干草調制與貯存技術的研究進展

余成群,榮 輝,孫 維,邵 濤

(1.南京農業大學動物科學技術學院 飼草調制與加工研究室,江蘇 南京210095;2.中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101)

干草是指天然或人工栽培的牧草或飼料作物進行適時收割,經過自然或人工干燥,使之水分降到17%,能長期保存的草產品。干草是反芻動物的重要能量來源,它能提供產奶母牛能量需要的23%和其他生理階段能量需要的29%[1]。干草產品因其便于貯存、運輸方便、營養價值高而受到養殖者的喜愛,尤其是優質干草產品更受到國際飼草市場的青睞。國內反芻家畜養殖業的快速發展也對優質干草產品形成了極大的需求。干草品質受到很多因素的影響,如飼料作物種類、收獲時期和調制干草時的天氣條件等。干草調制過程中很容易引起營養物質的損失,主要表現在呼吸、酶、機械、翻曬和雨水淋洗等作用引起的營養物質損失[2]。因此在干草生產實踐中,能提高干草品質的一系列調制技術顯得尤為重要。目前國外很多干草生產大國如美國和澳大利亞都在積極研究和改進干草的調制技術,以減少干草調制受天氣條件的限制和干燥過程中的營養物質損失,最終獲得優質的干草產品。干草產品的數量與質量要求受國內、國際市場的雙重影響,我國也在不斷地提高干草的質量和產量,優質干草已成為我國出口的主要草產品。雖然各種調制技術與方法是生產優質干草產品的技術保障,但生產出來的優質干草產品還應得到完善的貯存,如果離開了合理的貯存,優質干草產品將變為劣質產品,因此優質干草產品的貯存技術同樣也應該受到高度重視。

1 干草調制技術的研究

牧草從刈割到曬制成干草需要經過一個物理、化學和生理變化過程。首先,是牧草起初水分的散失,主要在牧草剛刈割后通過葉片的氣孔散失[3],因此牧草起初水分的散失受機械作用的影響不大,但跟牧草暴露到空氣中的面積有很大關系。其次,隨著牧草逐漸凋萎,氣孔關閉,水分要通過葉片和莖表面的蠟質層才能散失,此時通過機械作用或化學處理使蠟質層破損能加快水分的散失。最后,牧草散失的水分主要是植物體內的束縛水,這些水分很難通過莖的蠟質層散失,機械作用在這一時期顯得尤為重要,通過機械作用使莖稈破裂,能大大提高牧草水分的散失速度。

在實際生產中,干草品質除受收獲時期和收獲茬次的影響外[4-5],也受到各種調制技術的影響。干草調制可以采取多種措施使牧草干燥3個階段的水分盡可能快速散失,進而縮短干燥時間,以便最大程度的減少營養物質損失。干草調制技術常用的措施包括機械和化學處理2種方式,機械處理主要是通過機械作用將牧草莖稈壓扁或切短,加快牧草莖稈水分的散失速度,化學處理主要是通過化學干燥劑破壞牧草莖葉表面的蠟質層,提高其內部水分的散失速度。有時這2種處理方式并用,以期達到更好的效果。

1.1 機械處理對干草調制的影響 機械處理主要是壓扁或壓裂牧草莖稈,以提高莖稈水分散失速度,縮短牧草的干燥時間。牧草干燥時間的長短主要取決于其莖稈干燥所需時間,葉片的干燥速度要比莖稈快得多。通過壓扁或壓裂處理,可以破壞牧草莖稈的角質層、維管束和表皮,使莖稈的內部暴露于空氣中,有助于消除莖稈角質層和纖維束對水分蒸發的阻礙,加快莖稈中水分蒸發的速度,實現莖稈和葉片的干燥速度盡可能同步,提高牧草整體的干燥速度,進而減少調制過程中的營養物質損失。

