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青贮饲料化学成分、微生物菌群和感观特性分析
来源: | 作者:CVAS饲料分析 | 发布时间: 2020-03-05 | 1602 次浏览 | 分享到:

本文根据以下文献节译、概括、整理：Kung,L., Jr., R. D. Shaver, R. J. Grant, and R. J. Schmidt. 2018. Silage review: Interpretation of chemical, microbial, and organoleptic components of silages1J. Dairy Sci. 101: 4020–4033.https://doi.org/10.3168/jds.2017-13909.

译者：

张宝艺, 陈晓琳, 仇学军 唐山科博兰谷饲料检测技术服务有限公司叶丹妮 Cumberland Valley Analytical Services (CVAS)


摘要

青贮制作的目的是生产可稳定保存新鲜牧草的干物质及能量并保持较高可消化性的饲料，但青贮发酵过程会直接影响和改变饲料的营养特性。高品质的青贮应尽量避免不良组分的产生，从而降低其对动物生产性能的影响，保护环境，增加农场净收益。此篇综述（基于北美视角），全面概述了青贮饲料发酵终产物、微生物菌群、感观特性及贮存期间营养品质的变化。

前言 

青贮是在密封无氧的状态下，将可溶性碳水化合物发酵生成各种终产物，以此达到长期保存青绿饲料营养特性的一种方法。测量pH及发酵终产物（有机酸和醇类）是评价青贮发酵的基本方法。必要时也会检测青贮发酵过程中产生的其他物质，如霉菌毒素和一系列的含氮化合物。感观特性也可用来评价青贮品质，因为许多发酵终产物都具有挥发性，可产生不同的气味。

虽然一般认为青贮发酵在数周后即会达到稳定状态，但实际上许多化学成分微小而显著的变化会持续数月，从而影响最终的青贮品质。而评价青贮饲料品质的最佳方法就是正确地取样，并及时送往专业实验室进行发酵和营养指标的检测分析。本文概述了青贮饲料的常见化学成分、微生物菌群和感观特性，以及影响这些的因素，进一步分析其与青贮饲料的发酵效率、有氧稳定性、营养价值、动物性能及对环境潜在影响之间的关系。（注：本文所有观点均基于北美数据）


1 青贮饲料中化学成分及微生物菌群分析

在理想的发酵过程中，同型乳酸菌利用可溶性碳水化合物仅生成乳酸，从而获得一个相对高的干物质及能量回收率。然而，饲料作物的发酵过程远比这复杂，有许多不同类型的微生物参与，最终产物也多种多样。下表1中将美国几种典型青贮对应的发酵最终产物水平进行了归纳。下图1-3分别展现了玉米青贮、豆科青贮、高水分玉米pH值及其他发酵产物随干物质含量变化而变化的趋势。

表1 不同青贮常规发酵产物水平一览表


图1 美国玉米青贮pH值及其他发酵产物随干物质含量变化而变化的示意图。氨态氮以粗蛋白当量为基准表示。通常在玉米青贮中检测不到丁酸所以图中未显示。所有数据来自CVAS从2012年1月1日到2017年8月31日期间的样品化学分析结果。


图2 美国豆科青贮pH值及其他发酵产物随干物质含量变化而变化的示意图。氨态氮以粗蛋白当量为基准表示。所有数据来自CVAS从2012年1月1日到2017年8月31日期间的样品化学分析结果。

图3 美国高水分玉米pH值及其他发酵产物随干物质含量变化而变化的示意图。所有数据来自CVAS从2012年1月1日到2017年8月31日期间的样品化学分析结果。

1.1 青贮 pH值和乳酸

青贮的pH值是反应酸度的最直接指标。在青贮发酵前期，乳酸菌发酵产生大量的乳酸，对快速降低pH发挥了至关重要的作用，从而抑制了好氧有害菌和霉菌的生长，减少了养分损失。对常见青贮料而言，乳酸浓度约为干物质含量的2-4%，且表1中数据表明，对同种青贮料而言，干物质含量越低（低至30%），乳酸浓度越高。当然，除了乳酸菌发酵产生的乳酸浓度以外，青贮最终pH还与青贮饲料的缓冲能力息息相关。由表1可看出，青贮玉米的最终pH为3.7-4.0，低于豆科牧草青贮的最终pH（4.3-5.0），原因在于豆科牧草的缓冲能力比玉米等禾本科牧草高，并且一般来讲豆科牧草可溶性碳水化合物含量也均低于禾本科牧草，因此更难青贮，生产中可考虑适当添加乳酸菌青贮发酵剂来制作青贮。

