植物乳杆菌和中草药渣联用对甜高粱青贮品质及体外消化特性的影响

Effects of interaction between Lactobacillus plantarum and Chinese herb residues on silage quality and in vitro digestion characteristics of sweet sorghum

摘要

为探究改善甜高粱青贮品质和体外消化特性的中草药渣与植物乳杆菌联用的最优组合及剂量，以‘中科甜438’甜高粱作为试验材料，在青贮过程中将0%（质量百分数）、0.5%、1.0%和1.5%的黄芪药渣（HQ）和丁香药渣（DX）单独添加，或与1×10⁶ CFU/g植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum，LP）联用添加，共设14个处理，发酵30 d后对甜高粱青贮饲料的发酵品质、营养成分和体外消化特性指标进行测定。结果表明：1）1.5%丁香＋植物乳杆菌处理（1.5%DX＋LP）的乳酸和乙酸含量最高，分别为6.57和3.89 g/100 g，其氨态氮含量为1.95 g/100 g，显著低于HQ各添加量与LP联用的处理（P<0.05）；2）与单独添加HQ、DX相比，添加HQ、DX分别与LP联用处理可显著提高甜高粱的体外干物质消化率（P<0.05），其中1.5%DX＋LP的体外干物质消化率最高，为63.46%，此外，1.5%DX＋LP的甜高粱体外粗蛋白质消化率为82.46%，显著高于0.5%DX＋LP和0.5%HQ＋LP（P<0.05），1.5%DX＋LP的甜高粱体外中性洗涤纤维消化率为56.54%，显著高于HQ各添加量与LP联用的处理（P<0.05）。综上，添加黄芪（HQ）和丁香（DX）药渣可促进甜高粱青贮饲料发酵，显著提高青贮甜高粱的发酵品质和体外消化特性，综合发酵品质、营养成分和体外消化特性，各处理对甜高粱青贮饲料品质提升效果由高到低为丁香＋植物乳杆菌（DX＋LP）>黄芪＋植物乳杆菌（HQ＋LP）>DX>HQ，其中添加1.5%丁香+植物乳杆菌（1.5%DX＋LP）对提高宁夏甜高粱青贮品质和体外消化特性的效果最佳。

Abstract

To explore the optimal combination and dosage of Chinese herb residues combined with Lactobacillus plantarum to improve the quality of sweet sorghum silage and in vitro digestion characteristics of sweet sorghum， using ‘Zhongke Tian 438’ sweet sorghum as the test material， 0%（mass percentage） ， 0.5%，1.0% and 1.5% of astragalus residue （HQ） and clove residue （DX） were added alone or in combination with 1X10⁶ CFU/g Lactobacillus plantarum （LP） in the silage process， and a total of 14 treatments were set up. The fermentation quality， nutrient composition and in vitro digestive characteristics indexes of sweet sorghum silage were determined after 30 d of fermentation. The results showed that： 1） The 1.5% clove plus Lactobacillus plantarum （1.5%DX+LP）treatment had the highest lactic acid and acetic acid contents of 6.57 and 3.89 g/100 g， respectively. Its ammoniacal nitrogen content was 1.95 g/100 g， which was significantly lower than that of each addition of HQ in combination with LP treatment（P<0.05）， 2） Compared with the treatment of either HQ or DX alone， the addition of HQ or DX in combination with LP treatment significantly increased the in vitro dry matter digestibility （P<0.05）， among which 1.5%DX+LP had the highest in vitro dry matter digestibility of 63.46%. In addition， the in vitro crude protein digestibility of 1.5%DX+LP was 82.46%， which was significantly higher than that of 0.5%DX+LP and 0.5%HQ+LP （P<0.05）， and the in vitro neutral detergent fibers digestibility of 1.5%DX+LP was 56.54%， which was significantly higher than that of each addition of HQ in combination with LP treatment（P<0.05）. In conclusion， adding astragalus （HQ） and clove （DX） herb residues promoted sweet sorghum silage fermentation and significantly improve the fermentation quality and in vitro digestive characteristics of sweet sorghum silage. The combined fermentation quality， nutrient composition and in vitro digestive characteristics， and the order of each treatment on the improvement of sweet sorghum silage quality and from high to low were clove plus L. plantarum （DX+LP）>astragalus plus L. plantarum （HQ+LP）>DX>HQ， of which the treatment of 1.5% clove plus L. plantarum （1.5%DX+LP） had the best effect on improving silage quality and in vitro digestive characteristics of sweet sorghum silage in Ningxia.

