玉米浆与乳酸菌协同发酵对玉米秸秆营养成分、瘤胃发酵特性及体外降解率的影响

Synergistic effects of added maize steep liquor and lactic acid bacteria during fermentation on the nutritional value， rumen fermentation characteristics， and in vitro degradability of maize stover

摘要

本试验旨在探究玉米浆与乳酸菌协同发酵对玉米秸秆营养成分、发酵品质、瘤胃发酵参数及体外降解率的影响。试验以玉米秸秆作为研究对象，设置对照组（CON，不做任何处理）、乳酸菌组（CL，添加乳酸菌1.0×10¹¹ CFU·g^-1）、玉米浆组（CC，添加5%玉米浆）和玉米浆与乳酸菌协同发酵组（CCL，添加5%玉米浆和乳酸菌），水分含量调整为65%，每组设立4个重复，厌氧发酵56 d后对其营养成分、体外瘤胃发酵特性、体外消化率进行分析。结果表明：1）各处理组粗蛋白含量显著高于CON组（P<0.001）；各处理组乙酸含量显著高于CON组（P<0.001），CL和CCL组的pH显著低于CON组（P<0.05）。2）各处理组体外发酵产生的氨态氮浓度显著高于CON组（P<0.05），CCL组体外发酵产生的乙酸和总挥发性脂肪酸浓度显著高于CON组（P<0.05）。3）各处理组的体外干物质降解率显著高于CON组（P<0.001），CC和CCL组的体外粗蛋白降解率显著高于CON组（P<0.05）。综上所述，玉米浆与乳酸菌协同发酵有助于提高玉米秸秆的营养价值，改善玉米秸秆的发酵品质，提高营养物质的降解率。

Abstract

This experiment aimed to investigate the synergistic effects of added maize steep liquor and lactic acid bacteria during fermentation on the nutritional composition， rumen fermentation characteristics， and in vitro degradability of maize stover. Maize stover was prepared with four different pretreatments based on dry matter： no pretreatment for the control treatment （CON）； 1.0×10¹¹ CFU·g^-1 lactic acid bacteria pretreatment for the CL treatment （CL）； 5% maize steep liquor pretreatment for the CC group （CC）； and a 5% CC+ lactic acid bacteria treatment （CCL）. Distilled water was added to the maize stover to adjust the moisture content to 65%， and each group had four replicates. The nutritional composition， in vitro rumen fermentation characteristics， and in vitro digestibility of the maize stover were analyzed after 56 days of anaerobic fermentation. Results showed that： 1） The crude protein and acetic acid contents in the CL， CC and CCL groups were significantly higher than in the CON group （P<0.001）， and the pH values in the CL and CCL groups were significantly lower than that in the CON group （P<0.05）. 2） Compared with the CON group， the in vitro fermentation ammonia nitrogen concentration in the CL， CC and CCL groups was significantly increased （P<0.05）， the acetic acid and the total volatile fatty acid concentration in the CCL group was significantly increased （P<0.05）. 3） Compared with the CON group， the in vitro dry matter degradability in the CL， CC and CCL groups were significantly higher than that in the CON group （P<0.001）， and the in vitro crude protein degradability in the CC and CCL groups were significantly higher than in the CON group （P<0.05）. In conclusion， the addition of synergistic fermentation of maize steep liquor and lactic acid bacteria enhanced the nutritional value of maize stover， improved its fermentation quality， and increased the degradability of nutrients.

关键词

玉米秸秆 / 玉米浆 / 营养成分 / 体外降解率

Key words

corn stover / corn steep liquor / nutritional composition / in vitro degradability

农作物秸秆是畜牧业发展过程中不可或缺的生物资源。据统计，我国农作物秸秆年产量约为7亿t，其中玉米（Zea mays）秸秆产量最多，约为3.01亿t^［1］，是潜在的反刍动物粗饲料资源。然而，当前大部分农作物秸秆主要采用还田或焚烧的方式处理，这不仅造成了生物质资源的浪费，同时也对环境造成了污染，增加了环保压力^［2］。目前，我国秸秆饲料利用率较低，约18%^［3］，而国外秸秆饲料化利用率高达80%^［4］。因此，急需提高秸秆的饲料化利用率，缓解“人畜争粮”的现象。然而秸秆饲料化利用率低的主要问题是粗纤维含量高、粗蛋白含量低，导致适口性差、营养物质降解率低^［5］。因此，有必要通过恰当的预处理方式来提升秸秆的营养成分。

