青貯飼料中乳酸菌的作用
青貯飼料(silage)是把新鮮的青飼料如玉米秸稈、根莖類飼料、栽培牧草等經(jīng)切碎并壓緊在青貯窖或青貯塔中，密封后，經(jīng)過微生物的發(fā)酵作用而調(diào)制成的一種多汁、耐貯藏、能供家畜全年食用的飼料，這種調(diào)制飼料的方法稱為青貯。其原理是利用青貯原料上存在的乳酸菌等微生物，通過厭氧呼吸將青貯原料中的碳水化合物轉(zhuǎn)化成有機酸，使pH值降到3.8～4.2，抑制有害菌的生長，從而實現(xiàn)長期保存飼料及其營養(yǎng)物質(zhì)的目的。同時，微生物的活動使青貯飼料帶有芳香酸甜的味道，提高了家畜的適口性。早在20世紀(jì)，國內(nèi)外就出現(xiàn)了大量關(guān)于玉米青貯中乳酸菌的研究，最初的研究重點集中在青貯飼料乳酸菌的發(fā)酵機理、青貯各個階段乳酸菌數(shù)量的變化和營養(yǎng)物質(zhì)的損失，但具體是哪一種乳酸菌起到何種作用，乳酸菌與其他微生物之間的關(guān)系以及青貯發(fā)酵過程中各種微生物產(chǎn)生的抑制或促進其他微生物生長的物質(zhì)還了解甚少。同時，要想提高動物的飼喂效果，就必須在了解青貯基本原理的基礎(chǔ)上，提高青貯飼料的品質(zhì)，縮短青貯的時間，控制二次發(fā)酵。目前，國內(nèi)外的研究主要集中在乳酸菌接種劑對青貯飼料的發(fā)酵時間、溫度、pH值和品質(zhì)的影響，以及不同原料青貯過程中乳酸菌種類及微生物多樣性、二次發(fā)酵的主要原因、促進青貯飼料的有氧穩(wěn)定性、縮短發(fā)酵時間、尋求理想的發(fā)酵品質(zhì)以及乳酸菌發(fā)酵終產(chǎn)物是什么等問題的研究。這些研究仍在繼續(xù)，但都沒有形成確切而成型的理論。到目前為止，人們對乳酸菌產(chǎn)生的抗菌物質(zhì)和芳香物質(zhì)是什么以及產(chǎn)生過程等問題仍涉及較少。
1乳酸菌在青貯過程中的作用
1.1產(chǎn)酸及其他物質(zhì)
根據(jù)乳酸菌發(fā)酵糖生成乳酸能力的不同，將乳酸菌分為兩類，一類是同型發(fā)酵乳酸菌，另一類是異型發(fā)酵乳酸菌。玉米青貯飼料中同型乳酸菌利用葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)生乳酸以及部分乙酸、甲酸和丙酸，使pH值迅速下降到4.0左右，從而抑制其他各種微生物的活動，當(dāng)pH值下降至3.8時，乳酸菌本身的生長也受到抑制，青貯飼料中的生物化學(xué)過程也會停止。如果在發(fā)酵過程中乳酸菌不能迅速成為優(yōu)勢菌群，則大量腐敗的微生物迅速生長，影響青貯飼料的品質(zhì)，因此，向青貯原料中添加乳酸菌，可增加青貯原料中乳酸菌的數(shù)量，使得乳酸菌迅速成為優(yōu)勢菌群，從而提高飼料的營養(yǎng)價值和品質(zhì)。但近年來的很多研究表明，單獨添加單一的乳酸菌，如植物乳桿菌等同型發(fā)酵乳酸菌，增加了乳酸產(chǎn)生的濃度，增加了霉菌和酵母菌生長的底物，加快了青貯飼料在空氣中的敗壞時間而影響青貯品質(zhì)。所以，劉飛用產(chǎn)酸能力較強的玉米乳桿菌和堅強腸球菌制備全株玉米青貯，不但縮短了玉米青貯的時間，而且還顯著提高了玉米青貯的品質(zhì)。