研究论文

菠萝皮与不同比例王草和百香果藤混合青贮研究

  • 崔智海 , 1 ,
  • 李雪枫 2 ,
  • 展小霞 1 ,
  • 党佳皓 1 ,
  • 王坚 , 1, *
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  • 1 海南大学动物科技学院,海口 570228
  • 2 海南大学林学院,海口 570228
* 王坚,副教授,硕士生导师,E-mail:

崔智海(1998—),男,广东肇庆人,硕士研究生,从事饲草料调制与加工利用研究。E-mail:

Copy editor: 田艳明

收稿日期: 2023-07-23

  网络出版日期: 2024-01-12

基金资助

国家自然科学基金项目(31860682)

Study on Mixed Silage of Pineapple Peel with Different Proportions of King Grass and Passion Fruit Vine

  • CUI Zhihai , 1 ,
  • LI Xuefeng 2 ,
  • ZHAN Xiaoxia 1 ,
  • DANG Jiahao 1 ,
  • WANG Jian , 1, *
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  • 1 College of Animal Science and Technology, Hainan University, Haikou 570228, China
  • 2 College of Forestry, Hainan University, Haikou 570228, China
* associate professor, E-mail:

Received date: 2023-07-23

  Online published: 2024-01-12

摘要

本试验旨在探究菠萝皮、王草和百香果藤不同混合比例对青贮饲料发酵品质和微生物多样性的影响。以菠萝皮、王草和百香果藤为原料,将三者分别按鲜重比3∶6∶1、3∶5∶2、3∶4∶3、3∶3∶4和3∶2∶5分为5个组进行混合青贮,在室温条件下青贮40 d后,对青贮饲料的发酵品质、营养成分含量和微生物多样性进行分析。结果表明:1)随着百香果藤混合比例的提高,青贮饲料pH以及氨态氮(NH3-N)和丁酸(BA)含量呈提高趋势,其中3∶6∶1组pH最低,显著低于除3∶5∶2组外的其他组(P<0.05);且3∶6∶1组NH3-N和BA含量显著低于其他各组(P<0.05)。此外,各组青贮饲料的品质得分评价均为好,其中3∶6∶1组品质得分最高。2)随着百香果藤混合比例的提高,青贮饲料干物质(DM)和粗蛋白质(CP)含量呈提高趋势,其中3∶2∶5组DM含量显著高于3∶6∶1组和3∶5∶2组(P<0.05),CP含量显著高于除3∶3∶4组外的其他各组(P<0.05);青贮饲料中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤纤维(ADF)含量呈降低趋势,其中3∶6∶1组NDF含量显著高于其他各组(P<0.05),ADF含量显著高于3∶3∶4组和3∶2∶5组(P<0.05)。3)随着百香果藤混合比例的提高,青贮饲料微生物群落香农指数呈降低趋势,其中3∶6∶1组香农指数显著高于3∶2∶5组(P<0.05);青贮饲料微生物群落Ace指数呈先升高后降低的趋势,其中3∶5∶2组Ace指数显著高于3∶3∶4组和3∶2∶5组(P<0.05)。青贮结束后,3∶6∶1组、3∶5∶2组和3∶2∶5组的优势菌门和优势菌属分别为厚壁菌门(Firmicutes)和乳杆菌属(Lactobacillus),而3∶4∶3组和3∶3∶4组的优势菌门和优势菌属分别为变形菌门(Proteobacteria)和泛菌属(Pantoea)。综上所述,3∶6∶1组青贮饲料发酵效果最好,在青贮生产实践中推荐菠萝皮、王草和百香果藤的混合比例为3∶6∶1。

本文引用格式

崔智海 , 李雪枫 , 展小霞 , 党佳皓 , 王坚 . 菠萝皮与不同比例王草和百香果藤混合青贮研究[J]. 动物营养学报, 2024 , 36(1) : 637 -649 . DOI: 10.12418/CJAN2024.057

