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      影響發(fā)酵飼料品質(zhì)因素的綜述

      2017-03-24 15:11:32成啟明賈玉山
      草原與草業(yè) 2017年4期
      關(guān)鍵詞:青貯窖發(fā)酵飼料醋酸

      成啟明,賈玉山*

      (1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部飼草栽培、加工與高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

      1 發(fā)酵原理

      青貯飼料的概念就是將收獲的原料利用一定的方法進(jìn)行晾曬,使其達(dá)到規(guī)定的含水量后置入預(yù)先清理的青貯窖,密封,使其在厭氧環(huán)境下進(jìn)行發(fā)酵。在厭氧發(fā)酵過(guò)程中,乳酸菌使發(fā)酵原料添加物中的WSC轉(zhuǎn)化為不同種類的有機(jī)酸(其中有機(jī)酸的種類主要為乳酸發(fā)酵)。乳酸發(fā)酵的結(jié)果就是使得青貯窖內(nèi)部的pH值降低下降,其pH值的范圍大約為3.8到4.2之間,較低的pH可有效阻礙有害微生物的大量繁殖,從而保證這種環(huán)境能較好的貯藏飼料原有的營(yíng)養(yǎng)成分,使其變成一種可以長(zhǎng)期進(jìn)行保存的發(fā)酵飼料〔1,2〕。通過(guò)發(fā)酵所獲得的飼料可以最大程度將原料原有的青綠汁液和營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)行有效保存,并且,發(fā)酵后的飼料味道極佳,在嗅覺上,發(fā)酵飼料聞起來(lái)有種芬芳的味道,在觸覺上,發(fā)酵后的飼料摸起來(lái)較柔軟,因?yàn)檫@些優(yōu)勢(shì),導(dǎo)致家畜較喜食,對(duì)發(fā)酵飼料的消化能力顯著增加,從而能最大程度的提高家畜的采食能力和適口性。將發(fā)酵獲得的飼料和干草飼料的營(yíng)養(yǎng)成分對(duì)比分析可知,前者的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的收益率要顯著高于后者,因此,發(fā)酵飼料在反芻動(dòng)物進(jìn)行越冬時(shí)發(fā)揮顯著優(yōu)勢(shì),成為反芻動(dòng)物在越冬過(guò)程中的重要青綠飼料〔3〕。

      就發(fā)酵飼料來(lái)說(shuō),發(fā)酵過(guò)程中最重要的因素為是否具有能夠最大限度地促進(jìn)乳酸菌充分發(fā)酵的厭氧環(huán)境,因此可知,利用一定的原料制作發(fā)酵效果較好的優(yōu)質(zhì)發(fā)酵飼料的條件主要由以下幾個(gè)因素構(gòu)成:

      1)含糖量:一般而言,較優(yōu)質(zhì)的發(fā)酵飼料中可溶性糖的含量較高,并且可溶性糖的最低含量一般為鮮樣重量的百分之三。發(fā)酵飼料中可溶性糖對(duì)乳酸菌的發(fā)酵具有促進(jìn)作用,可溶性糖的含量越高,乳酸菌的繁殖速度會(huì)增加,從而促進(jìn)乳酸菌大量繁殖而產(chǎn)生含量較高的乳酸。乳酸有效抑制有害微生物的生長(zhǎng),從而保證發(fā)酵環(huán)境。

      2)含水量:影響發(fā)酵飼料的發(fā)酵品質(zhì)的另外一個(gè)影響因素即為原料的含水量,一般而言,進(jìn)行發(fā)酵的秸稈原料最佳的原料含水量在65%到75%之間。

      3)溫度:有效促進(jìn)乳酸菌進(jìn)行繁殖的主要因素為青貯窖內(nèi)部的溫度,一般而言,乳酸菌最佳的生存溫度為19℃到37℃之間,但是其溫度的上限不能高于人體體溫,即37℃。

      4)厭氧環(huán)境:保證乳酸菌進(jìn)行發(fā)酵的最重要因素是厭氧環(huán)境,在此過(guò)程中,必須將青貯窖內(nèi)部的全部空氣排除,厭氧環(huán)境的成功是確保發(fā)酵能夠完成的最基本也是最重要的影響因素之一〔4〕。