且張大偉添加植物乳桿菌和乳酸片球菌混合菌于玉米青貯飼料中，青貯飼料發(fā)酵品質(zhì)較好。青貯飼料中的異型乳酸菌發(fā)酵1分子葡萄糖產(chǎn)生1分子家畜不易代謝的D-型乳酸，轉(zhuǎn)化為乳酸的效率是同型發(fā)酵的17%～50%，并產(chǎn)氣，可造成飼料中營養(yǎng)物質(zhì)的浪費，而且使青貯飼料的酸度下降緩慢，為腐敗菌的增殖提供了條件。有研究表明，同型發(fā)酵乳酸菌在產(chǎn)乳酸和改善青貯飼料品質(zhì)方面比異型乳酸發(fā)酵更有效，而郭旭生等研究表明，乳酸菌中異型發(fā)酵乳酸菌的效果優(yōu)于同型發(fā)酵乳酸菌。也有研究表明，同型乳桿菌與異型乳桿菌混合使用可大大地提高青貯品質(zhì)，其品質(zhì)好于單獨添加一種乳酸菌的青貯。而任付平在青貯過程中添加了含有黑曲霉UV-11、綠色木霉、枯草芽胞桿菌MC7、德氏乳桿菌和酒精酵母5種微生物的固體菌劑作為青貯復(fù)合菌種添加劑，青貯的效果好于單獨添加乳酸菌的處理組。這說明在青貯過程中添加微生物添加劑不僅要考慮乳酸菌添加劑，更應(yīng)考慮各種微生物的頡頏作用，才能最終達到提高青貯品質(zhì)的目的。許多乳酸菌都能進行異型乳酸發(fā)酵，由于利用的碳源不同，其發(fā)酵產(chǎn)物和途徑也有差異。如瑞士乳桿菌可發(fā)酵葡萄糖生成乳酸、乙醇和CO2，發(fā)酵核糖的產(chǎn)物為乳酸和乙酸，也可轉(zhuǎn)化果糖為乳酸、乙酸、CO2和甘露醇。有些乳酸菌如戊糖乳桿菌能發(fā)酵半纖維素酸解產(chǎn)物戊糖，產(chǎn)生乳酸和少量的乙酸，而無CO2生成，所以青貯飼料干物質(zhì)不會損失，并且生成的乙酸還有利于抑制腐敗菌生長。農(nóng)作物在生長過程中本身會分泌大量有機酸，最常見的是檸檬酸和蘋果酸，在青貯過程中，檸檬酸和蘋果酸可被腸桿菌、內(nèi)生細(xì)菌或乳酸菌的好氧代謝轉(zhuǎn)化成乳酸、乙酸、2，3-丁二醇、乙醇等小分子有機酸，同時有大量的CO2生成，造成了干物質(zhì)的損失。乳酸菌還能發(fā)酵檸檬酸形成雙乙酰，但在青貯飼料制備中并沒有發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象。乳酸菌一般沒有蛋白質(zhì)水解能力，青貯過程中蛋白質(zhì)的分解主要由梭狀芽胞桿菌所致。
1.2促進有氧穩(wěn)定性，防止二次發(fā)酵
同型發(fā)酵乳酸菌能利用少量的碳水化合物產(chǎn)生大量乳酸，對飼料有很好的保鮮作用。而Weinberg等用含有植物乳桿菌、糞腸球菌和乳酸片球菌的接種劑接種青貯，結(jié)果由于大量的酵母菌孳生破壞了青貯飼料的有氧穩(wěn)定性。而異型乳酸菌可促進有氧穩(wěn)定性，防止二次發(fā)酵。當(dāng)青貯飼料暴露于空氣中時，同型發(fā)酵乳酸菌植物乳桿菌發(fā)酵產(chǎn)生大量乳酸，而產(chǎn)生的能夠抑制酵母菌、霉菌等生長繁殖的短鏈脂肪酸卻非常少，由于乳酸的產(chǎn)生為乳酸同化型酵母菌提供了生長繁殖所需的底物，從而引起飼料的腐敗和霉變。有研究表明，微生物接種劑接種青貯飼料的效果好于添加糖蜜組，接種微生物接種劑的青貯玉米較對照組和添加糖蜜組更加穩(wěn)定，更能促進有氧穩(wěn)定性，而添加糖蜜處理的玉米青貯可增加乙醇和乳酸的濃度但不能促進有氧穩(wěn)定性。