Abstract

This experiment was conducted to investigate the effects of different mixing ratios of pineapple peel, king grass and passion fruit vine on fermentation quality and microbial diversity of silage. Mixed silage with pineapple peel, king grass and passion fruit vine were divided into 5 groups according to fresh weight ratios of 3∶6∶1, 3∶5∶2, 3∶4∶3, 3∶3∶4 and 3∶2∶5, respectively. The fermentation quality, nutrient contents and microbial diversity of silage were analyzed after silage at room temperature for 40 days. The results showed as follows: 1) with the increase of the mixed proportion of passion fruit vine, the pH and the contents of ammonia nitrogen (NH3-N) and butyric acid (BA) in silage showed an increasing trend, and the pH in 3∶6∶1 group was the lowest, which was significantly lower than that in the other groups except 3∶5∶2 group (P<0.05); the contents of NH3-N and BA in 3∶6∶1 group were significantly lower than those in the other groups (P<0.05). In addition, the Flieg point evaluation of silage in all groups was good, and the Flieg point in 3∶6∶1 group was the highest. 2) With the increase of the mixed proportion of passion fruit vine, the contents of dry matter (DM) and crude protein (CP) in silage showed an increasing trend, the DM content in 3∶2∶5 group was significantly higher than that in 3∶6∶1 and 3∶5∶2 groups (P<0.05), and the CP content was significantly higher than that in the other groups except 3∶3∶4 group (P<0.05); the contents of neutral detergent fiber (NDF) and acid detergent fiber (ADF) in silage showed a decreasing trend, the NDF content in 3∶6∶1 group was significantly higher than that in the other groups (P<0.05), and the ADF content was significantly higher than that in 3∶3∶4 and 3∶2∶5 groups (P<0.05). 3) With the increase of the mixed proportion of passion fruit vine, the Shannon index of microbial community in silage showed a decreasing trend, and the Shannon index in 3∶6∶1 group was significantly higher than that in 3∶2∶5 group (P<0.05); the Ace index of microbial community in silage was firstly increased and then decreased, and the Ace index in 3∶5∶2 group was significantly higher than that in 3∶3∶4 and 3∶2∶5 groups (P<0.05). After silage, the dominant bacteria in 3∶6∶1, 3∶5∶2 and 3∶2∶5 groups at phylum and genus levels were Firmicutes and Lactobacillus, while the dominant bacteria in 3∶4∶3 and 3∶3∶4 groups at phylum and genus levels were Proteobacteria and Pantoea, respectively. In conclusion, the fermentation effects on silage in 3∶6∶1 group is the best, and the recommended mixing ratio of pineapple peel, king grass and passion fruit vine is 3∶6∶1 in silage production.

饲料资源短缺和商品牧草价格高是制约我国反刍动物生产快速发展的主要因素,解决饲料资源不足现状、提供高质量饲草料的重要途径之一是合理、有效地利用非常规饲料[1],特别是作为非常规饲料之一的农副产品,其具有种类数量多、获取成本低、营养丰富等特点,是潜在的商品牧草的理想替代品[2]。大多数农副产品季节性强,作为饲料当季直接使用,利用量有限,且自身因水分含量高而容易腐烂,不宜不经加工处理而长时间直接保存[3],这导致它们多被丢弃或作为燃料焚烧,造成环境污染和资源浪费。在农副产品饲料化调制利用方面的探索已表明,将各种农副产品与其他饲草料混合制成青贮饲料是农副产品资源再利用和降低其处理成本的一种有效方法[4-6]
海南地处我国最南端,特殊的地理位置、独特的气候条件、丰富的种质资源以及悠久的种植历史,使海南成为我国热带水果栽培和供应的主要基地,种植面积大且种类繁多。菠萝(Ananas comosus)和百香果(Passiflora edulis)是目前海南种植的主要和新兴水果种类,据统计2020年菠萝在海南的种植面积为1.63×104 hm2,产量约4.67×105 t[7];2018年百香果种植面积为8.67×102 hm2,产量约2.4×104 t[8]。同时,菠萝和百香果在我国广东、福建、云南、广西和台湾等地区也有广泛种植,已成为我国热带、亚热带地区农民增产增收的主要途径之一[9]。菠萝除了鲜果消费外,大部分用于菠萝罐头或果汁加工,在消费和加工过程中产生的菠萝皮渣等副产品的比例高达50%~60%,这些副产品绝大部分被作为废弃物直接丢弃在垃圾箱或田间地头[10];而百香果在种植期间进行修枝整形时会产生大量果藤,采收的百香果生食或加工成饮料后又会产生大量果皮,长期以来,这些果藤和果皮作为农副产品废弃物一直未得到充分利用。张耀等[11]研究表明,百香果的果皮和果藤具有较高的瘤胃降解率,干物质(dry matter,DM)有效降解率分别为51.61%和56.00%,中性洗涤纤维(neutral detergent fiber,NDF)有效降解率分别为46.19%和44.78%,高于一般的粗饲料,可作为优质的非常规饲料原料。Jetana等[12]研究也指出,菠萝皮营养丰富,富含粗蛋白质(crude protein,CP)、可溶性糖、纤维素、钙和磷等多种营养成分,适口性好,可消化性高,是反刍动物潜在的饲料资源。
王草(Pennisetum purpureum×Pennisetum americanum)是热带、亚热带地区广泛种植的优质栽培牧草,收获时常被调制为青贮饲料以缓解冬春季节动物生产与饲草生产的矛盾,但王草原料可溶性糖含量较低,单独青贮发酵品质不佳[13],因此常常与其他富含糖分的原料混合或通过添加乳酸菌(lactic acid bacteria,LAB)青贮以提高其发酵品质。王坚等[14]研究表明,王草与菠萝皮混合青贮显著提高了乳酸(lactic acid,LA)含量,降低了pH和氨态氮(ammonia nitrogen,NH3-N)/总氮(total nitrogen,TN)值,提高了王草的青贮品质。Shah等[15]研究指出,添加LAB处理能够显著降低王草青贮饲料的pH,降低丁酸(butyric acid,BA)和NH3-N含量,提高LA和总挥发性脂肪酸含量,提高王草的青贮品质。目前,有关热带、亚热带地区的果类农副产品与牧草混合青贮的研究报道较少,特别是将菠萝皮、百香果藤等农副产品与王草混合青贮利用以减少资源浪费、提供更多优质饲料方面的研究尚未见报道。因此,本研究以菠萝皮、王草和百香果藤为青贮原料,设置不同比例将其混合青贮,探究三者在不同比例混合时的青贮品质并分析混合青贮饲料的微生物多样性差异,为热带、亚热带地区农副产品资源饲料化和牧草高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所采用的原料热研4号王草于2020年6月在海南大学试验基地(20°06'N,110°32'E)种植,经常规管理生长至1.7~2.0 m时于2021年11月20日刈割后带回实验室备用;菠萝皮为当地水果市场收集的新鲜样;百香果藤是由海南省文昌市百香果种植基地提供的新鲜藤蔓。