目前玉米秸秆的预处理方式主要包括物理法、化学法以及微生物法^［6］。其中经过物理法处理的玉米秸秆化学成分基本不发生变化，只是在一定程度上改变了适口性^［7］。化学法是一种通过化学试剂处理玉米秸秆的方式，但往往成本较高，生产推广应用比较困难，还有可能导致秸秆饲料pH过高或过低，进而影响瘤胃内环境^［8］。而微生物预处理方式综合了物理处理法和化学处理法的优点，不仅可以提高饲料营养价值，还能提高饲料适口性，是目前应用最广泛的预处理技术^［9］。

乳酸菌是一种常用的微生物发酵饲料添加剂，在改善饲料发酵品质、营养成分、提高饲料降解率等方面发挥了重要作用^［10］。部分乳酸菌还具备产纤维素酶的能力，它们在发酵的同时分泌纤维素酶，作用于秸秆等纤维素丰富的材料，使之变得更为蓬松，易于动物消化^［11］。然而，直接利用乳酸菌发酵玉米秸秆时，由于玉米秸秆可溶性碳水化合物含量低，无法满足乳酸菌生长繁殖，因此玉米秸秆的发酵效果不太理想^［9］。为了解决这一问题，可以采用外源性添加糖蜜或者玉米浆等提高乳酸菌的生长和繁殖，进而改善发酵品质^［11］。玉米浆是玉米深加工过程中的副产物，含有丰富的蛋白质、糖类、维生素和矿物质等营养成分^［12］，可以为乳酸菌提供丰富的营养源，从而提高饲料的营养品质。然而，目前关于玉米浆与乳酸菌协同发酵在秸秆预处理方面的应用尚缺乏基础数据。因此，本试验旨在探究玉米浆与乳酸菌协同发酵对玉米秸秆营养品质的改善作用，并通过这一创新方法可能为提高秸秆的饲料价值开辟新的途径，实现畜牧养殖中“节本增效”的目的。

1 材料与方法

1.1 试验材料

玉米秸秆从黑龙江省大庆市周边郊区收集，取样时间为2024年4月。乳酸菌由和美科盛生物技术有限公司提供，其活菌数>1×10¹¹ CFU·g^-1。主要由植物乳杆菌（1×10¹¹ CFU·g^-1）及布氏乳杆菌（5×10¹⁰ CFU·g^-1）组成，每1000 kg发酵饲料添加乳酸菌至1×10¹¹ CFU·g^-1。玉米浆由黑龙江骏华生物科技有限公司提供，营养成分如表1所示。

1.2 试验设计

试验以玉米秸秆为研究对象，采用随机方式分成4个组别：对照组（CON，未做处理的玉米秸秆组），乳酸菌组（CL），玉米浆组（CC），玉米浆与乳酸菌协同发酵组（CCL：同时添加乳酸菌和玉米浆组），乳酸菌：1×10¹¹ CFU·g^-1，玉米浆：玉米秸秆干物质重量的5%，每组设立4个重复，将玉米秸秆切碎至1~2 cm的小段后，调整水分含量至65%，将样品装入35 cm×25 cm的呼吸发酵袋，每袋玉米秸秆重量均为1 kg。随后将呼吸发酵袋抽至真空状态，在室温［（25±5） ℃］下密封保存，发酵56 d后，对其营养成分、发酵品质、体外瘤胃发酵特性、体外消化率进行分析。