對牧草進行壓裂或壓扁處理的報道多見于豆科牧草上。1995年Bruhn[6]在威斯康辛州的試驗結果表明,紫花苜蓿(Medicago sativa)收獲后,無論是在良好天氣還是普通天氣條件下,壓扁苜蓿都比未壓扁苜蓿的干燥速度快,且在良好天氣條件下,壓扁加快干燥的效果更明顯。在良好天氣條件下,莖稈壓扁處理可使紫花苜蓿和白三葉(Trifolium repens)較普通干燥法干物質和碳水化合物少損失 1/2～1/3,粗蛋白質少損失1/3～1/5[7];但在陰雨天,莖稈壓扁的牧草因雨淋而導致的營養物質損失更多,從而產生不良效果。壓裂莖稈干燥苜蓿的時間比不壓裂干燥縮短30%～50%,可減少呼吸、光化學和酶的作用時間,從而減少苜蓿營養物質損失[8]。楊志忠等[9]在對苜蓿干草晾曬時間與水分損失的研究中發現,使苜蓿的水分含量降到25%以下,輕微壓扁和重壓扁晾曬時間要比未經處理的分別少用16和20 h。張秀芬[10]發現壓扁苜蓿莖稈可以加快其干燥速度,并且壓扁苜蓿莖稈后,其莖、葉的干燥速度趨于一致,減少了葉及幼嫩部分的營養損失。高彩霞和王培[11]報道壓扁使苜蓿莖葉干燥速度趨于一致,葉片損失少,干燥時間縮短,從而減少牧草的呼吸作用和光化學作用與酶的活動時間,也減少了牧草受到雨淋和露水浸濕的損失,提高了干草質量。而壓扁對干燥速度的影響在不同茬次刈割的牧草上卻表現出不一致,董志國等[8]報道機械方法壓扁莖稈只對初次刈割的苜蓿的干燥速度有較大影響,而對再次刈割的苜蓿的干燥速度影響不大。以上結果總體表明壓扁或壓裂處理不僅能有效提高牧草的干燥速度,還能減少干草的營養損失,但是壓扁處理要有一定的限度,過度的壓扁可能導致營養物質損失較多,反而不利于生產優質干草產品。周衛東等[12]報道重度壓扁苜蓿干燥時間雖然比輕度壓扁縮短20～24 h,但營養損失較多,綜合評定認為調制苜蓿干草時以輕度壓扁效果較好。切短也是提高牧草干燥速度的一種處理方式,但這方面的報道不多,周衛東等[12]也發現在水泥地晾曬時切短苜蓿能提高其干燥速度,且切短和壓扁同時處理效果更好。

雖然壓裂莖稈的同時會導致細胞破裂引起細胞液的滲出,可能造成部分營養物質隨之流失,但這種損失相對于壓扁加速干燥所減少的營養物質損失還是比較小的,因此壓扁或壓裂處理在干草生產中具有一定的優勢,是常用的調制干草的技術措施。

1.2 化學處理對干草調制的影響 化學處理主要是將一些化學干燥劑噴灑到牧草的莖葉表面,以破壞其表皮上的角質層,使牧草內部水分能夠順暢地蒸發出去,從而縮短田間曬制干草的時間,減少干燥過程中營養物質的損失。早在20世紀50年代,美國首先嘗試用除草劑在田間快速干燥苜蓿,結果明顯縮短了調制干草的干燥時間[13],但研究工作因除草劑對家畜有害,且易致干草脫色等問題而被終止。1972年,澳大利亞科學家 Tullberg發現碳酸鉀溶液可顯著加快紫花苜蓿的干燥速度,之后有關研究工作逐步展開,進入20世紀80年代,美國亦開展了相關研究[14]。我國在20世紀80年代末開始化學干燥劑對干草調制的作用研究。到目前為止,用于干草調制的化學干燥劑已發展到 10多種,主要為鉀、鈉、銫等鹽類物質,此外還有若干種類的有機酸[14]。化學干燥劑不僅能加快牧草的干燥速度,對干草的營養價值也有一定影響。