Graphical abstract

关键词

甜高粱 / 中草药渣 / 植物乳杆菌 / 青贮品质 / 体外消化特性

Key words

sweet sorghum / Chinese herb residues / Lactobacillus plantarum / silage quality / in vitro digestion characteristics

甜高粱（Sorghum bicolor）是禾本科高粱属的一年生作物，具有产量高、含糖量高等特点^［1］，具备调制成青贮饲料的良好品质，是宁夏重要的饲草作物。因其有较高的纤维含量，直接青贮效果不佳^［2］，需添加适宜的添加剂。已有研究表明，在甜高粱青贮饲料中添加植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum，LP）、尿素、丙酸钙可有效降低酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维的含量^［3］。目前青贮化学添加剂较为常用，其主要作用机制是抑制有害微生物的生长，降低其与乳酸菌对营养物质的竞争，为乳酸菌发酵活动提供更加充足的发酵底物^［4］。然而在青贮饲料中过多使用化学添加剂或使用不当不仅会对家畜健康产生不良影响，同时也会对环境产生威胁^［5］。因此，探究安全环保且能提高甜高粱青贮饲料品质的添加剂对畜牧业可持续发展具有重要意义。

近几年随着中草药产业的快速发展，在中药材生产和精细加工的过程中产生大量的副产物没有得到有效的利用^［6］。中草药副产物来源天然、资源充足，与化学添加剂相比具有较低的获得成本和较高的安全性^［7］。将中草药副产物添加到青贮饲料中，不仅可以降低养殖成本还可以改善动物健康状况^［5］。中草药药渣还具有较高的营养成分和活性物质，例如黄芪药渣含有粗蛋白和粗脂肪等营养成分^［8］，并且其中含有的黄芪多糖等活性物质具有抗氧化等多种功能^［9］，可作为青贮饲料添加剂使用。从丁香药渣中获得的丁香提取物能够抑制腐败真菌的生长繁殖，有助于青贮饲料的稳定发酵^［10］。金丽娜等^［11］研究发现，将黄芪药渣和全株玉米混合青贮后，可有效改善青贮饲料的发酵品质和营养成分。此外，将丁香、肉桂、陈皮等按照比例制备成复方中草药添加剂可改善青贮饲料的发酵品质和营养成分^［12］。黄芪和丁香在牛羊饲料中已大量应用^［13］，在荷斯坦牛日粮中添加丁香酚，表现出较好的抗炎和抗菌效果^［14］；饲粮中添加黄芪粉可以促进澳湖杂交公羔生长，改善肌肉嫩度和肉色，并改变公羔肌肉脂肪酸的组成^［15］。目前关于中草药渣作为添加剂对甜高粱青贮饲料青贮品质和体外消化特性的研究尚未见报道。本试验设置黄芪药渣、丁香药渣和植物乳杆菌的不同组合和添加量，测定并分析甜高粱青贮饲料的发酵品质、营养成分和体外消化特性，旨在探究可改善甜高粱青贮品质和体外消化特性的中草药渣与植物乳杆菌最优组合及添加量，以期为中草药渣作为青贮饲料添加剂合理利用提供参考。

1　材料与方法

1.1　试验材料及试验地概况

试验材料为甜高粱，品种为‘中科甜438’，于2023年5月15日种植于宁夏回族自治区吴忠市红寺堡区优质饲草高产高效栽培示范基地（106°05' E，37°45' N，海拔1 316 m），该区域土壤沙化及盐渍化严重，属温带大陆性气候，常年干旱少雨，年平均降水量251 mm，年均温8.7 ℃，无霜期163 d，见图1。甜高粱生长期间，实施当地常规田间管理。

