著延缓了pH值和NH3-N含量的升高(p<0.05),减少了霉菌和酵母菌数量(p<0.05),增强了有氧稳定性。


关 键 词


生物性添加剂;牛链球菌;

丙酸杆菌;发酵品质;有氧稳定性


正   文


0   引言

燕麦(Avena sativa)因其独特的生长习性和丰富的营养价值被视为全球最重要的饲料资源和粮食作物之一,该作物对不利环境和营养缺乏展现出显著的抗逆性[1]。近年来,燕麦在我国已逐渐成为主要农作物之一,这主要得益于其出色的生物量产量和较高的饲用价值。青贮是保存新鲜牧草的一种有效方法。然而,生长在中国西南地区的燕麦水分含量较高,高湿环境容易导致燕麦发霉、变质,进而损失其营养价值和饲用价值,严重威胁了燕麦的品质。

乳酸菌能够利用青贮饲料中的糖类物质产生大量有机酸,使得pH值迅速下降。植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)是一种典型的同型发酵乳酸菌,在青贮行业中得到了广泛应用。牛链球菌(Streptococcus bovis)是一种从瘤胃中分离出来的乳酸菌,由于其独特属性可用作青贮添加剂,比常用的青贮接种剂乳酸菌生长速率加快30%,这表明其可能作为青贮发酵过程中的发酵剂,促进青贮料pH值的快速下降[2]。纤维素酶和木聚糖酶分别作用于植物的纤维素和半纤维素成分,其中纤维素酶由真菌、细菌和原生动物产生,可将植物细胞壁中的纤维素等多糖分子水解成低分子糖或单糖,以供细菌直接利用[3]。木聚糖酶则催化木聚糖水解,其主要商业来源是丝状真菌[4]

尽管燕麦青贮饲料广泛用于动物饲养,然而优质青贮往往与开封后的氧化变质相关。残余的可溶性碳水化合物和高浓度的乳酸可成为酵母的生长基质,引发变质。枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)被认为可以通过产生抗真菌物质和细菌素来抑制酵母菌和丝状真菌等不良微生物的生长,从而提高青贮饲料的有氧稳定性[5]。据报道,枯草芽孢杆菌能够降解真菌毒素[6],并产生阿魏酸酯酶和α-淀粉酶,将木质素和半纤维素成分降解为单糖,促进乳酸菌发酵[7]。在青贮饲料中接种丙酸杆菌(Propionibacterium)的目的是在青贮过程中产生丙酸,进而提高青贮饲料的有氧稳定性[8]。然而,目前关于这2种微生物处理对燕麦青贮发酵品质和有氧稳定性影响的研究报道尚少。

因此,研究旨在探索青贮发酵过程中生物性添加剂,包括乳酸菌型添加剂(植物乳杆菌、牛链球菌)、非乳酸菌微生物添加剂(枯草芽孢杆菌、丙酸杆菌)、酶制剂(纤维素酶、木聚糖酶)对燕麦青贮品质的影响。同时,进一步分析非乳酸菌微生物添加剂对其有氧稳定性的影响,为高水分燕麦青贮的调制提供理论依据和参考。

1   材料和方法

1.1   试验材料和添加剂

使用的青贮原料为江苏省徐州市某农场种植的乳熟期的燕麦,刈割时留茬高度5 cm左右;植物乳杆菌和牛链球菌,均购自中国工业微生物菌种保藏管理中心(CICC),相应的菌种编号分别为CICC21604CICC22696;枯草芽孢杆菌从腐乳中筛选获得,其DNA序列由上海生工生物工程有限公司测定,并通过NCBI数据库进行核酸BLAST分析,确定该菌株编号为Bacillus subtitis cp026662.1;费氏丙酸杆菌,购自北京北纳创联生物技术研究院(BNCC),菌种编号为BNCC336447;纤维素酶、木聚糖酶,上海麦克林生化科技股份有限公司提供,2种酶的活力均为50 000 U/g

1.2   试验设计

将切碎之后平均长度为1~2 cm的原料分成7份,分别用植物乳杆菌(LP)、牛链球菌(SB)、枯草芽孢杆菌(BS)、丙酸杆菌(PP)(上述4种菌种浓度均调节至1×106 CFU/g FW)、添加50 U/g FW的纤维素酶溶液(CT)、添加50 U/g FW的木聚糖酶溶液(XT)和不添加添加剂作为对照组(CK)进行处理。将上述各种添加剂分别在一定体积的无菌水中溶解后,均匀地喷洒于相应的原料上,其中CK组添加等体积的无菌水,混合均匀,每种处理重复3次。将约200 g样品装入250 mm×300 mm的聚乙烯袋中,抽真空密封后,在30 ℃环境下贮藏。青贮过程持续30 d,之后取样以评估有机组分、发酵特性和有氧稳定性。