      2 發(fā)酵進(jìn)程

      發(fā)酵飼料的厭氧發(fā)酵的重要階段主要有四個(gè):

      好氧階段(第1階段):好氧階段的發(fā)生時(shí)間較早,將獲取的發(fā)酵原料烘干粉碎后置于密封性較好的青貯窖內(nèi),好氧階段即開始了。在將收獲的發(fā)酵原料填制到青貯窖后,原料中的各種植物就會(huì)產(chǎn)生呼吸作用,從而將青貯窖內(nèi)部的氧氣逐漸消耗掉。此時(shí),在青貯窖內(nèi),原來(lái)的主導(dǎo)細(xì)菌為好養(yǎng)性細(xì)菌,由于氧氣被逐漸消耗,從而導(dǎo)致大量好養(yǎng)性細(xì)菌的死亡,隨之會(huì)產(chǎn)生大量的兼性厭氧型細(xì)菌。好氧階段進(jìn)行程度取決于青貯窖內(nèi)部剩余氧氣的含量,但是一般而言,有氧階段最長(zhǎng)不會(huì)超過(guò)24小時(shí)。

      發(fā)酵階段(第2階段):隨著時(shí)間的延長(zhǎng),青貯窖內(nèi)部產(chǎn)生大量的好氣性細(xì)菌和霉菌,兩者相互作用會(huì)產(chǎn)生醋酸。隨著醋酸含量的不斷增加,青貯窖內(nèi)部酸的濃度也會(huì)逐漸升高,從而保證創(chuàng)造一個(gè)能夠促進(jìn)醋酸菌較好的繁殖生長(zhǎng)的內(nèi)部環(huán)境。發(fā)酵階段的開始時(shí)間取決于青貯窖內(nèi)部是否還有殘存的氧氣,但是一般而言,發(fā)酵階段的持續(xù)時(shí)間在幾天到幾周之間〔5〕。

      穩(wěn)定階段(第3階段):對(duì)穩(wěn)定階段而言,此階段就是乳酸菌逐步進(jìn)行繁殖的階段。隨著時(shí)間的延長(zhǎng),此時(shí)的發(fā)酵原料被緊緊的擠壓,已經(jīng)達(dá)到壓實(shí)的地步。通過(guò)壓實(shí)處理可以將內(nèi)部的空氣最大程度的排盡,在此階段,青貯窖內(nèi)部的主氧氣已經(jīng)逐步被二氧化碳取代,這樣會(huì)有效抑制好氣性細(xì)菌在青貯窖內(nèi)部的生長(zhǎng),導(dǎo)致其活動(dòng)能力逐漸減弱,通過(guò)與厭氧性乳酸菌結(jié)合而發(fā)生糖酵解反應(yīng),從而產(chǎn)生乳酸。一般而言,能夠產(chǎn)生穩(wěn)定階段的概率是較小的,因?yàn)榉€(wěn)定階段對(duì)絕對(duì)的厭氧環(huán)境要求較高,在此階段不能進(jìn)入空氣。在生產(chǎn)實(shí)踐上,一般將經(jīng)過(guò)發(fā)酵階段的發(fā)酵飼料直接開窖進(jìn)行使用,不涉及第三階段。

      飼喂階段或者好氧腐敗階段(第4階段):飼喂階段或者好氧腐敗階段與接觸空氣具有直接關(guān)系,一旦將發(fā)酵后的飼草與空氣進(jìn)行接觸,飼喂階段或者好氧腐敗階段會(huì)立即開始。一般而言,飼喂階段或者好氧腐敗階段主要分為兩個(gè)階段,第一個(gè)階段為腐敗的開端,由于酵母菌和醋酸菌得到結(jié)合,使其有機(jī)酸發(fā)生降解,從而會(huì)逐漸提高pH值;隨著發(fā)酵飼料表面溫度的逐漸升高,腐敗的第二個(gè)階段就會(huì)開始,類似于霉菌和大腸桿菌等破壞性細(xì)菌群落的作用逐漸顯著顯現(xiàn),這樣會(huì)將污染區(qū)1.5%~4.5%DM受到損害。