1.2　试验设计

于甜高粱乳熟期（2023年9月27日）留茬15 cm收割，粉碎至1~2 cm后混匀。在甜高粱青贮时使用黄芪药渣（药用黄芪片加工时产生的粉末，HQ）、丁香药渣（药用丁香加工时产生的粉末，DX）和植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum，LP）作为外源添加剂。分别添加甜高粱鲜重的0.5%（质量百分数，下同）HQ、1.0%HQ、1.5%HQ，0.5%DX、1.0%DX、1.5%DX，0.5%HQ+LP、1.0%HQ+LP、1.5%HQ+LP，0.5%DX+LP、1.0%DX+LP、1.5%DX+LP，LP，以无添加为对照（CK），共14个处理，LP以1×10⁶ CFU/g的添加量添加，每个处理3个重复，将添加的HQ、DX和LP与甜高粱材料混匀后，装填于3 L发酵罐中（每罐喷洒的LP溶液为20 mL，不添加LP的处理组都以20 mL纯净水替代），压实密度为650 kg/m³。室温贮藏30 d，青贮完成后，打开发酵罐并去除上、下层10 cm左右的青贮饲料，剩余青贮饲料混匀后测定青贮发酵品质、营养成分和体外消化特性等指标。

1.3　测定内容及方法

1.3.1　发酵品质

甜高粱青贮开罐后将样品混匀取20 g样品，加入180 mL水，用榨汁机搅碎1 min，用4层纱布和定性滤纸过滤得到滤液，测定pH ^［3］，用苯酚-次氯酸钠比色法测氨态氮（NH₃-N）含量^［2］，用高效液相色谱法^［16］测有机酸含量，其流动相为3 mmol/L HClO₄，流速为1 mL/min，进样量设置为5 μL，柱温50 ℃，检测波长为210 nm，计算乳酸（lactic acid，LA）、乙酸（acetic acid，AA）、丙酸（propionic acid，PA）、丁酸（butyric acid，BA）的含量。

1.3.2　营养成分

甜高粱青贮30 d后，取甜高粱青贮样100 g，放入烘箱65 ℃烘48 h，测定^［16］其干物质含量（dry matter， DM）^［16］；采用凯氏定氮法测定粗蛋白（crude protein，CP），采用蒽酮-硫酸比色法^［2］可溶性碳水化合物（water-soluble carbohydrate，WSC）和淀粉（starch），采用Van Soest法^［3］测定中性洗涤纤维（neutral detergent fiber，NDF）和酸性洗涤纤维（acid detergent fiber，ADF），粗脂肪（ether extract，EE）利用索式法^［16］测定。

1.3.3　体外消化特性的测定

按照李雨嘉等^［16］的方法测定体外消化特性，测定48 h体外粗蛋白质消化率（IVCPD）、体外干物质消化率（IVDMD）以及体外中性洗涤纤维消化率（IVNDFD）。公式如下：

\mathrm{I}\mathrm{V}\mathrm{C}\mathrm{P}\mathrm{D}=\frac{\mathrm{C}\mathrm{P}-\mathrm{未消}\mathrm{化}\mathrm{C}\mathrm{P}}{\mathrm{C}\mathrm{P}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}

IVDMD=（m₁-m₂）/m₁×100%

\mathrm{I}\mathrm{V}\mathrm{N}\mathrm{D}\mathrm{F}\mathrm{D}=(\mathrm{N}\mathrm{D}\mathrm{F}\mathrm{含量}-\mathrm{未消}\mathrm{化}\mathrm{N}\mathrm{D}\mathrm{F}\mathrm{含量})/\mathrm{N}\mathrm{D}\mathrm{F}\mathrm{含量}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}

式中：IVCPD为体外粗蛋白消化率，%；CP为粗蛋白含量，IVDMD为体外干物质消化率，%；IVNDFD为体外中性洗涤纤维消化率，%；m₁，m₂分别为样品干物质含量和模拟瘤胃消化后未消化干物质含量，g/100 g。

1.4　数据分析

采用Excel 2016和SPSS 17.0对数据进行统计分析和方差计算。结果以“平均值±标准差”表示，差异显著性采用SPSS 17.0进行分析，P<0.05则差异显著。