1.3   有机组分测定

将新鲜燕麦和青贮样品在65 ℃的烘箱中干燥 48 h,用于DM含量的测定。经过干燥之后的样品进行粉碎,并通过1 mm筛网后,进一步用于营养品质的分析。采用蒽酮比色法测定可溶性碳水化合物(WSC[9];采用凯氏定氮法测定总氮(TN)和粗蛋白(CP)含量[10];通过Van Soest方法测定中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)的含量[11],通过公式HC=NDF-ADF计算半纤维素(HC)含量。

1.4   发酵特性测定

20 g青贮样品与180 mL蒸馏水充分混合后,置于4 ℃环境中浸提24 h。随后,将混合物通过4层粗棉布过滤,并立即测定所得滤液的pH值。接着,将滤液进行离心(转速10 000 r/min,时间15 min,温度4 ℃),取上清液以备后续的发酵特性测定。滤液的pH值使用玻璃电极pH计测定;采用苯酚-次氯酸钠比色法测定NH3-N[12];采用高效液相色谱法测定有机酸[13],具体色谱条件如下:使用ZORBAX SB-Aq色谱柱,以质量分数为0.1%H3PO4溶液作为流动相,柱温25 ℃,流速1 mL/min,进样量20 μL,紫外检测波长设定为210 nm

1.5   有氧稳定性测定

在青贮结束之后,对各处理组样品进行有氧稳定性的测定。将每袋样品转移至2 L的无菌塑料容器中,充分混合,松散包装。这些容器在室温(25 ℃)下存放,并用双层纱布覆盖防止污染。于有氧暴露后的369 d,分别取出3袋样品,进行微生物计数,并分析有氧暴露0369 d后,NH3-NLA含量和pH值的变化情况。微生物分析采用平板计数法[14],分别测定样品中乳酸菌、霉菌和酵母菌的数量。乳酸菌采用MRS琼脂培养基,置37 ℃条件下厌氧培养72 h。霉菌和酵母菌采用马铃薯葡萄糖琼脂(PDA,含0.1%氯霉素)培养基,置于28 ℃条件下培养3~5 d后对菌落进行平板计数。

1.6   数据统计与分析

试验数据的计算和处理是通过Excel 2022完成的,并以“平均值”的形式表示。采用SPSS 26.0对青贮有机组分、发酵特性和有氧稳定性进行ANOVA方差分析。采用LSD法检验不同处理间均值的差异,并以p<0.05p<0.01p<0.001作为差异显著性的判断标准。

2   结果与分析

2.1   新鲜燕麦的有机组分和微生物数量

青贮前燕麦的有机组分和微生物数量见表1

表 1 青贮前燕麦的有机组分和微生物数量.png

燕麦的WSCCPNDFADF含量分别为41.98 g/kg DM139.31 g/kg DM598.92 g/kg DM384.19 g/kg DM。新鲜燕麦中结构性碳水化合物含量较高,WSC含量较低。燕麦的原生乳酸菌数量较少,为3.28 log CFU/g FW,霉菌和酵母菌数量较高,为6.16 log CFU/g FW

2.2   不同添加剂处理对燕麦青贮有机组分的影响

不同添加剂处理对燕麦青贮有机组分的影响见表2

表 2 不同添加剂处理对燕麦青贮有机组分的影响.png

不同处理对青贮DMCPWSCNDFADFHC含量具有显著性影响(p<0.05)。与CK组相比,乳酸菌和酶处理均显著提高了青贮饲料的DM含量(p<0.05),其中SB处理的青贮饲料DM含量最高;青贮过程还改变了燕麦中CP的含量,与原料相比,LPSBXT处理的青贮饲料中CP含量有所上升,但所有添加剂处理青贮饲料中的CP含量均高于CK组,这说明添加剂处理提高了CP的保存率;青贮过程导致燕麦中WSC含量降低,在30 d的发酵过程中,与CK组相比,添加剂均在不同程度上提高了WSC的含量(p<0.05),其中乳酸菌和酶处理组的WSC含量较高;乳酸菌和酶处理的青贮饲料中NDF的含量显著低于对照组(p<0.05),其中XT的作用效果最为显著,BS也显著降低了NDFADF的含量(p<0.05),与CK组相比,SBBSXTCT均显著降低了青贮中ADF的含量,但PP组的纤维含量与对照组相比并无明显变化(p>0.05);与CK组相比,各处理组均在一定程度上降低了HC的含量,其中XT处理组的HC含量最低。