化學干燥劑用于干草調制的研究主要集中在豆科牧草上,其他種類牧草的研究報道較少。K2CO3是調制干草時應用最廣泛的一種化學干燥劑,國內外的很多研究都表明這種化學干燥劑在加快牧草的干燥速度方面具有很好的效果。K2CO3溶液可明顯改變植物表皮蠟質層的透水性,而且對植物莖的作用大于葉。澳大利亞田間試驗表明,對刈割的苜蓿草壟噴灑2%的K2CO3溶液,干燥速度比對照快1倍,比壓扁莖處理快43%,而且在壓扁刈割前直接噴灑苜蓿能起到更好的效果[13]。Ruelke等[15]的研究表明噴灑K2CO3溶液與采用機械壓扁對干燥速率的影響效果基本一致。國內其他的一些研究者也都發現噴K2CO3能加快紫花苜蓿的干燥過程[16-18],但K2CO3用于干草調制有一定的濃度限制,Rotz等[19]的研究結果表明,質量分數高于 2.8%的K2CO3溶液對提高干燥速率效果不明顯,胡耀高和王在民[14]認為干草調制所用K2CO3溶液的質量分數以20%～2.8%為宜,每公頃地施用量大為539～1 000 L為宜,大約每噸干物質使用量為3.5 kg。一些研究表明K2CO3對不同茬次苜蓿干燥的促進效果存在一定差異,對后茬苜蓿的干燥效果要優于前茬[16,20],這可能與不同茬次苜蓿的成分變化有關,一般第1茬刈割的苜蓿蛋白質含量更高,蛋白質類物質對水分的保持能力較強。Na2CO3對牧草的干燥效果沒有K2CO3好,但與K2CO3混合(1.4%K2CO3+1.4%Na2CO3)后再用于干草調制能起到跟K2CO3近似的效果,而成本要比單獨用K2CO3有較大降低[21]。近年來的研究中發現Na2CO3多與K2CO3及其他活性劑混用使用,效果更好[14]。用1%NaHCO3和1.5%K2CO3分別處理現蕾期紫花苜蓿,結果表明兩者幾乎是在同一時間(30 h)使苜蓿含水量降到18%以下,但NaHCO3對苜蓿干草胡蘿卜素具有明顯的保存效果[16]。CaCO3作為干燥劑用于干草調制的研究也有報道,張秀芬等[16]研究表明20%的CaCO3溶液對苜蓿的干燥效果不理想,僅略好于對照,遠遠差于K2CO3與NaHCO3,但在保存蛋白質和胡蘿卜素方面具有特殊意義。周衛東等[12]用干燥劑(CaCO3和CaCl2按1∶1等量混合)以2.0%、2.5%、3.0%質量分數分別在刈割前一天處理紫花苜蓿,結果表明無論泥地還是水泥地晾曬均能提高苜蓿干燥速度,且綜合分析以2.5%濃度效果最好。KOH對牧草干燥的作用效果不盡一致,據研究報道,在實驗室條件下使用KOH將p H值由8.0調為12.4,可有效加速干燥,比單純用K+、Na+、Cs+的碳酸鹽類處理效果均好,但其他研究者的研究結論則認為KOH的干燥效果較K2CO3的差[14]。山梨酸鉀也能加快牧草的干燥速率,在第3茬現蕾期刈割紫花苜蓿的同時施用山梨酸鉀,可縮短干燥時間,提高保存效果[14]。張秀芬等[16]也對K2HPO4和吲哚乙酸用于牧草干燥做了相關研究,結果表明它們均對苜蓿干燥前一階段的水分散失有促進作用,而對后期干燥影響不大,這可能與K2HPO4和吲哚乙酸主要作用是抑制氣孔關閉有關。化學干燥劑對干草營養價值的影響,目前尚無一致的結論,一般認為K2CO3可提高反芻家畜對牧草干物質、粗蛋白質、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維的消化率,而鉀離子對家畜無不良影響[7]。

2 干草貯存技術的研究

無論何種方法調制出的干草都是為了暫時貯存起來,以便在飼草短缺季節用于飼喂反芻動物,而干草能否長久貯存以及保持優質的品質與干草貯存時的水分含量有著緊密的聯系。一般來說,干草水分含量越低,越有利于長期貯存。但是干草要達到足夠低的含水量需要的干燥時間較長,很可能受到陰雨天氣的危害,過干的干草其落葉較嚴重,導致營養物質損失較多。20世紀50年代末,國內外學者開始對苜蓿干草在高水分(20%～25%)下打捆貯藏進行研究[22],較高水分含量時貯存干草自然能減少以上損失發生的機會,且能保持青綠,但高水分干草中的濕潤環境有利于酵母菌、霉菌等腐敗微生物的活動,導致產熱過多,易引起干草發霉變質。因此借助一些保存技術在適宜的水分含量下貯存干草,既可以減少干草調制過程中由于落葉造成的養分損失,也便于干草優質品質的長久保持。在干草貯存實踐中添加各種防腐防霉以及抗氧化添加劑是最為行之有效的技術措施,常用于干草貯存的添加劑主要包括化學防腐劑和微生物防腐劑兩大類。