2　结果与分析

2.1　甜高粱青贮饲料原料的营养成分

甜高粱青贮饲料原料，来源于宁夏回族自治区吴忠市红寺堡区优质饲草高产高效栽培示范基地，具体营养成分见表1。

2.2　植物乳杆菌与中草药渣联用对甜高粱青贮饲料发酵品质的影响

由表2可知，青贮过程中，添加黄芪药渣（HQ）、丁香药渣（DX）和植物乳杆菌（LP）对青贮甜高粱的乙酸（AA）和丙酸含量（PA）具有显著交互效应（P<0.05），对pH、乳酸（LA）和氨态氮含量（NH₃-N）无显著的交互效应（P>0.05）；单独添加HQ或DX的处理中pH、LA、AA、PA和NH₃-N含量均显著高于无添加对照（CK）（P<0.05）；单独添加LP对青贮甜高粱的LA、AA、PA含量均具有显著影响（P<0.05），对pH和NH₃-N含量影响不显著（P>0.05）。

不添加LP的处理中，1.0%DX的pH最低，CK的pH最高；1.5%HQ、1.0%DX和1.5%DX的LA含量均显著高于其他处理（P<0.05），1.5%DX的LA含量最高，1.5%DX和1.0%DX的LA含量分别显著高于1.5%HQ和1.0%HQ（P<0.05）；1.0%DX的AA含量显著高于1.0%HQ（P<0.05）；CK和0.5%HQ检测出了PA，其他处理均未检测出PA；各处理均未检测出丁酸（BA）；1.0%DX和1.5%DX的NH₃-N含量均显著低于CK（P<0.05），见表2。

添加LP的处理中，添加HQ的各处理pH均低于添加等量DX的处理，添加DX的各处理LA含量均高于添加等量HQ的处理，但差异均不显著（P>0.05），CK的LA含量最低；1.0%DX和1.5%DX的AA含量均显著高于其余各处理（P<0.05），0.5%HQ和0.5%DX的AA含量差异不显著（P>0.05）；除CK，其余各处理均未检测出PA；各处理均未检测出BA；添加HQ处理的NH₃-N含量均显著高于DX和CK（P<0.05），1.0%DX的NH₃-N含量为最低，见表2。

2.3　植物乳杆菌与中草药渣联用对甜高粱青贮饲料营养成分的影响

由表3可知，青贮过程中，添加HQ、DX和LP对甜高粱青贮饲料各营养指标无显著的交互效应（P>0.05）；DX和HQ对青贮饲料干物质（DM）、粗蛋白质（CP）、酸性洗涤纤维（ADF）、可溶性碳水化合物（WSC）和淀粉（starch）含量均有显著影响（P<0.05），LP对DM含量有显著影响（P<0.05），对其他指标影响不显著（P>0.05）。

在不添加LP处理中，0.5%DX的青贮饲料干物质含量显著低于CK（P<0.05），其余处理与CK无显著差异（P>0.05）；随着HQ添加量的增加，青贮饲料的CP含量也逐渐增加，添加HQ各处理的CP含量高于添加等量DX的处理；除添加1.0%DX处理的可溶性碳水化合物含量高于添加1.0%HQ的处理，其余添加量DX处理的可溶性碳水化合物含量均低于等量添加的HQ处理；CK的淀粉含量最高，显著高于1.0%DX和1.5%DX（P<0.05），添加DX处理的淀粉含量均低于等量添加的HQ处理；HQ和DX处理的粗脂肪含量差异均不显著（P>0.05）。

在添加LP处理中，添加DX的各处理干物质含量均低于添加等量的HQ处理，但差异不显著（P>0.05）；1.5%HQ的CP含量均显著高于1.0%HQ、0.5%HQ和CK，3个DX处理之间的CP含量差异不显著（P>0.05）；各HQ、DX处理的中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、淀粉和粗脂肪含量差异均不显著（P>0.05）；1.5%HQ和1.5%DX的WSC含量差异不显著（P>0.05），但低于其余处理，见表3。

