a) Cơ sở khoa học của phương pháp ủ chua.
Việc ủ chua thức ăn cho phép người chăn nuôi có nguồn thức ăn thô ổn định quanh năm, khắc phục được tình trạng khan hiếm nguồn thức ăn thô trong thời kỳ khô hạn kéo dài hoặc khi bị ngập úng. Khi ủ chua thức ăn được bảo quản lâu dài nhưng tổn thất ít chất dinh dưỡng, việc ủ chua cho phép ta thu nhiều nguồn phụ phẩm khác nhau sau khi thu hoạch chính phẩm để làm thức ăn dự trữ cho gia súc. Điều này cho phép góp phần khai thức bền vững các nguồn tài nguyên tại chỗ để phát triển chăn nuôi và bảo vệ môi trường (CIP, 2006 [26]; Hoàng Thanh Thủ và cs, 2010 [16]; Nguyễn Xuân Trạch, 2007 [24]).
Ủ chua là kỹ thuật ủ yếm khí thức ăn thô xanh có hàm lượng nước cao (75 - 80%), nhờ hệ vi sinh vật lên men tạo ra axit lactic và một lượng nhất định axit hữu cơ khác. Do đó nhanh chóng đưa độ pH của thức ăn xuống mức 4 - 4,5 làm ức chế hoạt động của các vi sinh vật và enzym trong thực vật. Nhờ vậy ta có thể bảo quản thức ăn ủ chua được trong thời gian lâu dài. Theo Nguyễn Hữu Tào, Lê Văn Liễn (2005) [13] cơ sở khoa học của phương pháp ủ chua gồm 3 yếu tố:
* Hệ vi sinh phát triển trong quá trình ủ chua bao gồm: vi khuẩn, nấm men, nấm mốc.
Nhóm vi khuẩn có lợi:
- Nhóm vi khuẩn lên men tạo axit lactic, đây là nhóm vi khuẩn có ích rất cần thiết trong thức ăn ủ chua, vi khuẩn lên men tinh bột và đường tạo ra
sản phẩm chủ yếu là axit lactic. Thông thường 1gam cây họ đậu có 0,04 triệu tế bào vi khuẩn lên men axit lactic.
+ Vi khuẩn lên men axit lactic ưa nhiệt mà đại diện là Lactobacillus
casei, Lactobacillus termofil, Lactobacillus plantarum, Lactobacillus bulgaricus. Loại vi khuẩn này có khả năng lên men ở cả hai điều kiện yếm khí và hiếu khí với nhiệt độ thích hợp là 30 - 600
C.
+ Vi khuẩn sinh axit lactic không ưa nhiệt: Streptococcus pyogenes;
Streptococcus viridans; Streptococcus lactics; Streptococcus enterococcus, loại này chỉ phát triển mạnh ở điều kiện yếm khí, nhiệt độ thích hợp là 15 - 300
C. - Vi khuẩn lên men tạo axit axetic: Hoạt động trong môi trường hiếu khí, pH=4,5 - 7, nhiệt độ 27 - 350
C. Lên men các đường dễ tan, sản phẩm chính tạo thành là axit axetic, vi khuẩn lên men chủ yếu thuộc nhóm E.coli mà đại diện là Escherichia và Klebsiella.
- Vi khuẩn lên men tạo axit butyric: Chúng phân giải axit lactic, chất bột đường, protein, các axit amin tạo nên axit butyric; nhóm vi khuẩn này không có lợi. Nhóm vi khuẩn này có sẵn trên thân lá cây cỏ gồm hầu hết các nhóm
Clostridium. Cỏ họ đậu thường có 2,2 triệu tế bào vi khuẩn/ gam cỏ tươi.
Nấm men: Nấm men hoạt động mạnh ở giai đoạn đầu của quá trình ủ chua, chúng phân hủy tinh bột đường tạo thành rượu, CO2 và một số axit hữu cơ. Hàm lượng rượu trong cỏ ủ chua thường trung bình là 0,3%. Khi ủ chua một số nguyên liệu như thân cây ngô, ngọn củ cải đường đôi khi hàm lượng rượu đạt tới 4% tính theo dạng sử dụng. Trong điều kiện yếm khí nấm men dường như ngừng hoạt động, nhưng khi pH= 3 - 4 thì chúng vẫn có thể hoạt động nhưng không mạnh (Nguyễn Hữu Tào và cs, 2005) [13]
Nấm mốc: Nấm mốc là vi sinh vật không có lợi trong quá trình ủ chua, nấm mốc phát triển chậm hơn so với vi khuẩn (lên men axit lactic, axetic). Nấm mốc phân giải tinh bột đường, protein, axit lactic để tạo thành SO2, H2O, NH3 và nhóm amin; nhiều loại nấm mốc có khả năng tạo ra các loại độc tố (Aflatoxin). Trong điều kiện yếm khí chúng ngừng hoạt động
Nhóm vi khuẩn gây thối: Nhóm này bao gồm trực khuẩn có nha bào, không có nha bào, chủ yếu sống trong điều kiện yếm khí, nhiệt độ thích hợp
trên 500C, chúng phân giải protein, axit amin tạo thành những độc tố như cadavejin, putracin....