      3 影響發(fā)酵的因素

      通過(guò)對(duì)發(fā)酵飼料制作過(guò)程中主要內(nèi)部的發(fā)酵機(jī)理了解可知,能否制作優(yōu)質(zhì)的發(fā)酵飼料的關(guān)鍵性因素是能否創(chuàng)作一定的厭氧環(huán)境,使得乳酸菌可以在適宜的厭氧環(huán)境中進(jìn)行快速的生長(zhǎng)和繁殖,從而最大程度的降低青綠原料在刈割收獲、調(diào)制、貯存等過(guò)程中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗。通過(guò)查詢國(guó)內(nèi)外相關(guān)的文獻(xiàn)可知,調(diào)制優(yōu)質(zhì)的發(fā)酵飼料的影響因素主要為:發(fā)酵原料的含水量、可溶性糖含量、飼草刈割的時(shí)間、青貯窖的密封性、青貯窖內(nèi)部溫度、厭氧環(huán)境及添加劑的施加均勻度,一旦能夠?qū)⑸鲜鰲l件嚴(yán)格進(jìn)行把控,加之標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制方法,一定會(huì)調(diào)制出優(yōu)質(zhì)的發(fā)酵飼料。

      3.1 加工方式

      在實(shí)際生產(chǎn)中,一般在乳熟期將玉米進(jìn)行收獲。影響發(fā)酵原料質(zhì)量的主要因素是最佳的切割長(zhǎng)度和留茬高度,這對(duì)于提高發(fā)酵的質(zhì)量具有重要作用。通常而言,玉米秸稈的最佳留茬高度是10cm到20cm之間,留茬高度太高對(duì)發(fā)酵飼料的產(chǎn)量是不利的,會(huì)嚴(yán)重降低發(fā)酵飼料的產(chǎn)量〔6〕,玉米秸稈的最佳切短長(zhǎng)度為0.5cm到1cm,。有研究報(bào)道,發(fā)酵原料在前期制作時(shí)不是越短越好,需要保持一定的長(zhǎng)度〔7〕。

      3.2 品種

      發(fā)酵飼料的營(yíng)養(yǎng)成分會(huì)隨著不同玉米品種的不同而不同,并且不同部位的營(yíng)養(yǎng)成分也有所變化,例如,玉米植株和籽粒中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量也會(huì)有差異,這些因素對(duì)發(fā)酵飼料的品質(zhì)均具有一定的影響。張春愿等(2008)〔8〕通過(guò)將中國(guó)北方主要的玉米主產(chǎn)區(qū)的發(fā)酵玉米飼料品質(zhì)比較分析可知,不同玉米主產(chǎn)區(qū)的青貯玉米品質(zhì)在粗纖維和可溶性糖等方面差異性較顯著。

      3.3 原料含水量

      為了保證乳酸菌能夠正常繁殖而產(chǎn)生乳酸,因此要控制原料的含水量,因?yàn)檫m宜的水分是促進(jìn)乳酸菌正常生長(zhǎng)和繁殖的必要條件。通過(guò)利用豆科類的飼草進(jìn)行發(fā)酵,最好將原料含水量控制在60%到70%之間,對(duì)于禾本科飼草而言,通過(guò)利用禾本科飼草進(jìn)行發(fā)酵,最好將原料含水量控制在75%到85%之間。通過(guò)試驗(yàn)可知,發(fā)酵飼料表面附著的細(xì)菌數(shù)量和乳酸菌的發(fā)酵速率的主要影響因素是發(fā)酵原料水分含量,一般而言,發(fā)酵飼料要求原料含水量在65%到75%之間。通過(guò)有關(guān)研究發(fā)現(xiàn),在利用苜蓿原料進(jìn)行發(fā)酵時(shí)候,若將原料含水量控制在中等水平,可有效地使飼料中的可溶性糖轉(zhuǎn)化為乳酸。假如發(fā)酵原料的含水量未達(dá)到規(guī)定的含水量,發(fā)酵原料將不會(huì)被緊緊地壓實(shí),這樣會(huì)將多余的氧氣留存在青貯窖內(nèi),會(huì)有效的促進(jìn)有害微生物的肆意生長(zhǎng)和繁殖,從而使得青貯窖內(nèi)部溫度迅速升高,促進(jìn)丁酸有害微生物的肆意生長(zhǎng)和繁殖,從而使發(fā)酵飼料的品質(zhì)大打折扣。假如發(fā)酵原料的含水量超過(guò)規(guī)定的含水量,隨著滲出液流失,發(fā)酵飼料中的可溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)也會(huì)隨之流失,從而嚴(yán)重的貶低優(yōu)質(zhì)發(fā)酵飼料的質(zhì)量〔9,10〕。

