Микробиологическая химия силоса – как наука

Буферные свойства.

   Механизм действия буферов заключается в том, что в их присутствии значительная часть ионов водорода нейтрализуется. Поэтому несмотря на накопление кислоты, реакция среды почти не снижается до тех пор, пока не израсходован весь буфер. В силосе образуется запас так называемых связанных буферами кислот. Роль буферов могут играть различные соли и некоторые органические вещества (например, протеины), входящие в состав растительного сока. [6]

   Для повышения в силосе содержания сырого протеина, а также улучшения ферментации корма в период закладки к массе добавляют мелассу, мочевину, соевый шрот. Мелкое измельчение стержней и оберток початков повышает на 30% поедаемость силоса.

   Более буферный корм для получения хорошего силоса должен иметь больше сахаров, чем менее буферный. Следовательно, силосуемость растений определяется не только богатством их сахарами, но и специфическими буферными свойствами. Основываясь на буферности сока растений, можно теоретически вычислить нормы сахара, необходимые для успешного силосования различного растительного сырья.

   Буферность сока растений находится в прямой зависимости от количества в них белков. Поэтому большинство бобовых растений трудно силосуется, т.к. в них относительно мало сахара (3...6%) и много белка (20...40%). Прекрасная силосная культура - кукуруза, в стеблях и початках ее содержится 8...10% белка и около 12% сахара. Хорошо силосуется подсолнечник, в котором много белка (около 20%) , но и достаточно углеводов (более 20%). Приведенные показатели рассчитаны на СВ.

   В основном силосуемость связывают с запасом моно- и дисахаридов, дающих необходимое подкисление. Минимальное их содержание для доведения реакции среды корма до рН 4.2 может быть названа сахарным минимумом. Технически определить сахарный минимум несложно. Титрованием устанавливают необходимое количество кислот для подкисления пробы исследуемого корма до рН 4.2. затем определяют количество простых сахаров в корме. Допуская, что около 60% сахаров превращаются в молочную кислоту, можно рассчитать, хватает ли имеющегося сахара для должного подкисления корма .

   Качество силоса во многих случаях не отвечает зоотехническим требованиям. Это обусловлено нарушением технологии силосования (длительное нахождение зеленой массы в поле, силосование перезревшей массы силосных культур, слабая утрамбовка при заполнении траншеи).    Третья фаза брожения корма - конечная - связана с постепенным отмиранием в созревающем силосе возбудителей молочнокислого процесса. К этому времени силосование подходит к естественному завершению. 

2.4 Ферментация  силосуемой массы. Виды ферментации.

2.4.1 Аэробная  ферментация (дыхание)

2.4.1.1. Гидролиз  белков ,углеводов и липидов силосуемой массы 

Аэробная ферментация ( дыхание клеток растений)- происходит со времени скашивания зеленых растений и до полного исчезновения воздуха  после герметизации силосного сооружения.Она происходит и в период от вскрытия и до его вскармливания .

   Под влиянием  гидролитических ферментов (гидролиз) кормов и микроорганизмов разлагаются  на более простые вещества.

   Гидролизом  сложных органических веществ  кормов называется разложение  их водой под влиянием ферментов.

   При гидролизе  белков в силосуемой массе  ( в готовом силосе) падает количество белкового азота, но он не теряется, по аминному азоту в силосе определяют степень распада белков и интенсивность гидролиза.

   К  углеводам  силосуемой массы, способным гидролизоваться относятся – полисахариды ( крахмал, клетчатка, инулин, гемицеллюлоза ).Крахмал под влиянием ферментов растений и микроорганизмов расщепляется до декстринов, декстрины распадаются до мальтозы , до глюкозы.[8]

Гидролиз липидов  происходит под влиянием липаз. 

2.4.1.2. Катаболизм  белков, углеводов липидов силосуемой  массы

   Катаболизм – это фаза, в которой происходит расщепление сложных органических молекул до более простых конечных продуктов.

 В аэробном катаболизме (с участием кислорода) :

   На первой стадии полисахариды (углеводы) распадаются до гексоз и пентоз, жиры до жирных кислот, глицерина , белки – до аминокислот.