此外，作物的干物质含量也是青贮成败的关键。由图2中豆科青贮乳酸变化的趋势可看出，当青贮干物质含量降低至35-40%时乳酸浓度开始明显的下降，这是因为当干物质含量<30-35%时，梭菌开始大量繁殖，将乳酸转化为了丁酸。但对玉米青贮来说却不同，与豆科青贮相比，相同的干物质条件下它对应的pH值更低，从而抑制了梭菌发酵，发酵产物中基本检测不到丁酸（见图1）。因此，通常建议玉米青贮的干物质含量在30-35%之间最为适宜。干物质含量过低，含水量过高，易造成梭菌发酵，损失青贮养分，不利于乳酸菌繁殖；相反，干物质含量过高，含水量太低，易引起“二次发酵”。

1.2 其他可挥发性酸

首先，乙酸是青贮发酵过程中浓度第二高的酸，通常为1-3%DM（如表1所示）。与乳酸类似，乙酸的浓度通常与干物质含量呈负相关关系（如图1-3所示），在青贮过程中，乙酸含量的升高有利于提高发酵过程的有氧稳定性，可抑制酵母等不良细菌的繁殖。其次，丙酸在优质青贮中通常检测不到或浓度很低（<0.1%），目前，在青贮中已发现了可将葡萄糖和乳酸转化为丙酸和乙酸的丙酸杆菌，但这种菌是否能够在多数青贮饲料中自己大量繁殖仍有待讨论。

多数研究表明，高浓度的丙酸（>0.3-0.5%）其实更常见于梭菌发酵中，很可能是丙酸梭菌的产物。再次，在优质青贮中应完全检测不到丁酸，它若出现则意味着梭菌代谢的进行，会造成干物质及能量的大量损耗，除了会降低乳酸浓度，生成丙酸以外，同时也伴随着pH值、乙酸及氨态氮浓度、可溶性蛋白浓度的升高（可查看图2）。为减少梭菌发酵，应将青贮的干物质水平控制在30-35%，尽早装填，压窖密封，以最快速度降低pH，使乳酸菌成为优势菌群，并在青贮制作中注意不要混入土壤和牛粪（因其中含大量梭菌孢子）。

1.3 醇和酯

乙醇是青贮中最常见的一种醇类物质，它可由多种微生物（异型发酵乳酸菌、肠杆菌和酵母）产生，通常在全株玉米青贮和豆科青贮中含量较低（0.5-1.5%）。摄入的乙醇在瘤胃中可被转化为乙酸或被瘤胃壁所吸收，从而转化为乳脂或用于新陈代谢和生长。青贮饲料若含有高浓度的乙醇（3-4%），通常与酵母的大量繁殖密不可分，一些酵母可消耗乳酸，造成干物质的大量流失，引起青贮变质，甚至影响牛奶的风味。

同样，某些微生物（如梭菌、酵母）可代谢生成1,2-丙二醇，但在典型青贮过程中，1.2-丙二醇一般被认为是布氏乳杆菌代谢乳酸的结果，可被奶牛吸收并转化为肝脏中的葡萄糖及瘤胃中的丙酸。

此外，在青贮中发现的可挥发性有机化合物（VOC）还包括甲醇、丙醇以及酯类（乙酸乙酯、乳酸乙酯）。有研究表明，青贮中甲醇和丙醇的存在并不会对奶牛的干物质采食量和产奶量造成影响。还有研究报道，玉米青贮中乳酸乙酯的浓度高达1305 mg/kg，乙酸乙酯的浓度高达1109 mg/kg，且乳酸乙酯与山羊干物质采食量呈现微弱的负相关关系，但却未发现其与泌乳奶牛干物质采食量有明确的联系。

1.4 乳酸/乙酸

乳酸和乙酸的比值通常用作发酵的定性指标。优质青贮乳酸/乙酸的值通常为2.5-3.0。在应用同型乳酸菌剂，尤其是接种在豆科青贮上时，乳酸/乙酸的值稍高一点，因为同型乳酸菌发酵只产生乳酸。相反，若接种布氏乳杆菌，则会比未接种的青贮获得更高的乙酸浓度及更低的乳酸/乙酸比值。但一般布氏乳杆菌引起的乙酸浓度增长都在正常范围内，饲喂该接种剂处理的青贮饲料对采食量无不良影响。乳酸/乙酸比值过高的青贮饲料有时可能导致有氧稳定性的下降，因为低浓度的乙酸可能不足以抑制酵母的生长。但是乳酸/乙酸比值若低于1通常则表示发酵异常。