2.4　植物乳杆菌与中草药渣联用对甜高粱青贮饲料体外消化特性的影响

由表4可知，青贮过程中，添加HQ、DX和LP对青贮甜高粱的体外干物质消化率和体外中性洗涤纤维消化率均具有显著交互效应（P<0.05），对体外粗蛋白质消化率无显著的交互效应（P>0.05）。

在不添加LP处理中，1.5%DX的青贮饲料体外粗蛋白质消化率最高，显著高于CK和0.5%HQ（P<0.05）；此外，1.5%DX的体外干物质消化率最高，显著高于除1.0%DX以外的其余处理（P<0.05）；1.5%DX的体外中性洗涤纤维消化率最高，显著高于除1.0%DX以外的其余处理（P<0.05）。

在添加LP处理中，1.5%DX的体外粗蛋白质消化率最高，显著高于CK、0.5%HQ和0.5%DX（P<0.05）。体外粗蛋白质消化率随着HQ、DX添加量的增加而上升。所有处理对青贮饲料体外干物质消化率均有显著影响（P<0.05）。1.5%DX的体外中性洗涤纤维消化率最高，显著高于添加HQ的各处理（P<0.05）。随着HQ、DX的添加量增加，青贮饲料的体外中性洗涤纤维消化率也随之上升，与体外粗蛋白质消化率变化趋势一致，见表4。

3　讨 论

3.1　植物乳杆菌与中草药渣联用对甜高粱青贮饲料发酵品质的影响

在青贮过程中，pH是保证青贮发酵稳定状态的重要因素^［17］。刘建民等^［18］研究认为，青贮饲料的pH低于4.2为优质。本试验中，无添加对照（CK）的pH<4.2，表明其发酵品质为优质。在添加黄芪（HQ）和丁香（DX）药渣的所有处理pH仍维持在4.2以下，表明HQ、DX的使用并未对发酵品质产生负面影响。有机酸含量同样也是影响青贮饲料品质的重要指标^［19］。乳酸菌会利用可溶性碳水化合物，生成乳酸（LA）和乙酸（AA）等代谢物质^［20］。本试验中，添加HQ、DX的各处理均可显著提高甜高粱青贮饲料中的LA含量，且随着添加量增加，LA含量也随之升高，说明HQ和DX都可以促进LA的生成。这可能是因为HQ和DX含有较多的多糖^［13］，为乳酸菌提供了充足的碳源，促进了植物乳杆菌（LP）的生长繁殖。优质的青贮饲料含有较多LA及少量AA、丙酸（PA）和丁酸（BA）。除CK和0.5%HQ处理外，其余各处理均未检测到PA和BA^［21］，这一结果表明，HQ和DX可能具有抑制有害微生物生长的作用^［22］。DX与LP联用后可显著提高青贮甜高粱的LA含量，表明DX抑制其他菌群繁殖的同时，并未对LP的活性产生抑制作用。HQ处理未对青贮甜高粱中AA含量产生显著影响，而添加1.5%DX可显著提高AA含量。这表明HQ和DX在作用方式上可能存在差异。孙茜等^［23］分析发现，DX可能在发酵过程中促进了异型发酵，从而导致AA含量的增加。范龙泉等^［24］研究发现，在泡菜发酵中添加HQ能够提升总酸的含量。因此，推测在甜高粱青贮发酵中HQ通过促进LP繁殖从而提高LA产量，降低发酵环境的pH，从而抑制有害杂菌的繁殖。这与牟明生^［25］研究结果一致。添加1.0%DX和1.5%DX后氨态氮（NH₃-N）含量显著降低（P<0.05），随着DX添加量的增加NH₃-N含量呈现降低趋势，这也证实了DX对杂菌的抑制具有显著效果^［26］，从而减少蛋白质和氨基酸分解。而添加HQ后NH₃-N含量并未显著降低，这可能是添加量不够导致的。本研究结果显示，DX高添加量（1.5%）与LP联用可以取得良好的发酵效果。

DX在抑制杂菌和保护蛋白质方面表现出优势，HQ在提供发酵底物方面具有潜在价值。本试验中HQ抑制蛋白质分解效果欠佳，可能与甜高粱的高糖环境以及HQ添加量不足有关。未来研究可以通过调整HQ的添加量，进一步验证其对发酵效果的影响。