1.2 青贮调制方法

将3种供试青贮原料用铡刀切短至2~3 cm,分别取鲜样进行营养成分和附着微生物主要类群分析。根据前期研究[14]将菠萝皮在混合青贮原料中的所占比例定为30%,然后逐步减少王草的混合比例而相对增加百香果藤的混合比例,共设置5个混合青贮处理,其中菠萝皮、王草和百香果藤按质量比分别为3∶6∶1、3∶5∶2、3∶4∶3、3∶3∶4以及3∶2∶5。青贮原料以不同比例混和均匀后分别装入20 cm×30 cm的聚乙烯青贮袋,每袋250 g,采用真空密封机进行真空密封,室温下青贮40 d,每个处理3个重复。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 鲜样附着微生物主要类群数量分析

采用平板培养法[16]对微生物进行计数。取鲜样各10 g分别放入200 mL锥形瓶中,加入100 mL蒸馏水,以120 r/min在摇床中匀质15 min,再进行连续梯度(10-1~10-7)稀释。然后将各梯度悬浊液分别在37 ℃厌氧条件下用MRS琼脂培养基培养24 h后计算LAB数量,在30 ℃有氧条件下用马铃薯葡萄糖琼脂培养基培养48 h后计算酵母菌和霉菌数量,在37 ℃有氧条件下用紫红胆盐葡萄糖琼脂培养基培养72 h后计算好氧性细菌(aerobic bacteria,AB)数量。

1.3.2 混合青贮饲料发酵品质测定

青贮40 d后打开青贮袋,将样品充分混匀,取20 g样品置入200 mL锥形瓶中,加入70 mL蒸馏水,放置于4 ℃冰箱中浸提24 h后,采用滤纸和双层纱布过滤出浸提液,然后先用便携式pH计(CT-6020,深圳市柯迪达电子有限公司)测定浸提液pH,再将浸提液装在100 mL塑料瓶中置入-20 ℃冰箱中保存,用于后续发酵品质的测定。参考Zhao等[17]的方法采用高效液相色谱仪(岛津LC-20A)测定浸提液中的LA、乙酸(acetic acid,AA)、丙酸(propionic acid,PA)和BA含量;测定条件为:色谱柱Carbomix H-NP,测定流速0.6 mL/min,测定温度55 ℃,紫外检测波长210 nm,送样体积10 μL。NH3-N含量采用苯酚-次氯酸钠比色法[18]测定。

1.3.3 原料和混合青贮饲料营养成分含量测定

分别取3种试验原料鲜样各100 g,并取混合青贮饲料150 g,先在105 ℃恒温鼓风干燥箱杀青1 h,然后在65 ℃下烘至恒重,称重测得DM含量。烘干后的样品分别粉碎、过1 mm筛后装入封口袋中保存,用于测定样品的营养成分含量,其中CP含量采用凯氏定氮法(K9860型凯氏定氮仪,山东海能科学仪器有限公司)测定,NDF和酸性洗涤纤维(acid detergent fiber,ADF)含量采用Van Soest等[19]的方法测定,水溶性碳水化合物(water soluble carbohydrate,WSC)含量采用蒽酮-硫酸法[20]测定。

1.3.4 混合青贮饲料微生物多样性分析

参考龙仕和等[13]的方法,打开发酵40 d后的青贮袋,先均匀混合袋内的青贮饲料,再从混合均匀的样品中取20 g青贮饲料放入锥形瓶中,加入180 mL去离子水后,将锥形瓶在37 ℃、140 r/min的恒温摇床上均质15 min,然后用4层纱布过滤得到混合青贮饲料的浸提液。取50 mL浸提液以8 000 r/min离心15 min,弃上清液,使用1 mL无菌磷酸盐缓冲液(phosphate buffer solution,PBS)将剩余的沉淀冲洗并收集在1.5 mL离心管中,保存于-80 ℃冰箱中,用于总DNA提取。
采用DNA试剂盒[DP302-02,天根生化科技(北京)有限公司]提取青贮饲料中微生物的总DNA,然后采用引物341F(5'-CCTACGGGNGGCWGCAG-3')和806R(5'-GGACTACHVGGGTATCTAAT-3')获得细菌V3~V4高变异区16S rRNA基因。扩增产物回收和定量后,采用Illumina公司的TruSeqTM DNA Sample Prep Kit制备测序文库,并采用MiSeq测序仪进行2×300 bp的双端测序并对结果进行分析,测序以及结果分析由上海美吉生物医药科技有限公司协助完成。