   На второй стадии распада веществ все эти продукты превращаются в еще более простые соединения. Так, гексозы, пентозы и глицерин расщепляются до одного и того же промежуточного продукта ацетил коэнзима А. Аналогичные превращения претерпевают жирные кислоты и аминокислоты. Их расщепление также завершается образованием ацетилкоэнзима А. Таким образом, ацетилкоэнзим А представляет собой общий конечный продукт второй стадии катаболизма. [8]

   На третьей стадии ацетильная группа ацетил КоА вступает в цикл Кребса (цикл лимонной кислоты) – общий конечный путь, на котором почти все виды клеточного топлива окисляются до углекислого газа, воды и аммиака.

   Катаболический и соответствующий ему, но противоположный по направлению, анаболический путь различаются по промежуточным продуктам реакций. Однако их связывает общая стадия, которая включает в себя цикл лимонной кислоты. На этой стадии завершается не только распад молекул (катаболизм), но происходит и процесс анаболизма, заключающийся в поставке молекул предшественников для биосинтеза молекул аминокислот, жирных кислот и углеводов. 
 

     
 

2.4.2. Аэробная  ферментация (брожение). Виды брожения  и фазы        силосования

На основе микробиологических процессов и брожений  различаются 3 фазы :

   1.Смешанное  брожение, которое начинается одновременно  с началом заполнения силосохранилища  и заканчивается при создании  однородных условий. Она характеризуется  активным развитием смешанной  микрофлоры, которая поступает в  силосуемую массу. Необходимо  сокращать продолжительность закладки  силоса и быстрейшее укрытие.

   2. Характеризуется  созданием анаэробных условий.  Может идти спиртовое значение.

   3. Связана с окончанием основных процессов брожения в силосе. 
 

2.4.2.1. Молочнокислое  брожение. Виды молочнокислого брожения. 
 

    Основным  свойством молочнокислых бактерий, по которым их объединяют в отдельную  обширную группу микроорганизмов, является способность образовывать в качестве продукта брожения молочную кислоту:

    С₆Н₁₂О₆ ═ 2С₃Н₆О₃.

                                                глюкоза         молочная  кислота

    Она создает  в среде активную кислотность (рН 4,2 и ниже), неблагоприятно действующую на нежелательные микроорганизмы. Помимо этого, значение молочнокислых бактерий заключается в бактерицидном действии недиссоциированной молекулы молочной кислоты и способности их образовывать специфические антибиотические и др. биологически активные вещества.[5]

   В процессе брожения, протекающем в обычных благоприятных условиях, гомоферментативные молочнокислые бактерии (Streptococcus sp., Pediococcus sp., Lactobacterium plantarum и др.) образуют из глюкозы (гексозы) преимущественно молочную кислоту по гликолитическому пути Эмбдена-Мейергофа-Парнаса. Выход молочной кислоты составляет 95-97%. Одновременно образуются следовые количества летучих кислот, этилового спирта, фумаровой кислоты и углекислоты. Из субстрата извлекается значительно меньше энергии, чем при других (аэробных) процессах энергетического обмена. Тем не менее этот путь энергетических превращений при достаточном уровне углеводов обеспечивает быстрое развитие .

    Уксуснокислые бактерии являются ацидофилами, то есть переносят кислую среду. Но так как они являются аэробами, поэтому в хорошо уплотненной массе они не способны развиваться.

    Гетероферментативные формы (Leuconostoc sp., Lactobacillus sp.) сбраживают углеводы пентозофосфатным путем. Они менее желательны в силосе, так как кроме молочной кислоты образуют значительное количество побочных продуктов распада углеводов (этиловый спирт, уксусная кислота, углекислый газ, глицерин и др.), используя на это до 50% сбраживаемых углеводов (гексозы, пентозы). Судя по интенсивности роста гетероферментативных бактерий, выход энергии на 1 моль глюкозы оказывается на одну треть ниже, чем у гомоферментативных молочнокислых бактерий.

    Температурный фактор влияет как на рост молочнокислых  бактерий, так и на характер конечных продуктов брожения. Педиококки, преобладающая форма молочнокислых бактерий в первые дни созревания силоса, хорошо растут при 45⁰С. Оптимальной температурой роста палочковидных форм молочнокислых бактерий (L. plantarum, L. brevis), которые приходят на смену коккам, является 30-35⁰С. При температуре выше 40⁰С их количество резко падает, угнетается кислотообразование в 1,3-3 раза. Установлено, что наибольший выход молочной кислоты и наименьший – уксусной наблюдается при температуре ниже 30⁰С.