      3.4 原料中含糖量

      影響調(diào)制優(yōu)質(zhì)發(fā)酵飼料重要因素是發(fā)酵原料中所富含的可溶性糖含量,這對(duì)發(fā)酵質(zhì)量起著絕對(duì)性作用。發(fā)酵原料所富含的含糖量越高,越容易調(diào)制出優(yōu)質(zhì)的發(fā)酵飼料。對(duì)于含糖量越高的發(fā)酵原料,發(fā)酵原料在厭氧發(fā)酵過(guò)程中為微生物提供的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)越多,這對(duì)調(diào)制優(yōu)質(zhì)發(fā)酵飼料具有較好的促進(jìn)作用。對(duì)于禾本科牧草而言,其可溶性糖的含量處在中等水平,對(duì)于豆科原料而言,其可溶性糖的含量處在較低的水平,不容易調(diào)制出優(yōu)質(zhì)的發(fā)酵飼料。發(fā)酵原料的可溶性糖含量的主要影響因素是發(fā)酵飼料的種類、生長(zhǎng)期、收獲期及田間管理措施。植物收獲后如果長(zhǎng)時(shí)間貯藏,將導(dǎo)致含糖量降低〔11〕。

      3.5 原料的緩沖能力

      影響發(fā)酵飼料品質(zhì)的另一個(gè)影響因素是發(fā)酵原料的緩沖能力(抗pH值),原料的緩沖度的定義是為了使每100g干物質(zhì)中的堿性元素得到中和,從而使其pH值降低到4.2以下時(shí)所需要的乳酸克數(shù)。原料的緩沖能力的影響因素為發(fā)酵原料的含水量、粗蛋白質(zhì)和可溶性堿性礦物質(zhì),如果這三種物質(zhì)的數(shù)值越高,則發(fā)酵原料抵抗pH值下降的緩沖能力就越高〔12〕。

      3.6 發(fā)酵過(guò)程中微生物及其作用

      隨著微生物活動(dòng)發(fā)變化,發(fā)酵的過(guò)程也隨之發(fā)生變化。根據(jù)發(fā)酵過(guò)程中的微生物的活動(dòng)對(duì)發(fā)酵飼料品質(zhì)的影響,可以將發(fā)酵過(guò)程中的微生物分為兩大類群,首先是對(duì)發(fā)酵能產(chǎn)生有益作用的微生物群,其微生物群的主要成分是乳酸菌;另一類是對(duì)發(fā)酵產(chǎn)生不利影響的微生物類群,其微生物群的主要成分是霉菌和細(xì)菌等有害微生物〔13〕。