1.4 数据处理与统计分析

参考Kilic[21]提出的公式计算混合青贮饲料的品质得分(Flieg point),计算公式为:

品质得分=220+[(2×DM(%)-15]-40×pH。

品质得分<20表示青贮饲料品质极差,品质得分为21~40表示青贮饲料品质差,品质得分为41~60表示青贮饲料品质中等,品质得分为61~80表示青贮饲料品质好,品质得分为81~100表示青贮饲料品质非常好。
采用Mothur软件计算青贮饲料中微生物的α多样性指数,包括香农指数、Chao指数、Ace指数和辛普森指数,并采用R软件对微生物组成进行作图。采用Excel 2016软件初步整理试验数据,并采用SPSS 25.0软件对发酵品质和营养成分含量等指标进行单因素方差分析(one-way ANOVA),差异显著者采用Duncan氏法进行多重比较。结果以“平均值±标准差(mean±SD)”表示,P<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 青贮原料营养成分与附着微生物主要类群数量

表1可知,3种青贮原料中,王草、百香果藤和菠萝皮的DM含量分别为256.74、240.51和129.38 g/kg FM。青贮原料中,百香果藤的CP含量最高(178.82 g/kg DM),菠萝皮和王草的CP含量相近(61.25 g/kg DM vs. 63.83 g/kg DM);王草的WSC含量最低(42.86 g/kg DM),菠萝皮的WSC含量最高(132.68 g/kg DM);王草的NDF和ADF含量均为最高(分别为724.36和410.67 g/kg DM),菠萝皮的NDF和ADF含量均为最低(分别为277.67和112.63 g/kg DM)。王草和百香果藤附着的LAB、酵母菌和AB数量均小于5.00 lg(CFU/g FM),菠萝皮附着的的LAB和酵母菌数量分别为6.67和6.47 lg(CFU/g FM)。
表1 青贮原料营养成分与附着微生物主要类群数量

Table 1 Nutrient composition and number of main attached microbial taxa of silage raw materials

项目
Items
菠萝皮
Pineapple peel
王草
King grass
百香果藤
Passion fruit vine
营养成分Nutrient composition
干物质DM/(g/kg FM) 129.38±2.38 256.74±2.73 240.51±4.85
粗蛋白质CP/(g/kg DM) 61.25±1.16 63.83±1.74 178.82±2.31
水溶性碳水化合物WSC/(g/kg DM) 132.68±5.18 42.86±2.68 74.25±1.89
中性洗涤纤维NDF/(g/kg DM) 277.67±17.31 724.36±23.51 522.28±21.11
酸性洗涤纤维ADF/(g/kg DM) 112.63±6.07 410.67±20.03 342.67±13.32
附着微生物主要类群数量Number of main attached microbial taxa/[lg(CFU/g FM)]
乳酸菌LAB 6.67±0.03 4.50±0.39 4.87±0.05
酵母菌Yeast 6.47±0.01 4.62±0.16 4.71±0.07
好氧性细菌AB 4.64±0.12 4.16±0.18 4.94±0.05

2.2 菠萝皮、王草和百香果藤不同混合比例对青贮饲料发酵品质的影响

表2可知,青贮饲料的pH随百香果藤混合比例的提高而呈现逐渐升高的趋势,其中3∶2∶5组pH显著高于其他各组(P<0.05),3∶5∶2组pH与3∶6∶1组、3∶4∶3组和3∶3∶4组之间均无显著差异(P>0.05),但3∶4∶3组和3∶3∶4组pH均显著高于3∶6∶1组(P<0.05)。青贮饲料的LA、AA和PA含量随百香果藤混合比例的提高均呈现先升高后降低的趋势,且这3个指标的最大值均出现在3∶3∶4组,其中3∶3∶4组LA含量显著高于3∶6∶1组和3∶2∶5组(P<0.05);各组AA含量无显著差异(P>0.05),平均值为18.85 g/kg DM;3∶3∶4组PA含量与3∶5∶2组、3∶4∶3组和3∶2∶5组无显著差异(P>0.05),但显著高于3∶6∶1组(P<0.05)。青贮饲料的NH3-N和BA含量随百香果藤混合比例的提高而呈现逐渐升高的趋势,其中3∶5∶2组、3∶4∶3组和3∶3∶4组之间NH3-N含量差异不显著(P>0.05),均显著高于NH3-N含量最低的3∶6∶1组(P<0.05),且均显著低于NH3-N含量最高的3∶2∶5组(P<0.05);3∶2∶5组BA含量最高,显著高于除3∶3∶4组外的其他各组(P<0.05),且3∶5∶2组和3∶4∶3组BA含量显著高于含量最低的3∶6∶1组(P<0.05)。
表2 菠萝皮、王草和百香果藤不同混合比例对青贮饲料发酵品质的影响