    Для получения качественного силоса не меньшее значение имеет создание анаэробных условий – плотная  трамбовка и хорошая герметизация. В силосе, полученном в негерметичных условиях (аэробных), количество молочнокислых бактерий после начального увеличения быстро падает, в герметичных (анаэробных) – оно остается высоким. На седьмые сутки брожения при анаэробных условиях наблюдается высокий процент гомоферментативных бактерий, в аэробных – педиококков. Хотя позднее в этом силосе и появляется достаточное количество молочнокислых палочек, но они уже не могут предотвратить размножение нежелательных микроорганизмов.[2]

    Таким образом, молочнокислые бактерии отличаются следующими особенностями, важными  для силосования:

1. Нуждаются для обмена веществ, главным образом, в углеводах (сахар, реже крахмал);
2. Белок не разлагают (некоторые виды в ничтожном количестве);
3. Они факультативные анаэробы, т.е. развиваются без кислорода и при наличии кислорода;
4. Температурный оптимум чаще всего составляет 30⁰С (мезофильные молочнокислые бактерии), но у некоторых форм он достигает 60⁰С (термофильные молочнокислые бактерии);
5. Выдерживают кислотность до рН 3,0;
6. Могут размножаться в силосе с очень высоким содержанием сухого вещества;
7. Легко переносят высокие концентрации NаCl и обладают устойчивостью к некоторым другим химическим препаратам;
8. Помимо молочной кислоты, которая играет решающую роль в подавлении нежелательных типов брожения, молочнокислые бактерии выделяют биологически активные вещества (витамины группы В и др.). Они обладают профилактическими (или лечебными) свойствами, стимулируют рост и развитие с.-х. животных.

    При благоприятных условиях (достаточное  содержание в исходном растительном материале водорастворимых углеводов, анаробиоз) молочнокислое брожение заканчивается всего за несколько дней и рН достигает оптимального значения – 4,0-4,2. 

2.4.2.2. Спиртовое  брожение 

Спиртовое брожение осуществляется

тем же ферментативным путем, что и гликолиз, с той  разницей, что последняя, завершающая  реакция  заменена здесь двумя другими, в результате которых, трехуглеродные фрагменты разрушаются до этанола и двуокиси углерода:

 С6Н1206 +2Фн -I- 2АДФ  . 2СН3СН2ОН + 2С02 + 2АТФ + 2Н20

этиловый спирт  с образованием 2 молекул АТФ. Большинство других типов сбраживания глюкозы (муравьи- нокислое, маслянокислое, пропионовокислое, ацетоно-бутиловое брожение и др.) - варианты

основного пути, т. е. гликолиза. Процесс брожения сопровождается образованием АТФ из АДФ и фосфата.[4]

    При спиртовом  брожении наблюдаются большие потери энергии. Если при молочнокислом  брожении теряется 3% энергии сахара, то при спиртовом – более половины. В аэробных условиях окисление углеводов дрожжами приводит к получению воды и СО₂. Некоторые дрожжи используют пентозы (Д-ксилозу, Д-рибозу), полисахариды (крахмал).

    Негативное  действие дрожжей в процессах  вторичного брожения состоит в том, что они развиваются за счет окисления  органических кислот, наступающего после  законченного брожения при доступе  воздуха. В результате окисления  молочной и др. органических кислот кислая реакция среды сменяется  на щелочную – до рН-10,0. [1]

    В результате этого снижается  качество силоса из кукурузы, а также из «глубоко» провяленных трав, т.е. кормов с наилучшими показателями по продуктам брожения.  

2.4.2.3. Пропионовокислое брожение

   Тип брожения, осуществляемый пропионовокислыми бактериями, использующими в анаэробных условиях широкий круг соединений–глюкозу, сахарозу, лактозу, а также лактат, малат, глицерол и др с образованием пропионовой кислоты Расщепление гексоз происходит по гликолитическому пути Восстановление пирувата идет по метилмалонил–КоА–пути, названному так по характерному промежуточному продукту (метилмалонил–КоА) При этом пируват сначала карбоксилируется до оксалацетата, который последовательно восстанавливается до сукцината через малат и фумарат На уровне метилмалонил–КоА, образующегося из активизированного сукцината (сукцинил–КоА), происходит декарбоксилирование и образование пропионил–КоА, а затем – пропионата как продукта брожения. Пропионовокислое брожение в силосуемом корме может идти только при внесении специальных культур бактерий.[8]