3.2　植物乳杆菌与中草药渣联用对甜高粱青贮饲料营养成分的影响

黄芪药渣（HQ）、丁香药渣（DX）与植物乳杆菌（LP）联用对甜高粱青贮饲料营养成分各项指标均无显著交互效应（表3）。这一结果可能是因为2种中草药渣的作用机制相互独立：HQ和DX通过其活性成分（如黄芪多糖、丁香酚）直接调控微生物群落和底物代谢^{［14，22］}，而LP主要通过加速酸化进程抑制有害菌发挥作用^［20］。冉航等^［27］研究发现，添加1.5%HQ能够增加反刍动物瘤胃中有益微生物种群的丰富度。在本试验中，1.5%HQ+LP的可溶性碳水化合物含量最低，说明高添加量HQ可能会增加乳酸菌的相对丰度，增加对可溶性碳水化合物的利用。只添加HQ的粗蛋白质（CP）含量高于未添加对照（CK）和只添加DX的各处理，可能与HQ富集含氮化合物能够促进蛋白质合成有关^［28］。中性洗涤纤维（NDF）和酸性洗涤纤维（ADF）含量过高会直接影响消化率和适口性^［29］。HQ处理对纤维含量无显著影响，可能是因为中草药本身就具有较高的纤维素含量^［30］，所以低添加量HQ反而增加了NDF和ADF的含量。与刘桃桃等^［31］研究结果相比，本试验中CP含量较低，可能是因为宁夏地区气候和地理环境的原因，所以其营养成分较低。

3.3　植物乳杆菌与中草药渣联用对甜高粱青贮饲料体外消化特性的影响

体外干物质消化率（IVDMD）是衡量饲草营养价值的关键指标之一，亦是确保反刍动物饲料营养价值得以实现的基础，受采食量、饲料在瘤胃内的停留时间、瘤胃微生物的活性以及微生物对饲料的利用效率等因素影响^［32］。一般干物质的消化率越高，饲料中营养物质的可利用程度就越大^［33］。本试验中，1.5%DX＋LP具有最高的IVDMD，这可能是因为在该处理下青贮饲料中具有较多的粗蛋白质（CP）含量，木质化程度较低，所以具有较高的IVDMD^［34］。周小栋^［32］认为，体外粗蛋白质消化率与CP含量呈正相关，体外中性洗涤纤维消化率（IVNDFD）与中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量均呈负相关。本试验中1.5%HQ和1.5%DX处理均具有较高的CP含量，其体外粗蛋白消化率也较高；同时1.5%DX和1.5%DX＋LP具有较低的中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量，所以其IVNDFD较高。此外，与未添加植物乳杆菌（LP）相比，外源添加LP处理的体外中性洗涤纤维消化率上升，说明添加LP能够增加青贮饲料的消化率，这与布沙热木·阿布力孜^［35］研究结果一致。

4　结 论

添加黄芪药渣（HQ）和丁香药渣（DX）能够促进甜高粱青贮饲料发酵，改善甜高粱青贮饲料青贮品质和体外消化特性，综合青贮品质和体外消化特性，各处理对甜高粱青贮饲料品质提升效果由高到低为丁香＋植物乳杆菌（DX＋LP）>黄芪＋植物乳杆菌（HQ＋LP）>DX>HQ，其中1.5%DX＋LP的乳酸（LA）和乙酸（AA）含量最高，分别为6.57和3.89 g/100 g，氨态氮（NH₃-N）含量显著低于添加HQ＋LP的各处理和未添加对照（CK）；与此同时，1.5%DX＋LP的体外干物质消化率、体外粗蛋白质消化率和体外中性洗涤纤维消化率均最高，分别为63.46%，82.46%，56.54%。因此，在宁夏地区进行甜高粱青贮饲料发酵过程中，添加甜高粱鲜重1.5%的丁香药渣和植物乳杆菌改善甜高粱青贮品质和体外消化特性效果最佳。

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基金资助

中央引导地方科技发展资金项目(2025ZY0062)