Table 2 Effects of different mixing ratios of pineapple peel, king grass and passion fruit vine on fermentation quality of silage

混合比例
Mixing ratios
pH 氨态氮
NH3-N/
(g/kg TN)
乳酸
LA/
(g/kg DM)
乙酸
AA/
(g/kg DM)
丙酸
PA/
(g/kg DM)
丁酸
BA/
(g/kg DM)
3∶6∶1 4.15±0.04c 96.03±2.10c 30.67±3.53b 17.20±0.77 1.71±0.03b 1.68±0.26c
3∶5∶2 4.21±0.05bc 101.65±1.76b 34.51±3.09ab 17.83±3.43 2.06±0.51ab 2.32±0.16b
3∶4∶3 4.28±0.05b 103.84±2.41b 36.85±0.90a 20.93±10.24 2.90±0.79a 2.62±0.18b
3∶3∶4 4.33±0.10b 103.98±2.30b 36.96±1.21a 21.58±1.69 3.06±0.72a 3.24±0.17a
3∶2∶5 4.48±0.06a 115.71±1.37a 30.41±2.84b 16.71±2.12 2.28±0.20ab 3.58±0.19a

同列数据肩标相同字母或无字母表示差异不显著(P>0.05),不同字母表示差异显著(P<0.05)。下表同。

In the same column, values with the same letter or no letter superscripts mean no significant difference (P>0.05), while with different letter superscripts mean significant difference (P<0.05). The same as below.

2.3 菠萝皮、王草和百香果藤不同混合比例对青贮饲料营养成分含量的影响

表3可知,青贮饲料的DM和CP含量随百香果藤混合比例的提高而呈现逐渐升高的趋势,其中3∶6∶1组DM含量最低为197.32 g/kg FM,3∶5∶2组DM含量与3∶6∶1组、3∶4∶3组和3∶3∶4组之间均无显著差异(P>0.05),但3∶4∶3组和3∶3∶4组DM含量均显著高于3∶6∶1组(P<0.05),二者的平均值为220.92 g/kg FM;3∶2∶5组DM含量最高为232.22 g/kg FM,但与3∶4∶3组和3∶3∶4组之间无显著差异(P>0.05),分别比3∶6∶1组和3∶5∶2组显著提高了17.69%和11.02%(P<0.05)。3∶2∶5组CP含量分别比3∶6∶1组、3∶5∶2组和3∶4∶3组显著提高了62.89%、45.87%和21.74%(P<0.05),但与3∶3∶4组之间无显著差异(P>0.05)。各组之间青贮饲料的WSC含量无显著差异(P>0.05),平均值为14.67 g/kg DM,但NDF和ADF含量随百香果藤混合比例的提高均呈现逐渐降低的趋势,其中3∶6∶1组NDF含量显著高于其他组(P<0.05),3∶5∶2组和3∶4∶3组之间NDF含量无显著差异(P>0.05),但均显著高于3∶3∶4组和3∶2∶5组(P<0.05),而3∶3∶4组和3∶2∶5组之间NDF含量无显著差异(P>0.05);3∶6∶1组、3∶5∶2组和3∶4∶3组之间ADF含量不显著差异(P>0.05),均显著高于3∶3∶4组和3∶2∶5组,且3∶3∶4组和3∶2∶5组之间ADF含量也无显著差异(P>0.05)。
表3 菠萝皮、王草和百香果藤不同混合比例对青贮饲料营养成分含量的影响

Table 3 Effects of different mixing ratios of pineapple peel, king grass and passion fruit vine on nutrient contents of silage

混合比例
Mixing ratios
干物质
DM/(g/kg FM)
粗蛋白质
CP/(g/kg DM)
水溶性碳水化合物
WSC/(g/kg DM)
中性洗涤纤维
NDF/(g/kg DM)
酸性洗涤纤维
ADF/(g/kg DM)
3∶6∶1 197.32±4.02c 73.19±2.63d 14.42±1.05 657.41±2.21a 449.64±16.53a
3∶5∶2 209.17±15.78bc 81.73±5.80c 14.56±1.45 637.81±8.21b 448.07±12.95a
3∶4∶3 220.65±3.59ab 97.93±2.19b 14.97±0.80 635.46±2.64b 439.62±7.24a
3∶3∶4 221.19±9.17ab 117.78±3.82a 14.67±1.74 598.67±6.11c 424.67±22.74b
3∶2∶5 232.22±3.78a 119.22±4.24a 14.71±0.38 596.15±4.20c 421.50±7.85b

2.4 菠萝皮、王草和百香果藤不同混合比例对青贮饲料品质得分的影响

图1所示,各组混合青贮饲料品质得分均在70分以上,但品质得分随百香果藤混合比例的提高而呈现逐渐降低的趋势。其中,3∶6∶1组品质最高,为78.46分;3∶2∶5组品质得分最低,为72.24分,其余各组品质得分处于两者之间,所有组之间品质得分差异均不显著(P>0.05)。
图1 菠萝皮、王草和百香果藤不同混合比例对青贮饲料品质得分的影响

数据柱标记相同字母或无字母表示差异不显著(P>0.05),不同字母表示差异显著(P<0.05)。图2同。

Fig.1 Effects of different mixing ratios of pineapple peel, king grass and passion fruit vine on Flieg point of silage

Value columns with the same letter or no letters mean no significant difference (P>0.05), while with different letters mean significant difference (P<0.05). The same as Fig.2.