1.3 样品常规养分检测

取发酵后不同处理的样品，参照《饲料分析及饲料质量检测技术》^［13］采用65 ℃烘干48 h，粉碎至0.425 mm进行营养物质分析。参考GB/T 6435-2014^［14］测定干物质（DM）含量；参考GB/T 6432-2018^［15］测定粗蛋白（CP）含量，利用凯氏定氮仪（KDN-04A型，北京海鑫瑞科技有限公司）测定；参考GB/T 6438-2007^［15-16］测定粗灰分（Ash）含量。参照Van Soest等^［17］的方法测定中性洗涤纤维（NDF）和酸性洗涤纤维（ADF）含量。

1.4 样品发酵品质检测

称取20 g样品，加入180 mL蒸馏水，低温浸提4 h后用双层纱布过滤，然后用雷磁pHS-3C 型pH计（上海仪天科学仪器有限公司）测定样品pH。采用日本岛津GC-2030气相色谱仪测定乙酸浓度^［18］。

1.5 体外产气试验

1.5.1 试验动物饲养管理

试验动物的处理和护理均遵循宁夏大学科技伦理委员会的规定进行（批准文号：NXU-2024-145）。

选取3头健康，体重、胎次相近的中国荷斯坦奶牛为瘤胃液供体动物。晨饲前，使用瘤胃液采集管伸入试验动物的口腔中，沿着舌头将采集管送至咽喉部位并经过食道，当采集管的另一端能明显闻到瘤胃液的气味且试验动物的呼吸顺畅说明采集管已抵达瘤胃腹囊，采集瘤胃液。基础日粮组成及营养成分见表2。

1.5.2 瘤胃发酵培养液制备

收集足够的新鲜瘤胃液，将其使用4层纱布过滤后，装入已经预热且充有二氧化氮（NO₂）的保温瓶内带回试验室，用于配制后续混合液。人工瘤胃液按照Menke等^［20］方法配制，放入39.0 ℃水浴锅中持续通入二氧化碳（CO₂），使溶液褪至完全无色后备用。瘤胃液与人工瘤胃液按1∶2的配比混匀后，配成瘤胃发酵培养液。

1.5.3 瘤胃体外发酵试验

准确称量9 g上述发酵后的玉米秸秆样品装入发酵袋（1000 mL，中国杭州安思科技有限公司）中^［21］。使用注射器抽取300 mL瘤胃发酵培养液注入发酵袋，空白袋仅加入瘤胃发酵培养液，排气后于39.0 ℃恒温水浴振荡锅中连续培养72 h，摇床频率为85 r·min^-1［22］。

1.5.4 瘤胃发酵参数测定及方法

培养液发酵结束后，置于4 ℃环境终止发酵液微生物活动再进行测定。采用S220-K型酸度计（梅特勒托利多公司）测定pH。氨态氮（NH₃-N）浓度测定采用苯酚-次氯酸钠比色法^［23］。微生物蛋白（MCP）浓度采用考马斯亮蓝法^［24-25］测定，乙酸、丙酸、丁酸和总挥发性脂肪酸（TVFA）浓度采用日本岛津GC-2030气相色谱仪测定^［26］。

1.5.5 体外消化率的测定

将发酵72 h的样品取出后离心，将剩余底物装入孔径为48 μm、尺寸为8 cm×16 cm尼龙过滤袋，取出样品后，用冷水缓慢冲洗直至冲洗液澄清。尼龙袋洗净后，置于65 ℃干燥箱中烘干48 h，待其在室温下回潮24 h，再将每个尼龙袋单独装入自封袋中留存，以备后续检测使用。体外干物质降解率（IVDMD）、体外粗蛋白质降解率（IVCPD）、体外中性洗涤纤维降解率（IVNDFD）、体外酸性洗涤纤维降解率（IVNDFD）的计算公式如下：

某营养物质降解率（%）=（样品该营养物质含量-未消化该营养物质含量）/样品该营养物质含量×100

1.6 数据统计与分析

试验数据使用Excel 2016初步整理后，采用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析（one-way ANOVA），差异显著的指标采用Duncan’s法进行多重比较检验。试验结果用平均值±标准差表示，P<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 玉米浆与乳酸菌协同发酵对玉米秸秆营养成分的影响