* Điều kiện ủ chua
- Thứ nhất đó là yếm khí: Đây là điều kiện quyết định sự thành công hay thất bại của quá trình ủ chua. Trong điều kiện yếm khí các nhóm vi khuẩn lên men sinh axit butyric, nấm mốc, nấm men bị ức chế dẫn đến chúng hoạt động yếu các chất dinh dưỡng đỡ bị phân hủy. Bên cạnh đó vi khuẩn sinh axit lactic có điều kiện hoạt động mạnh sinh axit lactic, pH tăng nhanh càng ức chế các nhóm vi khuẩn và nấm khác hoạt động, đây là yếu tố giúp bảo tồn thức ăn ủ chua.
- Thứ hai: Nhiệt độ sẽ làm thay đổi hướng lên men của vi sinh vật, dựa vào nhiệt độ tối ưu cho sự phát triển của vi sinh vật chia ra 2 kiểu lên men trong hố ủ.
+ Lên men nóng: Lên men nóng thích hợp với vi khuẩn lactic chịu nhiệt, nhiệt độ hố ủ 40 - 500
C.
+ Lên men lạnh: Phải tiến hành ủ chua ngay sau khi thu cắt, khi ủ phải nén thật chặt để nhanh chóng tạo môi trường yếm khí giảm tối đa sự hô hấp của tế bào thực vật, nhiệt độ hố ủ chỉ đạt 15 - 350
C.
* Cơ sở khoa học của việc bổ sung thức ăn giàu tinh bột trong ủ chua: Mục đích của việc bổ sung thức ăn giàu tinh bột vào các nguyên liệu ủ chua là để cung cấp các chất dinh dưỡng dễ lên men cho vi sinh vật. Nhiều loại vi sinh vật có khả năng sinh ra men amilaza ngoại bào, phân giải tinh bột thành các phần đơn giản (thủy phân các liên kết α - 1,4 glucozit và α - 1,6 glucozit), có 3 loại enzym chính đó là:
+ Enzym α - amilaza thủy phân liên kết α - 1,4 glucozit biến tinh bột thành maltotriose, maltose, glucose và dextrin phân tử thấp; pH thích hợp cho men hoạt động là 5,8 - 6
+ Enzym β - amilaza cũng thủy phân liên kết α - 1,4 glucozit trong tinh bột nhưng có tác yếu hơn enzym α - amilaza.
+ Enzym glucoamylaza xúc tiến phân hủy liên kết α - 1,4 glucozit trong tinh bột và làm tách ra 1 cách tuần tự các gốc glucose từ phía đầu không có tính khử của mạch polysacarit.
b) Các quá trình diễn ra trong hố ủ chua
Theo Nguyễn Hữu Tào, Lê Văn Liễn (2005) [13] các quá trình diễn ra trong hố ủ như sau:
* Sự sinh nhiệt do hô hấp tế bào thực vật: Khi cây thức ăn bị cắt đứt nguồn dinh dưỡng thì hoạt động sống của tế bào là dị hóa. Quá trình dị hóa phân giải chất bột đường để tạo thành khí CO2; H2O cùng năng lượng.
C6H12O6 + 6O2 6H2O + 6CO2 + 673 Kcal/g
Như vậy hố ủ không ngừng tăng nhiệt độ, đến một mức nào đó sẽ làm chết tế bào thực vật. Cùng với quá trình hô hấp tế bào còn có quá trình phân giải hiếu khí của hệ vi sinh vật có sẵn trong thức ăn. Hai quá trình này diễn ra song song làm cho lượng khí O2 của hố ủ cạn kiệt, tạo điều kiện yếm khí nhanh chóng.