1.5 可溶性氮和氨态氮

植物和微生物蛋白水解的过程导致了青贮中含氮化合物的变化。简要来说，青贮发酵使得可溶性氮和氨态氮的浓度都升高了，分别为总氮的55-60%和<10-15%（见图1-3）。一般来说，高水分青贮比低水分青贮具有更高浓度的可溶性氮和氨态氮，因为前者发酵强度更大。

2 微生物菌群

对青贮中的酵母及霉菌菌群进行计数是十分必要的，因为如前所述，青贮中酵母数量与乙醇浓度呈正相关关系，其数量通常与青贮有氧稳定性呈反比，玉米作物尤其如此。虽然田间实例研究表明青贮中酵母的大量存在会降低动物的生产性能，但尚未得出确切的因果联系。饲喂酵母含量高的青贮或TMR饲料所潜在的负面影响究竟是由酵母本身直接造成的还是因其改变了青贮饲料的感官特性、生成了有毒化合物或多重原因的间接影响，目前也尚无定论。

3 青贮发酵的感观特性

3.1 气味

发酵良好的青贮饲料不应具有强烈的特殊气味，因为其发酵生成的主要有机酸为乳酸，本身几乎无味。然而，大多数青贮我们常闻见一丝醋味（乙酸作用），原因在于乙酸是青贮发酵过程中仅次于乳酸的第二大挥发性有机酸。当乙酸浓度过高时，还会伴随刺鼻以及对眼睛的强烈刺激，并且使青贮在色泽上也偏黄。通常人们还有一个误区，倘若青贮料带有甜甜的果香味，就认为该青贮发酵良好且稳定性高，但事实并非如此，这些气味通常是由酵母和其他微生物产生的高浓度的醇类（乙醇）所产生，而醇类可与青贮中的酸反应，进一步再生成了具有芳香味的酯类。

有氧稳定性较低的青贮饲料闻起来有霉味，甚至肉眼可见一些霉菌的生长。若发现此类情况建议立即清理发霉的部分，以防感染霉菌毒素。酪氨酸梭状芽孢杆菌和丁酸梭状芽孢杆菌通常存在于青贮饲料中，它们可利用可溶性糖或有机（乳）酸生成乙酸和丁酸，从而产生强烈的、腐臭的奶油味。其他种类的梭状芽孢杆菌(如产孢梭状芽孢杆菌)可以降解碳水化合物和蛋白质，后者可转化为氨和生物胺，且过量的蛋白质水解会产生腐败的鱼腥味或氨气味。再则，含有梭菌的青贮料通常也具有粘稠的带有橄榄绿色的外观。

 3.2 温度

青贮发酵会伴随热量产生。如果青贮被紧密压实，立即封存，平均温度应不超过环境温度的5-8℃。然而，由于设备故障或恶劣天气造成的青贮作业延迟，可能会使青贮料暴露在空气中数日，从而导致顶层（5-10厘米）青贮温度达到45-60℃，这是残留的过量空气被饲料中的好氧微生物氧化的结果。并且，持续的高温也会对蛋白质造成热损伤，同时也不利于乳酸菌的发酵。因此，青贮时应充分切碎，迅速包装，并尽快密封，以最快的速度排除其中的氧气。

当青贮发酵的活跃期结束后，青贮窖中心的温度应缓慢下降至25-30℃，小体积的青贮比大型青贮温度下降得更快。在大型青贮窖中，中心位置的青贮饲料温度通常会保持较长时间，因为大量的饲料有隔热作用，从而导致热量损耗地非常缓慢。总体来说，最终保留的热量即贮存的温度应低于35℃，尤其在几个月青贮已进入稳定期后。

总之，青贮窖的高温就是有氧腐败的结果。空气进入，酵母菌快速繁殖，伴随产生热，并使青贮pH值上升，从而滋生了有氧细菌和霉菌的生长，导致更多的腐败，散发更多的热量。而青贮料有氧变质的迹象主要包括：取料时距离表面10-20厘米的青贮料温度超过40℃、有可见的霉菌、青贮料没有芳香却有异味（霉味）等。

 4 青贮时间对青贮发酵的影响

一般来说，青贮的前期发酵阶段常为7-45天，但近期研究结果显示全株玉米青贮（WPCS）和高水分玉米青贮（HMC）的发酵持续时间更长。如前文提到的，全株玉米青贮因具有较低的缓冲能力前期pH值下降的速度快于豆科牧草青贮。就豆科牧草青贮而言，低干物质含量（DM<30%）前期pH值下降的速度也快于高干物质含量（DM>40%），因为前者拥有更多的水可用于新陈代谢。