2.5 菠萝皮、王草和百香果藤不同混合比例对青贮饲料微生物多样性的影响

2.5.1 青贮饲料微生物α多样性分析

图2-A所示,青贮饲料微生物群落香农指数随百香果藤混合比例的提高而呈现逐渐降低的趋势,其中3∶6∶1组香农指数最高,与香农指数最低的3∶2∶5组之间差异显著(P<0.05),但与3∶5∶2组、3∶4∶3组和3∶3∶4组之间差异均不显著(P>0.05)。如图2-B所示,随着百香果藤混合比例的提高,青贮饲料微生物群落Ace指数呈现先升高后降低的趋势,且这2个指标的最大值均出现在3∶5∶2组,其中3∶5∶2组Ace指数与3∶6∶1组和3∶4∶3组之间差异不显著(P>0.05),但与3∶3∶4组和3∶2∶5组之间差异显著(P<0.05),3∶6∶1组、3∶4∶3组、3∶3∶4组和3∶2∶5组之间Ace指数差异均不显著(P>0.05)。如图2-C图2-D所示,各组之间Chao指数和辛普森指数差异均不显著(P>0.05)。
图2 菠萝皮、王草和百香果藤不同混合比例对青贮饲料微生物α多样性的影响

Fig.2 Effects of different mixing ratios of pineapple peel, king grass and passion fruit vine on microbial α diversity in silage

2.5.2 青贮饲料微生物在门水平上的组成

图3所示,各组青贮饲料微生物优势菌门均为厚壁菌门(Firmicutes)和变形菌门(Proteobacteria),两者相对丰度共占整个样本门水平的97%~98%,其中3∶6∶1组、3∶5∶2组和3∶2∶5组厚壁菌门相对丰度较高,分别为55.28%、53.28%和55.50%;而3∶4∶3组和3∶3∶4组变形菌门相对丰度较高,分别为52.69%和57.73%。除此之外,青贮饲料中拟杆菌门(Bacteroidota)、放线菌门(Actinobacteriota)和绿弯菌门(Chloroflexi)也有少量存在,且相对丰度随百香果藤混合比例的提高而逐渐降低。
图3 菠萝皮、王草和百香果藤不同混合比例对青贮饲料微生物在门水平上组成的影响

Fig.3 Effects of different mixing ratios of pineapple peel, king grass and passion fruit vine on microbial composition in silage at phylum level

2.5.3 青贮饲料微生物在属水平上的组成

图4所示,各组青贮饲料中共检测出14种不同的菌属(相对丰度>0.1%)。菠萝皮、王草和百香果藤混合青贮饲料的微生物群落结构复杂,主要由乳杆菌属(Lactobacillus)(18.70%~34.56%)、泛菌属(Pantoea)(22.13%~31.89%)、克雷伯氏菌属(Klebsiella)(11.52%~18.73%)和片球菌属(Pediococcus)(7.85%~13.13%)等菌属组成,其中乳杆菌属和泛菌属为各组的优势菌属。其中,3∶6∶1组、3∶5∶2组和3∶2∶5组乳杆菌属相对丰度较高,分别为30.03%、34.56%和28.08%;而3∶4∶3组和3∶3∶4组泛菌属相对丰度较高,分别为27.65%和31.89%。
图4 菠萝皮、王草和百香果藤不同混合比例对青贮饲料微生物在属水平上组成的影响

Fig.4 Effects of different mixing ratios of pineapple peel, king grass and passion fruit vine on microbial composition in silage at genus level

2.5.4 青贮饲料微生物与发酵品质和营养成分含量的相关性

采用冗余分析(redundancy analysis,RDA)对菠萝皮、王草和百香果藤混合青贮饲料的微生物与发酵品质和营养成分含量之间的相关性进行分析,结果如图5所示。基于属水平上,青贮饲料中相对丰度前5的微生物与发酵品质和营养成分含量的相关性表明:乳杆菌属相对丰度与AA、CP和NH3-N含量等呈正相关,与ADF、DM、PA、WSC含量以及pH等呈负相关;泛菌属相对丰度与PA和LA含量呈强正相关,与pH以及CP、AA、BA、NH3-N和DM含量等呈正相关,与ADF、WSC和NDF含量呈负相关;克雷伯氏菌属相对丰度与PA、LA、BA、DM、AA和NH3-N含量以及pH等呈正相关,与NDF、ADF和WSC含量呈负相关;魏斯氏菌属相对丰度与pH和CP含量等呈强正相关,与LA、PA、AA、NH3-N、DM和BA含量呈正相关,与NDF、ADF和WSC含量等呈负相关;片球菌属相对丰度与NDF、ADF和WSC含量呈正相关,与DM、LA、PA、CP、NH3-N、BA和AA含量以及pH等呈正相关。
图5 青贮饲料微生物与发酵品质和营养成分含量的相关性

