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(jī)酸，使pH值降到3.8～4.2，抑制有害菌的生長，從而實(shí)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(diǎn)集中在青貯飼料乳酸菌的發(fā)酵機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jià)值和品質(zhì)。但近年來的很多研究表明，單獨(dú)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(qiáng)的玉米乳桿菌和堅(jiān)強(qiáng)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(fèi)，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(dú)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(dú)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(dá)到提高青貯品質(zhì)的目的。許多乳酸菌都能進(jìn)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)。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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(bào)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(bào)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(qiáng)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(qiáng)，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(qiáng)。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(yàn)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(qiáng)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。