2.3   不同添加剂处理对燕麦青贮发酵特性的影响

不同添加剂处理对燕麦青贮发酵特性的影响见表3

表 3 不同添加剂处理对燕麦青贮发酵特性的影响.png

不同处理对青贮pH值、有机酸和NH3-N含量具有显著性影响(p<0.001)。在为期30 d的发酵过程中,青贮饲料的pH值显著降低,其中乳酸菌和酶处理的青贮饲料的pH值在所有处理组中最低(p<0.05),且BS也能在一定程度上降低青贮pH值。然而,与其他处理组相比,PP处理组表现出较高的pH值;LA含量与pH值密切相关,总体上,LA含量越高,则pH值相对越低,SB处理组中的LA含量显著高于其他处理组(p<0.05);正如预期的那样,同型发酵乳酸菌(LPSB)产生的AA含量显著低于其他处理组(p<0.05),与CK组相比,CT组中AA含量也有所减少(p<0.05),PP组中AA含量与CK组无显著性差异(p>0.05);SB处理的青贮饲料中PA含量最低,PP组中PA含量最高,其他处理组中PA含量无显著性差异(p>0.05);各组BA含量均保持在较低水平,这说明青贮料在发酵过程中保存完好,且与CK组相比,添加剂处理均显著降低了BA含量(p<0.05);除BSPP组之外,与CK组相比,其他各处理均显著降低了NH3-N的含量(p<0.05)。

2.4   不同添加剂处理对燕麦青贮有氧稳定性的影响

不同添加剂对燕麦青贮有氧暴露期间微生物数量的影响见表4

表 4 不同添加剂对燕麦青贮有氧暴露期间微生物数量的影响.png

不同处理和有氧暴露天数对青贮中乳酸菌数量及霉菌和酵母菌数量具有显著性影响(p<0.001),并且这些变量之间存在显著的交互作用(p<0.001)。在有氧暴露过程中,BSPP组的乳酸菌数量均显著高于CK组(p<0.05)。在有氧暴露第0天和第3天,BS组的霉菌和酵母菌数量最少(p<0.05)。置于有氧暴露第9天时,BSPP组的酵母菌和霉菌数量均显著低于CK组(p<0.05),表明这2种处理均提高了青贮的有氧稳定性。此外,不同处理和有氧暴露天数对青贮pH值、NH3-N含量的影响显著(p<0.001),且两者之间存在显著的交互作用(p<0.001)。

有氧暴露过程中pH值(a)和NH3-Nb)含量的动态变化见图1

图 1 有氧暴露过程中 pH 值 (a) 和 NH3-N (b) 含量的动态变化.png

由图1可知,随着有氧暴露时间延长,各处理组pH值和NH3-N含量逐渐上升,但BSPP处理延缓了这种上升速度。与对照组相比,BSPP显著降低了pH值和NH3-N的含量。

3   讨论

3.1   添加剂对青贮有机组分的影响

在青贮30 d后,观察到各组DM保存情况良好。除BSPP2组外,与对照组相比,各添加剂处理均提高了DM的含量(p<0.05)。这一结果可能归因于乳酸菌和纤维水解酶的添加,这些添加剂通过降低pH值来抑制大多数细菌的生长,从而有助于更好地保存DM[15]。由于植物中酶和微生物的代谢作用,蛋白质降解是发酵过程中一种常见的现象[16]。在研究中,与原料相比,CKBSPPCT组的蛋白质含量均有所下降,然而LPSBXT组中较低的pH值可能有助于抑制梭状芽孢杆菌和曲霉等不良微生物的生长和代谢,进而减少了蛋白质的降解[17]。研究发现,在青贮前后NDFADF的含量变化与XU J等人[18]的报道相似。有研究指出,纤维素酶能够有效降低青贮发酵过程中结构性碳水化合物的含量[19]。该研究中,纤维水解酶对结构性碳水化合物的分解和转化效果优于同型发酵乳酸菌,显著降低了青贮饲料中NDFADFHC的含量(p<0.05)。乳酸菌处理过的青贮饲料所形成的低pH值和高浓度LA环境,可能减少了青贮中结构性碳水化合物的木质化程度,从而提高了青贮的消化率[20]。然而,值得注意的是,BS也降低了NDFADF含量(p<0.05),这可能是因为芽孢杆菌在青贮发酵过程中产生了纤维素酶或α -淀粉酶、阿魏酸酯酶等其他酶类,降解了植物的结构性碳水化合物[21]。牧草中的WSC含量在促进乳酸菌发酵过程中扮演关键角色。青贮过程降低了燕麦中WSC含量,这是由于微生物在发酵过程中消耗底物所致,是一种常见现象。研究中与CK组相比,SBCTXT显著增加了青贮中WSC的含量(p<0.05),CTXT处理的样品中WSC含量的增加主要是由于纤维成分的降解,而SB处理的样品中WSC含量增加可能与同型发酵乳酸菌的发酵方式有关,其形成的低pH值通常会导致青贮环境酸化程度的增加,这可能会有助于保留更多的WSC[22]。  