如表3所示，与对照组相比，各处理组的粗蛋白质含量显著提高（P<0.001）。与对照组相比，CCL组Ash含量显著下降（P<0.05），DM和NDF含量在各组之间无显著差异（P>0.05）。

2.2 玉米浆与乳酸菌协同发酵对玉米秸秆发酵品质的影响

如表4所示，CCL组乙酸浓度显著高于其余各组（P<0.001），pH显著低于对照组（P<0.05）。

2.3 玉米浆与乳酸菌协同发酵对玉米秸秆体外瘤胃发酵参数的影响

如表5所示，各处理组发酵液中NH₃-N的浓度均显著高于对照组（P<0.05），其中CCL组最高；CCL组乙酸浓度显著高于其余各组（P<0.05）；CL组丙酸、丁酸、总挥发性脂肪酸（TVFA）浓度显著低于对照组（P<0.05）；CCL组的TVFA浓度显著高于其余各组（P<0.05）。

2.4 玉米浆与乳酸菌协同发酵对玉米秸秆瘤胃体外营养物质降解率的影响

如表6所示，相比于对照组，各处理组显著提高了体外干物质的降解率（P<0.001）。CC组和CCL组的体外粗蛋白质降解率显著高于对照组（P<0.001）。然而，体外ADF和体外NDF降解率在各组间无显著差异（P>0.05）。

3 讨论

3.1 玉米浆与乳酸菌协同发酵对玉米秸秆营养成分的影响

CP含量是评价秸秆饲料营养品质的重要指标，对于秸秆饲料而言，CP含量的高低与营养品质呈正相关，即CP含量越高，营养品质越高^［22］。在本试验中，CC和CCL组中CP含量均显著高于CON组，其中CCL组CP含量高于CC组，虽然差异不显著，但表明乳酸菌和玉米浆协同发酵具有进一步增加玉米秸秆CP含量的潜力，其原因可能是在发酵过程中微生物能够利用玉米浆中的氮源、碳源和纤维降解产生的糖类合成营养丰富的微生物菌体蛋白，从而提升了玉米秸秆的CP含量^［27-28］。添加乳酸菌的秸秆饲料经过发酵后ADF和NDF有降低效果^［29］，然而，本研究中各处理的NDF与ADF含量相较于对照组无显著差异，其原因可能是黄贮原料中木质素和纤维素含量较高，乳酸菌难以对其进行有效降解利用，导致NDF与ADF含量差异不明显。陈远航等^［30］的研究中也发现，添加乳酸菌未能使秸秆饲料中NDF和ADF含量显著下降。此外，在本试验中，CCL组的粗灰分含量相较于对照组显著下降，这可能是因为在发酵过程中植物乳杆菌生长活跃，使酸度上升，pH下降^［31］。在酸性环境下，部分矿物质可能转换为挥发性或可分解的形态。

3.2 玉米浆与乳酸菌协同发酵对玉米秸秆发酵品质的影响

乙酸是饲料发酵过程中产生的主要挥发性脂肪酸之一，其含量的增加通常表明发酵过程活跃，微生物活动强。乙酸含量可以直接或间接反映发酵饲料的品质，乙酸含量升高表明发酵饲料pH下降，可以抑制有害微生物增殖；同时，发酵饲料中乙酸含量升高，可能为反刍动物提供更多的能量^［32］。Okoye等^［33］研究发现，布氏乳杆菌处理玉米秸秆后，乙酸含量显著升高。在本试验中，CCL组的乙酸含量相较于其余各组显著升高。这表明玉米浆与乳酸菌协同发酵可以提高玉米秸秆的乙酸含量^［34］。这可能是因为玉米浆为乳酸菌发酵提供底物，促进乳酸菌发酵及乙酸的生成，使乙酸在发酵过程中大量积累^［35］。pH是衡量饲料发酵过程和质量的重要指标^［36］，pH越低，酸度越大，发酵饲料越容易储存^［37］。谢文斌等^［38］研究发现，用布氏乳杆菌发酵玉米秸秆，可降低发酵液pH。在本试验中，CCL组pH显著低于其余各组，这与CCL组乙酸含量最高相一致，表明玉米浆与乳酸菌协同发酵玉米秸秆可以进一步提高玉米黄贮的品质。黄志鹏^［39］研究发现，布氏乳杆菌处理全株玉米后，乳酸含量升高，pH降低。王玉荣^［40］使用布氏乳杆菌和植物乳杆菌联合发酵水稻（Oryza sativa）秸秆后，发酵液pH降低，乳酸和乙酸含量升高。其原因可能是随着乳酸菌的生长发育，产生大量乳酸和乙酸，从而降低饲料pH^［41］。