Lactobacillus:乳杆菌属;Pantoea:泛菌属;Klebsiella:克雷伯氏菌属;Pediococcus:片球菌属;Weissella:魏斯氏菌属;NH3-N:氨态氮 ammonia nitrogen;LA:乳酸 lactic acid;AA:乙酸 acetic acid;PA:丙酸 propionic acid;BA:丁酸 butyric acid;DM:干物质 dry matter;CP:粗蛋白质 crude protein;WSC:水溶性碳水化合物 water soluble carbohydrate;NDF:中性洗涤纤维 neutral detergent fiber;ADF:酸性洗涤纤维 acid detergent fiber。

Fig.5 Correlation between microorganisms and fermentation quality and nutrient content of silage

3 讨论

3.1 青贮原料的特性

本试验中,王草原料的DM含量为256.74 g/kg FM,高于龙仕和等[13]和Zi等[22]的报道;王草原料的CP含量为63.83 g/kg DM,低于龙仕和等[13]和韩建成等[23]的报道;菠萝皮原料的DM含量为129.38 g/kg FM,低于王坚等[24]和全林发等[25]的报道;百香果藤原料的DM含量为240.51 g/kg FM,低于张耀等[11]的报道;百香果藤原料的CP含量为178.82 g/kg DM,高于张耀等[11]和De Azevedo等[26]的报道。
以上这些差异可能与原材料生长气候、施肥条件以及收获时期不同等因素有关[27]。此外,新鲜王草原料的WSC含量(42.86 g/kg DM)低于良好青贮保存的阈值(60~70 g/kg DM)[28],而菠萝皮和百香果藤原料的WSC含量高于该阈值,这表明将菠萝皮和百香果藤与王草混合青贮可能有助于提高青贮饲料品质。王坚等[24]研究发现,将菠萝皮与柱花草进行混合青贮,与柱花草单独青贮相比,混合菠萝皮青贮后增加了LAB的发酵底物,显著提高了LA含量,降低了pH、丁酸和NH3-N/TN值,从而提高了青贮饲料的发酵品质。吕仁龙等[29]在木薯茎叶中菠萝皮青贮,发现可以有效提升青贮品质以及DM消化率。

3.2 菠萝皮、王草和百香果藤不同混合比例对青贮饲料发酵品质的影响

pH是评价青贮饲料发酵品质的主要指标之一,一般认为保存良好的青贮饲料pH低于4.2[30]。本试验中,除3∶6∶1组外,其他组青贮饲料pH均高于4.2,其中3∶6∶1组和3∶5∶2组差异不显著,3∶5∶2组、3∶4∶3组和3∶3∶4组彼此之间差异不显著。青贮饲料的pH与LA含量以及青贮材料的缓冲能力相关[31],本试验中的百香果藤原料CP含量高,缓冲能力较高,能减缓青贮饲料pH的下降,这可能是3∶2∶5组pH相对较高的原因。WSC含量也是影响青贮饲料发酵品质的因素之一,较高含量的WSC可为LAB发酵提供充分的底物,从而快速降低青贮饲料pH,抑制有害微生物的繁殖。但本试验中,青贮结束后pH仍然较高(pH>4.2),表明部分WSC可能被植物细胞呼吸作用和好氧微生物活动所消耗[26]。一般认为,LAB的数量超过5.0 lg(CFU/g FM)是优质青贮饲料发酵的必要条件[32]。本试验中,王草和百香果藤附生的LAB数量仅为4.50和4.87 lg(CFU/g FM),低于5.0 lg(CFU/g FM),这可能导致发酵过程中LA的形成缓慢。BA含量与梭状芽孢杆菌相关,可能会导致青贮饲料的营养物质及能量流失,使反刍动物青贮饲料利用率下降[33]。一般来说,保存较好的青贮饲料中BA含量低于2 g/kg DM[34]。本试验中,青贮结束后,除3∶6∶1组外,其他组BA含量均高于2 g/kg DM,可能是由于青贮原料的DM含量较低(129.38~256.74 g/kg FM),含水量高容易导致梭状芽孢杆菌的发酵,从而产生BA,影响青贮饲料的发酵品质[35-36];也可能是由于青贮原料的CP含量较高,具有较高的缓冲能力,使青贮饲料pH下降缓慢,无法及时抑制梭状芽孢杆菌的生长,从而产生BA。
NH3-N含量的高低反映青贮饲料中CP分解的程度。一般认为保存较好的青贮饲料的NH3-N含量应小于100 g/kg TN[32]。本试验中,除3∶6∶1组外,其他组NH3-N含量均高于100 g/kg TN,说明青贮饲料中有大部分蛋白质被分解。此外,青贮饲料NH3-N含量随百香果藤混合比例的提高而逐渐升高,这可能是由于百香果藤CP含量高,缓冲能力高,导致青贮前期pH下降较慢,因此不能及时抑制有害微生物生长而使蛋白质分解加剧;还有可能是由于百香果藤原料中CP含量高,也因此可能含有更多易于被微生物降解的蛋白质,使得随着百香果藤混合比例的提高,导致更多的蛋白质被降解从而提高NH3-N含量。亦有研究表明,菠萝皮内含有蛋白质降解酶,会导致部分蛋白质的降解[37]