3.2   添加剂对青贮发酵特性的影响

青贮的pH值是衡量青贮效果和品质的关键指标之一。一般而言,将pH值小于4.2定义为优质青贮饲料的标准。研究中添加乳酸菌和酶显著降低了燕麦青贮的pH值(p<0.05),低pH值有效抑制了不良微生物的生长繁殖。纤维水解酶通过提高可发酵底物的浓度促进乳酸发酵,进而降低青贮饲料的pH[23]。值得注意的是,与LP组相比,SB处理的青贮具有更低的pH值和更高的LA含量及更低的BA含量(p<0.05),这一发现与JESUS F D等人[24]的结果类似。SB是一种同型发酵乳酸菌,其发现于瘤胃当中,生长速度极快,能在20 min翻倍,生长速度超过了青贮过程中常用的其他乳酸菌[2]。因此,SB能在青贮前期迅速繁殖并快速降低青贮的pH值。然而,PA对降低青贮pH值的作用较小,这可能是导致PPpH值较高的原因之一。

NH3-N是蛋白质过度降解的产物,所有处理组中NH3-N/TN的比例均低于10%。除BSPP组之外,其他处理组均显著降低了氨态氮的含量(p< 0.05),这可能是由于乳酸菌抑制了梭菌的生长和分枝杆菌中胰蛋白酶的活性[25]LA是青贮降低环境pH值的重要产物。同型发酵乳酸菌能够利用WSC进行快速发酵,产生大量LA来降低青贮的pH值,这也是LPSB组的LA含量显著高于其他处理组的主要原因。然而,BS对于降低青贮pH值和增加LA含量也有一定的作用,这可能是因为BS可在青贮早期阶段消耗环境中剩余的氧气,创造一个厌氧环境[26],且在发酵过程中BS产生的细菌素也能够抑制一些不良细菌的生长[21],这有利于附着在植物表面产乳酸细菌的增殖。与CK组相比,除PP组外,其他处理组均显著降低了青贮中AA的含量。AA可提高青贮饲料的有氧稳定性,并有效抑制酵母菌和霉菌的繁殖。PP组的PA含量在所有处理组中最高,这是因为PP可将WSC和乳酸发酵成为乙酸和丙酸,这2种物质能够抑制青贮饲料中酵母菌和霉菌的生长,从而提高了青贮饲料的有氧稳定性。BA被认为是青贮中的不良产物,因为其生产通常会导致大量的能量损失。与CK组相比,各处理均显著降低了BA含量。由于丁酸一般由梭菌产生[27],因此其浓度的降低可能与梭菌的生长受到抑制有关。

3.3   添加剂对青贮有氧稳定性的影响

在青贮饲料与氧气充分接触的情况下,微生物通过代谢WSC和酸等物质产生水分和二氧化碳。这个过程会导致温度和pH值的升高,并增加养分的损失。研究中,将pH值从初始值上升0.5及温度超过环境温度2 ℃以上作为评估有氧稳定性的标准[28]BSPP处理组延缓了pH值和NH3-N的上升速度。基于上述标准,这2种处理均提高了青贮饲料的有氧稳定性。根据WILKINSON J M等人[29]的研究,酵母菌是导致青贮饲料有氧腐败的主要微生物类群。TODOROVA S等人[30]发现,从土壤中分离出的BS菌株能够产生具有抗真菌和抗细菌活性的代谢产物,而PP能将乳酸发酵成乙酸和丙酸,这2种酸类物质均能有效抑制真菌生长。

4   结论

综上所述,不同添加剂对燕麦青贮的品质和有氧稳定性均发挥了作用。结果表明,乳酸菌添加剂在降低青贮pH值、NH3-N含量,以及提高LA含量方面效果显著,其中SB作为一种新型乳酸菌添加剂,其独特的生长特性使其作用效果相比于一般的乳酸菌更为突出,具有应用前景。纤维分解酶促进了结构性碳水化合物的分解和转化,提高了WSC的含量。BSPP降低了酵母菌和霉菌的数量,延缓了pH值和NH3-N含量的上升,提高了有氧稳定性。


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编辑:张兴宇

审核:关   颖