2.1 化學防腐劑對干草貯存的影響 干草貯存中常用的化學防腐劑有銨類化合物、尿素和有機酸類抗真菌劑。銨類化合物已經被成功用于高水分干草的打捆貯藏,可有效殺死霉菌孢子,抑制腐敗菌等大部分有害細菌的繁殖,降低草捆內溫度,減少熱害[23]。銨類化學物質不僅具有防腐防霉功能,而且由于其所具有的堿化作用,還能提高干草的消化率及粗蛋白質含量。研究表明在海岸狗牙根(Cynodon dacty lon)干草捆中注入氨水后,降低了干草的半纖維素、中性洗滌纖維含量,提高了干物質的體外消化率,用氨水處理草木樨(Melilotus suaveolens)干草還能阻止香豆素的形成[24]。但氨水在處理干草過程中存在大量損失,且對機械有一定損害,作為防腐劑是不實際的。無水氨是一種有效的殺真菌劑,弱堿性,具備了干草防霉劑的大多數標準[23],并且其中的氮還可以作為反芻動物的營養源而被利用,用無水氨處理干草能提高干草的總氮含量。Henning等[25]以質量分數1%的無水氨注入含水量30%的苜蓿草捆中,結果表明無水氨不僅有效地減少了干物質的損失,而且能使粗蛋白含量增加6%。Woolford和 Tetlow[26]研究也發現,在含水量為15%～30%的鴨茅(Dactylis glomerata)草中加入3.6%的氨或氫氧化銨均能提高總氮的含量。尿素也能用于干草的貯存,尿素能通過高水分干草上的脲酶的作用快速分解產生氨[27],進而對干草貯存起到防腐作用,且在操作上也比氨水簡便,國內外研究者對此進行了廣泛的研究。Alhadhrami等[28]報道用2%和4%尿素處理高水分(25%～30%)的苜蓿干草,貯存4周后,4%尿素處理對霉菌的抑制效果最大,2%尿素次之,高水分無尿素處理干草的干物質損失最大;貯存4個月后,酸性洗滌纖維(ADF)、木質素、中性洗滌纖維(NDF)含量均以高水分無尿素處理干草最高,尿素處理次之,低水分干草最低,而體外干物質消化率以高水分無尿素處理干草最低,低濃度尿素處理稍高,高濃度尿素處理和低水分干草最高。以上結果表明2%或4%尿素均能提高水分約為25%的苜蓿干草捆的質量,且高濃度尿素要比低濃度尿素更有效。Alhadhrami等[29]再次報道用不同質量分數的尿素處理高水分苜蓿干草,結果表明尿素添加質量分數≥1.3%時均能減少熱害、褐變和霉菌的發生,且貯存 5個月后,ADF和NDF含量沒有明顯增多。Brown和Adjei[30]將大黍草(Panicum maximum)干草的水分含量調控到25%和40%,然后分別在有無脲酶添加的情況下加入占干草干物質0、4%、6%和8%的尿素,結果發現,水分和脲酶對大黍干草的粗蛋白和NDF含量以及體外有機物質消化率沒有影響,但隨著尿素添加量的增加,干草的粗蛋白含量和體外有機物質消化率呈線性提高,而半纖維素和酸性洗滌纖維含量則呈線性降低。國內研究者發現苜蓿干草在含水量為25%時打捆并添加4%的尿素,在貯藏期間草捆內一直沒有出現發熱現象[22]。