3.3 玉米浆与乳酸菌协同发酵对玉米秸秆体外瘤胃发酵参数的影响

pH是瘤胃主要的发酵参数之一，适宜的瘤胃pH为5.6~7.5^［42］。瘤胃适宜的pH可以使瘤胃内环境保持稳定，利于瘤胃内微生物的代谢活动，促进粗纤维的降解与消化，改善瘤胃发酵功能。本试验pH为5.78~6.18，表明玉米浆与乳酸菌协同发酵对瘤胃内环境的稳态有积极的作用。NH₃-N是瘤胃微生物分解氮的最终产物，可为菌体蛋白的合成提供底物^［43］。瘤胃微生物分解蛋白质与合成微生物蛋白的速度决定了NH₃-N的含量^［44］。本试验结果表明，各处理组NH₃-N浓度（10.81~17.61 mg·dL^-1）均在正常范围内（6~30 mg·dL^-1），且满足菌体蛋白合成的需要量（0.35~29.00 mg·dL^-1）^［45］。各处理组瘤胃发酵液中的NH₃-N浓度显著高于CON组，其中CCL组NH₃-N浓度最高，这说明，使用玉米浆与乳酸菌协同发酵玉米秸秆，存在提高瘤胃中NH₃-N浓度的潜力。其原因可能是乳酸菌和玉米浆的添加会进一步促进氮的释放，增强蛋白质的降解和NH₃-N的生成。

挥发性脂肪酸以乙酸、丙酸、丁酸为主，为反刍动物机体提供70%~80%的能量^［46］。其含量及组成成分反映瘤胃微生物的活力及碳水化合物的可消化程度^［47］。在本试验中，与CON组相比，CCL组发酵液中的乙酸浓度和总挥发性脂肪酸浓度显著升高，丙酸和丁酸也有升高的趋势，这可能因为玉米浆富含可发酵的碳水化合物和蛋白质，这些成分为瘤胃微生物提供了丰富的营养，增强了总挥发性脂肪酸的生成。

3.4 玉米浆与乳酸菌协同发酵对玉米秸秆瘤胃体外营养物质降解率的影响

秸秆饲料在瘤胃内的降解率可以反映秸秆饲料的品质及营养价值^［47］，饲料的降解率越高，该饲料营养价值越高。本试验中，CL、CC和CCL组的玉米秸秆体外干物质降解率均显著高于CON组，表明添加乳酸菌和玉米浆协同发酵均可改善玉米秸秆的体外消化率。Cao等^［48］研究发现，添加乳酸菌组的DM含量损失较少，因此体外干物质降解率较高。粗蛋白的体外降解率反映了饲料中粗蛋白在瘤胃内的降解情况^［16］。本试验中，CC组和CCL组的粗蛋白体外降解率相较于CON组显著升高，这可能是因为玉米浆富含可发酵的碳水化合物和蛋白质，为微生物提供了丰富的营养。这些营养物质能够促进微生物的快速生长和代谢活动，从而提高蛋白质的降解效率。

4 结论

在本试验条件下，玉米浆与乳酸菌协同发酵能显著提高玉米秸秆粗蛋白含量和发酵品质，同时提高体外发酵产生的NH₃-N浓度和挥发性脂肪酸浓度以及体外干物质降解率和体外粗蛋白降解率，其中玉米浆和乳酸菌协同发酵组效果最佳。

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基金资助

黑龙江省自然科学基金项目(SS2022C004)