      3.6.1 乳酸菌

      在發(fā)酵過(guò)程中起主要作用的微生物為乳酸菌,乳酸菌是微需氧類型的微生物,它的菌類型為格蘭仕陽(yáng)性菌,這種類型的微生物內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有芽孢,因此這種微生物不具有游動(dòng)性〔14〕。能夠保證乳酸菌微生物正常生存營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)為碳水化合物、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)和維生素等,這種微生物常用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)為單糖,其中以葡萄糖為主。乳酸菌發(fā)酵的產(chǎn)物為乳酸,產(chǎn)生的半纖維素、纖維素的含量較小〔15〕。其根據(jù)發(fā)酵糖產(chǎn)生乳酸的能力及終產(chǎn)物的不同,可將乳酸菌分為兩類:一類是同型發(fā)酵乳酸菌,即通過(guò)對(duì)原料中的碳水化合物加以利用而發(fā)酵形成乳酸;另一種是異型發(fā)酵乳酸菌,通過(guò)對(duì)原料中的碳水化合物加以利用,發(fā)酵成乳酸的同時(shí),生成乙酸、乙醇等〔16〕。在發(fā)酵過(guò)程中,乳酸菌的作用是根據(jù)特定的目標(biāo),將發(fā)酵飼料內(nèi)的微生物群系加以調(diào)整,對(duì)發(fā)酵過(guò)程加以調(diào)控,并產(chǎn)生大量的乳酸,從而使內(nèi)部pH值下降,抑制有害微生物的生長(zhǎng),促進(jìn)多糖的轉(zhuǎn)化,從而高效將發(fā)酵飼料的品質(zhì)進(jìn)行提高,提高研究而知,為了提高發(fā)酵飼料的品質(zhì),添加乳酸菌添加劑不失為一個(gè)好辦法。

      3.6.2 酵母菌

      一般而言,酵母菌個(gè)體的存在形式以單細(xì)胞狀態(tài)為主。酵母菌是真核微生物,大部分酵母菌的繁殖方式是出芽繁殖(有的裂殖),通過(guò)這種繁殖方式會(huì)通過(guò)將糖類物質(zhì)進(jìn)行發(fā)酵,從而產(chǎn)生能量。酵母菌的細(xì)胞壁中附著較多的甘露聚糖,甘露聚糖的最佳生存環(huán)境是在含糖量較高、酸度較大的環(huán)境。從目前探究可知,乳酸菌共計(jì)100多個(gè)屬,高達(dá)700多種。發(fā)酵原料處在發(fā)酵有氧發(fā)酵階段時(shí),酵母菌會(huì)通過(guò)可溶性碳水化合物和乳酸的作用而生成二氧化碳等物質(zhì),這對(duì)發(fā)酵飼料的品質(zhì)具有一定的降低的作用,隨著發(fā)酵過(guò)程的進(jìn)行,環(huán)境中空氣的減少,酵母菌的活動(dòng)受到抑制,但有些酵母菌因其獨(dú)特的生理生化特性,在較低的pH(<2)下依然可以存活〔17〕。

      在發(fā)酵原料中酵母菌的種類主要為隱球酵母菌(Cryptoccoccus)和紅酵母菌屬(Rhodotorula)的無(wú)芽孢酵母菌,而通過(guò)發(fā)酵設(shè)備對(duì)發(fā)酵原理進(jìn)行貯藏之后,上述的酵母菌數(shù)量會(huì)降低,待發(fā)酵完成后,酵母菌的主要類型以酵母菌屬(Saccharomyces)和漢遜酵母菌屬(Hansenula)的有芽孢酵母菌為主。

      3.6.3 梭菌

      梭狀芽胞桿菌的別名是酪酸菌,簡(jiǎn)稱梭菌,這種細(xì)菌的主要功能是腐敗發(fā)酵飼料,梭菌的數(shù)量是能否獲得優(yōu)質(zhì)發(fā)酵飼料的重要評(píng)判依據(jù)。在發(fā)酵飼料中所含有的梭菌數(shù)量越多,證明所獲得的發(fā)酵飼料的品質(zhì)越不好。在發(fā)酵的最開始,梭菌和乳酸菌呈競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng),梭菌的最適pH是7.0到7.4之間,37℃是梭菌生長(zhǎng)和繁殖的最適溫度〔15〕。促進(jìn)梭菌生長(zhǎng)的重要因素是水分,隨著發(fā)酵時(shí)間的不斷進(jìn)行,當(dāng)發(fā)酵原料的含水量低于70%時(shí),梭菌的生長(zhǎng)會(huì)受到抑制。