有機酸類抗真菌劑的特性早已為人們所熟知,有機酸鹽是食品的常用防腐劑。添加有機酸類主要是為了抑制高水分干草貯存期內微生物的活動。丙酸及其鹽類是最常用的有機酸抗菌劑[31],能夠抑制干草貯存期內真菌、放線菌的生長繁殖,但乳酸菌對其不敏感,仍有生活力,并能產生一定量的乳酸、乙酸等可使干草得以安全保存[23]。Nash和 Easson[32]以 0、1%、2%、3%和4%的丙酸處理水分含量為27%、35%和45%的干草,結果發現,所有對照均100%發霉,而隨著丙酸添加量的增加,干草發霉和發熱程度被延遲或減少,干物質、水溶性碳水化合物的損失逐漸降低。Rotz等[33]以不同方式(注射和噴灑)處理高水分苜蓿干草,結果發現貯存1個月后,與未處理高水分苜蓿干草相比,丙酸處理減少了干物質損失和產熱,減少了霉菌數量,貯存6個月后,處理與未處理高水分干草的干物質損失差別不大,但與低水分干草相比保存效果較差,且發現丙酸噴灑方式的效果要優于注入方式。丙酸對干草的保存效果跟添加量有關,丙酸和類似的有機酸按1%～2%的比例添加到干草中通常能抑制霉菌的生長和減少熱害[33]。White[34]認為丙酸、丙酸銨是經過測定后最有效的防腐劑,研究發現當用1.25%的丙酸處理干草時,干草捆內幾乎沒有發熱現象。丙酸銨防止霉變的效果要略遜于丙酸,但是它沒有刺激性氣味,揮發性和腐蝕性較小,使用更安全[23]。高彩霞[24]報道用丙酸處理的苜蓿干草捆沒有熱害和變質發生,且用經過丙酸處理過的干草飼喂綿羊的效果比未處理的干草好。

丙酸雖然能抑制真菌的生長,但不能殺死真菌,且由于其揮發特性,會導致噴施時帶來大量損失,同時伴隨著蒸發、汽化的損失,還可能被耐藥性真菌代謝。Lord等[35]提出,需要尋找可以轉換的物質,或是一種既能抑制霉菌又能添加到丙酸和丙酸氨中防止它們降解的化合物。當丙酸與氨完全或是一半發生中和反應后,可以降低其揮發性和腐蝕性,使操作更為簡便安全。但是,有耐藥性的微生物還是能將其代謝并使之在低濃度下效果降低,并允許更多的敏感真菌的生長繁殖。有機酸類防腐劑的有效性與長效性主要由牧草種類、干草含水量和添加劑有效成分的量來決定[23]。另外有機酸類物質具有一定腐蝕性,在使用過程中應注意對工作人員和機械設備進行安全保護。

2.2 微生物防腐劑對干草貯存的影響 所謂微生物防腐劑主要是微生物接種菌,在干草收獲時接種這些微生物可以減少打捆的水分限制,加快收獲速度,而接種菌產生的發酵酸又可控制有害微生物的活動,以獲得高品質的干草[36]。目前研究較多的干草接種菌主要是乳桿菌(Lactobacillus)、片球菌(Pediococcus)和鏈球菌(Streptococcus)屬的乳酸菌,這些最初是用來促進青貯飼料發酵的,屬于兼性厭氧菌,更喜歡厭氧環境和相對高的水分[37],因此它們在干草上的作用效果不盡一致,有待于進一步研究。

一些研究發現微生物接種處理苜蓿干草的貯存效果并不理想,Rotz等[38]報道,用乳酸菌(L.plantarum和 P.cerevisiae)接種含水量在20%～40%范圍內的苜蓿干草未能提高貯存效果,接種處理的干草發熱情況、干物質損失和干草品質與同水分條件下未處理或丙酸處理的干草相似或表現出較差的效果。Deetz等[39]在含水量為20%～25%的苜蓿干草中添加乳酸菌發酵產物,結果表明,與對照組相比并不能有效抑制草捆溫度的升高。但更多的研究者報道接種乳酸菌對干草貯存有較好的效果,Tomes等[40]研究發現,用短小芽孢桿菌(Bacillus pumilus)和青貯接種菌(L.p lantarum和S.f aecalis的混合菌劑)處理水分含量在17%～31%內的苜蓿干草,2種處理方式均提高了干草色澤、氣味和飼喂價值,減少了霉菌,特別對水分含量大于20%的苜蓿干草效果更好,總體上短小芽孢桿菌的效果要好于植物乳桿菌和糞鏈球菌。高彩霞[22]報道乳酸桿菌接種苜蓿干草捆,貯存42 d后,經接種的苜蓿干草的木質素含量下降,而其干物質的體外消化率有所提高。Nelson等[41]研究發現,將產乳酸細菌接種到3種不同含水量(15.3%、26.6%和 35.7%)的大圓捆苜蓿干草上時,接種菌減少了高水分干草捆的NDF和ADF的損失,同時也避免了其他營養物質由于高溫導致的損失,貯存39 d后,不影響羔羊對苜蓿干草的干物質采食量,且含水量為26.6%的苜蓿干草接種處理后,其干物質消化率明顯提高,認為乳酸菌接種在含水量為26.6%的苜蓿干草上效果較好,而在另外2個含水量苜蓿干草中沒有明顯的效果。