3.3 菠萝皮、王草和百香果藤不同混合比例对青贮饲料营养成分含量的影响

NDF影响动物的采食量,NDF含量高的青贮饲料适口性较差,家畜采食量低。ADF则影响青贮饲料的消化率,ADF含量高,青贮饲料的消化率低,家畜不易消化。因此可以说在一定程度内,NDF和ADF含量越低青贮饲料品质越好[38-39]。本试验中,随着百香果藤混合比例的提高,青贮饲料ADF和NDF含量逐渐降低,表明王草与百香果藤混合青贮可能有助于提高青贮饲料的适口性。青贮饲料的CP含量是评价青贮饲料营养价值的重要指标[40-41]。本试验中,随着百香果藤混合比例的提高,青贮饲料的CP含量显著提高,这是因为百香果藤原料含有较高含量的CP。此外,青贮结束后所有组青贮饲料WSC含量较低,从反刍动物营养的角度来看,较低含量的WSC残留是不利的,因为WSC可以被瘤胃快速消化吸收[42],但如果没有足够的乙酸盐或丙酸盐存在,在开窖饲喂期间青贮饲料中滋生酵母菌腐败的风险也会更高[32]

3.4 菠萝皮、王草和百香果藤不同混合比例对青贮饲料微生物多样性的影响

细菌群落与青贮质量直接相关,因为青贮过程取决于多种细菌的相互作用[43]。香农指数和辛普森指数均反映微生物群落的多样性,香农指数值越大表明样品的微生物多样性越高,辛普森指数值越大表明微生物多样性越低;而Chao指数和Ace指数均反映微生物群落的物种丰富度,Chao指数和Ace指数越高表明微生物物种丰富度越高[44]。本试验中,3∶5∶2组Chao指数和Ace指数均高于其他组,说明3∶5∶2组微生物群落物种丰富度较高。香农指数随百香果藤混合比例的提高而呈现下降的趋势,说明混合青贮饲料的微生物多样性降低。在良好的青贮发酵过程中,LAB逐渐主导发酵,青贮饲料的微生物多样性逐渐减少[32],这可能是本试验混合青贮中细菌多样性降低的原因。
本试验中,从门水平上看,厚壁菌门和变形菌门在所有组微生物群落中占主导地位。Wayne等[45]报道,当优势菌丰富时,微生物群落的多样性就会下降。厚壁菌门中的细菌多数属于革兰氏阳性菌,可以降解纤维、淀粉等物质;而变形菌门是革兰氏阴性菌,包括大肠杆菌和沙门杆菌等,与LAB形成竞争,影响青贮饲料的发酵品质[46]
从属水平上看,所有组的优势菌属为乳杆菌属和泛菌属,乳杆菌属作为厚壁菌门的一员,在青贮过程中起着至关重要的作用,它可以发酵碳水化合物,产生LA,制造一个不适宜腐败微生物繁殖的环境[47]。而乳球菌属(Lactococcus)相对丰度较低,可能是由于它的耐酸性不如乳杆菌属,随着青贮饲料pH的下降,逐渐被耐酸能力强的乳杆菌属替代。本试验中,3∶6∶1组和3∶5∶2组乳杆菌属相对丰度较高,这可能是3∶4∶3组和3∶3∶4组青贮结束后比3∶6∶1组和3∶5∶2组pH相对较高的原因。而3∶2∶5组虽然乳杆菌属相对丰度也较高,但3∶2∶5组CP含量也较高,缓冲能力高,因此青贮结束后仍有较高的pH。
McAllister等[48]研究表明,微生物群落与发酵品质之间存在一定的相关性。本试验中,乳杆菌属相对丰度与PA含量呈负相关,在意大利黑麦草和紫花苜蓿的发酵中也发现了LAB类似的作用[49-50]。有报道称,泛菌属相对丰度与青贮饲料pH、NH3-N含量以及酵母菌和霉菌数量呈负相关[51];He等[52]提出泛菌属可能有助于降低青贮饲料中的NH3-N含量。本试验中,泛菌属相对丰度与pH和NH3-N含量均呈正相关,与上述研究结果相反,这一现象的原因尚不清楚,需要进一步研究。总得来说,微生物群落通过影响LA、PA和BA含量以及pH等影响青贮饲料的发酵品质,并且他们之间的影响是相互的。

4 结论

本试验所有混合青贮饲料的品质得分评价均为好,其中3∶6∶1组品质得分最高,3∶2∶5组品质得分最低;3∶6∶1组pH(4.15)、BA含量(1.68 g/kg DM)和NH3-N含量(96.03 g/kg TN)最低,综合评定3∶6∶1组青贮饲料发酵效果最好,因此在青贮生产实践中推荐菠萝皮、王草和百香果藤的混合比例为3∶6∶1。
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