玉米青貯飼料中添加布氏乳桿菌可顯著促進青貯飼料的有氧穩(wěn)定性，有效地防止二次發(fā)酵，延長青貯飼料暴露在空氣中敗壞的時間，為動物飼喂帶來了方便。郭旭生等的研究也證明了這一點。在高濕玉米青貯中添加布氏乳桿菌40788使得青貯中乙酸的含量升高，抑制了酵母菌的生長，從而促進了青貯飼料的有氧穩(wěn)定性。說明布氏乳桿菌可使青貯飼料中乙酸含量增高從而促進有氧穩(wěn)定性。布氏乳桿菌異型發(fā)酵代謝產(chǎn)物中除了乳酸和乙酸外，還有少量的1，2-丙二醇及丙醇二酸，但在青貯發(fā)酵中真正起作用的主要是乙酸，乙酸對腐敗微生物顯示出很強的抑制作用。而Kleinschmit等添加布氏乳桿菌和戊糖片球菌R1094調(diào)制玉米青貯，研究表明，酵母菌的抑制因子是多方面的，其他菌如乙酸菌可能對有氧穩(wěn)定性起作用。也有報道表明，布氏乳桿菌株與酶制劑(如β-葡聚糖苷酶、α-淀粉酶、β-木聚糖酶)、同型發(fā)酵菌株植物乳桿菌、戊糖片球菌混合使用，有氧條件下青貯飼料表面的酵母菌和霉菌數(shù)量明顯降低。異型發(fā)酵中報道較多，且青貯效果最好的是布氏乳桿菌。
1.3產(chǎn)生抗菌物質(zhì)，抑制有害微生物的生長繁殖
乳酸菌產(chǎn)生的抗菌物質(zhì)有乳酸、乙酸、甲酸、丁酸和其他揮發(fā)性短鏈脂肪酸，對酵母和霉菌均有很強的抑制作用，其中，乙酸對酵母菌的生長有抑制作用，對霉菌則無效，而霉菌生長能被山梨酸抑制。短鏈脂肪酸中，丙酸抑制真菌能力最強，對腐敗的酵母和霉菌生長均有抑制作用，且隨著pH值的降低，抑菌能力增強。然而研究發(fā)現(xiàn)，乳酸菌產(chǎn)生的其他代謝產(chǎn)物也有抗菌作用，像2，3-丁二酮、3-羥基丙醛、乙醛、過氧化氫、羥自由基以及肽或蛋白質(zhì)類的細(xì)菌素。植物乳桿菌產(chǎn)生3-苯基乳酸、一些3-羥基脂肪酸和一系列的哌嗪二酮衍生物，其中3-羥基脂肪酸是最有效的抗真菌物質(zhì)，而3-羥基脂肪酸以及哌嗪二酮衍生物的活性較小，但這些物質(zhì)可以有效地抑制有害微生物的生長，如洛克福青霉和煙曲霉的生長。Anders等的試驗研究結(jié)果表明，青貯飼料中產(chǎn)生的乳酸菌代謝物質(zhì)有3-羥基癸酸、2-羥基-4-甲基戊酸、苯甲酸、鄰苯二酚、氫化肉桂酸、水楊酸、3-苯基乳酸、4-羥基苯甲酸、(反式，反式)-3，4-二羥基環(huán)己烷-1-羧酸、P-氫化香豆酸、香草酸、壬二酸、氫化阿魏酸、香豆酸、氫化咖啡酸、阿魏酸和咖啡酸。其中，抗真菌物質(zhì)是3-苯基乳酸和3-羥基癸酸，其他的代謝產(chǎn)物如P-氫化香豆酸、氫化阿魏酸和香豆酸從添加了乳酸菌的青貯飼料中釋放出來。同時，證明了植物乳桿菌在培養(yǎng)基和青貯飼料中產(chǎn)生的抗真菌物質(zhì)相同，但在青貯中還產(chǎn)生其他物質(zhì)。玉米青貯中的乳酸菌可以產(chǎn)生一些具有抑菌或殺菌作用的細(xì)菌素，該物質(zhì)對梭狀芽胞桿菌、葡萄球菌、鏈球菌、李斯特菌等病原菌均有很強的抑制作用。目前，對青貯飼料中乳酸菌產(chǎn)生細(xì)菌素的研究和應(yīng)用較少。