接種菌處理干草捆還具有降溫、減少熱害的效果。Dulcet等[42]報道用接種菌 1155處理 3個水分含量(20%、24%、28%)的干草捆,結果發現,接種能有效降低干草捆的溫度,且在水分含量為20%,草捆密度為110 kg/m3的情況下,降溫效果最佳,降溫幅度達13℃。Nelson等[43]用產乳酸細菌接種不同含水量(16.4%、26.5%和43.4%)的小方捆苜蓿干草,結果發現,接種降低了43.4%含水量苜蓿干草捆的溫度,抑制了熱害發生,另外43.4%含水量苜蓿干草接種后的酸性洗滌不溶性氮和體外干物質消化率有增加趨勢,但干物質和氮的消化率傾向于提高,26.5%水分苜蓿干草接種后,在貯存過程中營養成分的損失減少,與用大圓捆苜蓿干草進行的試驗相比,接種對高水分小捆苜蓿干草的效果更好,最后認為高水分苜蓿干草捆通過產乳酸細菌接種可以減少貯存過程中營養成分的損失,但是接種菌的種類和數量應根據苜蓿干草捆的類型、水分含量和環境條件而有所變化。Emanuele等[44]連續2年使用短小芽孢桿菌,第1年接種高水分(28%水分)苜蓿干草,其粗蛋白含量比未接種的高,而NDF含量低;第2年接種劑對高水分(25%水分)苜蓿干草貯存的營養成分沒有顯著影響,但對羔羊的飼養試驗結果顯示,飼喂接種的高水分干草的羔羊其飼料利用效率和ADF表觀消化率明顯提高,且2年的試驗均表明接種處理的高水分干草與未處理的低水分干草的貯存效果相同。Wittenberg[45]報道,戊糖片球菌(P.pertosaceous)接種于高水分(20%～25%水分)的苜蓿干草提高了貯存過程的穩定性,與未處理的相應高水分干草相比,ADF和幾丁質的變化較小,干草貯存后的色澤較好。當用處理過的干草飼喂肥育羊時干物質、ADF和NDF的消化率均比高水分未處理干草有明顯提高,而采食量和氮平衡上無差異。

與化學防腐劑相比,生物防腐劑具有無毒無害的優點,國外許多研究已經表明其在干草貯存中能表現出較好的效果,將會有更好的應用前景。而國內的干草貯存多使用化學防腐劑,在干草生物防腐劑方面的研究還很欠缺。因此開展干草生物防腐劑研究不僅對我國干草貯存研究是一個技術儲備,也是生產安全優質干草產品的現實需要。

3 結語

優質干草生產能夠為草食家畜提供均衡飼料,緩解由于牧草生長季節不平衡而造成的畜牧業生產不穩定性,是畜牧業發展的重要保障,尤其對于我國的反芻家畜養殖來說更為重要。冬季優質飼草的缺乏導致反芻家畜養殖業發展受到嚴重的制約,而儲備干草尤其是優質干草是緩解冬季飼草短缺問題的重要手段。在生產中,影響干草品質的最大問題是收獲和調制過程的營養損失,通過先進的調制技術可以減少干草生產過程中的損失,而生產出來的優質干草必須妥善貯存,貯存不好可能導致干草品質變劣,甚至影響動物健康。尤其在我國一些太陽能豐富的地區,如西藏牧草很容易晾曬成干草,而干草的貯存成為關鍵問題,需要給予更多的重視。調制和貯存技術對于優質干草產品生產來說是同等重要的,無論是在干草的研究還是生產上都應該給以高度關注。

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