      3.6.4 醋酸菌

      醋酸菌是一種專性好氧性微生物,迄今為止,從發(fā)酵飼料分離出來(lái)的所有醋酸菌都屬于醋酸桿菌屬,醋酸桿菌屬的活動(dòng)對(duì)發(fā)酵飼料是具有破壞作用的,因?yàn)榇姿峋梢匝趸樗岷痛姿幔啥趸己退?,從而引起發(fā)酵飼料因耗氧而產(chǎn)生腐爛變質(zhì)。一般而言,酵母菌是導(dǎo)致發(fā)酵飼料腐爛變質(zhì)的主要影響因素,而醋酸菌對(duì)腐爛變質(zhì)的作用很小,有時(shí)甚至不存在影響〔18〕,但是,部分報(bào)道通過(guò)對(duì)全株玉米研究可知,醋酸菌的單獨(dú)作用是導(dǎo)致玉米腐爛變質(zhì)的主要因素。

      3.6.5 腐敗細(xì)菌

      導(dǎo)致發(fā)酵飼料腐敗變質(zhì)的細(xì)菌有很多種類,主要的種類是大腸桿菌和芽孢桿菌,這些細(xì)菌的主要作用是將發(fā)酵飼料中的蛋白質(zhì)和氨基酸進(jìn)行分解,其中芽孢桿菌屬于細(xì)菌,對(duì)于發(fā)酵飼料的好氣性變質(zhì)具有重要作用,芽孢桿菌會(huì)加速腐爛變質(zhì)的速度,產(chǎn)生臭味和苦味72〔19〕。除此以外,發(fā)酵飼料在發(fā)生發(fā)酵變質(zhì)時(shí),影響牛奶品質(zhì)和動(dòng)物健康的因素為李斯特菌產(chǎn)生的霉菌。

      3.6.6 霉菌

      霉菌是一類嚴(yán)格的好氧性微生物,它通常存在于發(fā)酵飼料易接觸空氣的地方,例如邊緣及表面等地方。在發(fā)酵飼料發(fā)酵過(guò)程中,霉菌是主要的有害微生物,其也是導(dǎo)致發(fā)酵飼料好氣性發(fā)生變質(zhì)的主要微生物,因?yàn)槊咕菀追纸庑纬商欠趾腿樗?,一部分?huì)產(chǎn)生霉菌毒素〔20,21〕。隨著發(fā)酵進(jìn)程的不斷進(jìn)行,發(fā)酵設(shè)備在所殘留的氧氣會(huì)被逐漸耗盡,從而有效的抑制霉菌的生長(zhǎng)。如果在發(fā)酵過(guò)程中有較多的氧氣留在發(fā)酵設(shè)備中,這種環(huán)境會(huì)促進(jìn)霉菌的瘋狂生長(zhǎng)和繁殖,從而使發(fā)酵飼料發(fā)生變敗。發(fā)酵飼料發(fā)酵完成后,取用時(shí),發(fā)酵的環(huán)境由無(wú)氧狀態(tài)變?yōu)橛醒鯛顟B(tài),酵母菌及霉菌等微生物活動(dòng)增強(qiáng),造成發(fā)酵飼料有氧腐敗〔6〕。

      4 總結(jié)

      青貯技術(shù)作為目前畜牧生產(chǎn)中的一項(xiàng)常規(guī)技術(shù),既有其簡(jiǎn)單可行的一面,同時(shí)也具有一定的技術(shù)復(fù)雜性。因此,應(yīng)注意青貯發(fā)酵飼料的調(diào)制加工工藝,充分考慮影響其發(fā)酵品質(zhì)的因素,揚(yáng)長(zhǎng)避短才能獲得優(yōu)良品質(zhì)的發(fā)酵飼料。

      〔1〕Paul Chandler, 于旭華. 影響青貯玉米營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的因素及其評(píng)價(jià)方法〔J〕. 國(guó)外畜牧科技, 2001, (04): 25~26.

      〔2〕馮景貴,樊磊,王曉禹,等.青貯飼料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值變化及其影響因素〔J〕.中國(guó)畜禽種業(yè),2009,5(9):74~75.

      〔3〕顧錫慧.青貯添加劑的構(gòu)筑和應(yīng)用〔碩士〕.遼寧石油化工大學(xué),2005.

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