针对全株玉米青贮和高水分玉米湿贮，有许多研究表明，随着贮存时间的延长（至90天、150天、180天等），青贮pH值的下降则与青贮中的乳酸和乙酸浓度逐渐积累有关，即与当下优势菌群的发酵产物有关。且延长青贮时间会增加氨态氮和可溶性蛋白的浓度，原因可能是青贮中的淀粉蛋白基质被蛋白水解酶降解的结果。而淀粉体外消化率（In Vitro Starch Digestibility, ivSD）也会随着青贮时间的延长而缓慢升高（如图4），它与氨态氮和可溶性蛋白的相关系数在全株玉米青贮（WPCS）中分别为0.82和0.70，在高水分玉米青贮（HMC）中分别为0.78-0.74。 

图4 青贮时间对淀粉体外消化率的影响。数据来自文献Der Bedrosian et al. (2012), Windle et al. (2014),Young et al. (2012), Ferraretto et al. (2015a; referred to as Ferraretto-1), Ferrarettoet al. (2015b; referred to as Ferraretto-2), and Ferraretto et al. (2016;referred to as Ferraretto-3 and -4).
    但中性洗涤纤维的体外消化率（In Vitro NDF Digestibility, ivNDFD）受青贮影响甚小，与青贮时间并无关联（如下表2所示）。Cherney et al.(2007)和Der Bedrosian et al.(2012)研究结果表明，青贮30天和45天后ivNDFD分别只降低了6个和2个百分点，推测这是由青贮前期纤维的增溶有关。而且，从Young et al. (2012)的数据中，我们可以看出青贮45天和150天之后ivNDFD仅相差1个百分点。观察表2中其他学者的研究数据并未发现有规律可循。因此，想要提高ivNDFD，依据牧草品种选择和未青贮样品本身的ivNDFD的测试结果更可靠。表2 青贮时间对全株玉米青贮中性洗涤纤维体外消化率（%NDF）的影响

1粉碎且过1mm筛的样品瘤胃体外培养48小时中性洗涤纤维的体外消化率

2粉碎且过2mm筛的样品瘤胃体外培养30小时中性洗涤纤维的体外消化率

3粉碎且过1mm筛的样品瘤胃体外培养30小时中性洗涤纤维的体外消化率

4差异不显著

5粉碎且过2mm筛的样品瘤胃体外培养48小时中性洗涤纤维的体外消化率

5 青贮发酵终产物对环境的潜在影响

在某些情况下，青贮可能会含有一些潜在的有毒物质，如：硝酸盐、氢氰酸、和霉菌毒素。目前已有大量报告探讨过青贮中的此类问题，在此不再赘述，本节重点介绍一下青贮中挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds, VOC）可能引发的环境问题，它曾被报道是美国加州某农业集中区空气质量差的主要原因，现已成为新的热点，未来青贮中VOC的检测将被逐渐重视，变得越来越重要。排放到大气中的VOC经阳光照射与氮的氧化物结合，形成地面臭氧，这是一种有害的大气污染物。醇类是VOC的最大组成部分（其中乙醇比重最大），其次是酸（如乙酸），醛类和酯类比酸类或醇类更易挥发，在青贮饲料暴露于空气中的时间较短时发挥的作用更大。研究表明，引起VOC排放的两大环节分别是饲料槽或饲料通道中的TMR和青贮贮存系统。要想减少VOC排放对环境的污染，即可从这两方面下手。第一，优化青贮制作，大多数VOC可能直接或间接由异型发酵乳酸菌、肠杆菌、梭菌或酵母菌等不良微生物产生，必要时建议使用青贮添加剂（菌剂或化学添加剂）。第二，加强饲养及饲喂管理，用室内饲养代替露天饲养，每日按需分批送料代替一次性粗放投喂，尽量减少饲喂时饲料与空气的接触时间。

6 结论

青贮饲料的化学成分、微生物菌群及感观特性均可用来解释青贮发酵的类型，也可解释或预估当这些成分偏离正常值时将其饲喂给反刍动物后的不良表现。青贮饲料挥发性有机化合物（VOC）、气味、氨和颗粒物的检测逐渐将成为农场关注环境问题的重点。在未来，很有必要使用化学分析数据开发更多可预测的方法，并且找出其他可以更好解释动物性能的量化指标，更好地为动物生产服务。