Khi các tế bào thực vật trong thức ăn bị chết bởi nhiệt độ thì hệ thống bảo vệ của tế bào mất tác dụng, lúc này các men phân giải protein hoạt động mạnh, thủy phân protein thành các axit amin và các amin khác, một phần axit amin tiếp tục bị phân giải thành amoniac. Bên cạnh đó các protein của vi sinh vật cũng bị phân giải bởi các men. Như vậy sự tổn thất protein của thức ăn diễn ra chủ yếu ở giai đoạn này.
* Quá trình tạo axit axetic: Ngay từ đầu quá trình ủ chua các vi sinh vật trong thức ăn phát triển mạnh, lớn nhất là nhóm vi khuẩn E.coli (đại diện
là Escherichia và Klebsiella), sản phẩm chính là axit axetic. Bên cạnh đó nhóm vi khuẩn E.coli còn có khả năng phân giải protein bằng các phản ứng khử amin và cả carboxyl của các axit amin tạo NH3. Khi pH = 4,5 thì nhóm vi khuẩn E.coli bị ức chế, những loại vi khuẩn khác lên men sinh axit butylic, nấm mốc, nấm men... có thể tồn tại ở pH cao nhưng lại không thích nghi với môi trường yếm khí do đó chúng chỉ phát triển được ở bề mặt hố ủ nơi có không khí lọt vào.
* Quá trình lên men tạo axit lactic: Có hai dạng lên men tạo axit lactic là lên men latic đồng loại (đồng hình) và lên men lactic khác loại (dị hình).
Trong quá trình lên men lactic đồng hình thì glucose sẽ được chuyển hóa theo chu trình Embden - Mayerhof để cuối cùng tạo ra 2 axit pyruvic và NAD - H+, sau đó axit pyruvic sẽ được khử thành axit lactic.
C6H12O6 2CH3COCOOH + 4H
CH3COCOOH + 4H 2CH3CHOHCOOH (axit lactic)
Lên men dị hình của vi sinh vật là quá trình lên men không chỉ tạo ra axit lactic mà còn tạo ra các sản phẩm phụ khác như rượu, axit axetic, CO2...
C6H12O6 2CH3CHOHCOOH + C2H5OH + CO2
* Quá trình phân giải các chất có Nitơ (N) : Trong môi trường tự nhiên có nhiều loại vi sinh vật có khả năng sản sinh ra môi trường enzym proteaza (proteinaza, peptidaza). Các enzym xúc tác quá trình thủy phân liên kết peptit và một số liên kết khác làm cho phân tử protein được phân giải thành các hợp chất đơn giản hơn. Các chất này sẽ biến đổi theo các trường hợp: (1) Dưới tác dụng của enzym peptidaza ngoại bào sẽ chuyển hóa tiếp thành axit amin; (2) Tế bào vi sinh vật hấp thu trực tiếp để làm nguyên liệu cho protein vi sinh vật; (3) Vi sinh vật tiếp tục phân giải tạo ra các sản phẩm trung gian và NH3. Quá trình phân giải protein thành axit amin rất phức tạp tạo ra nhiều sản phẩm trung gian cho các sơ đồ sau:
R - CH(NH2) - COOH R - CHOH - COOH + NH3 R - CH(NH2) - COOH R - CO - COOH + NH3 R - CH(NH2) - COOH R - COOH + CO2 + NH3
Khi phân giải các axit amin có chứa lưu huỳnh như methionine, cystin, cystein, sẽ giải phóng ra H2S, khi phân giải triptophan sinh ra indol và scanton có mùi thối.
HOOC - CH2NH2 - CH2 - SH + H2O CH3COOH - HCOOH + H2S + NH3 Như vậy chúng ta càng hạn chế được quá trình phân giải protein trong hố ủ thì chất lượng thức ăn ủ càng cao.
* Giai đoạn đình chỉ sự lên men: Đây là giai đoạn cuối cùng của quá trình ủ chua. Số lượng vi sinh vật liên tục giảm xuống do tri số pH giảm trong điều kiện yếm khí, đa số vi sinh vật bị chết. Tuy nhiên do enzym trong tế bào của chúng vẫn tiếp tục hoạt động, làm cho nồng độ các axit hữu cơ vẫn còn tăng sau một vài ngày. Thực tế quá trình lên men đã kết thúc, các loại vi sinh vật ngừng hoạt động, các chất dinh dưỡng trong thức ăn không bị phân hủy. Trị số pH lúc này khá ổn định ở mức 3,9 - 4,5. Nếu vì lý do nào đó làm cho thức ăn ủ bị hao hụt các axit hữu cơ (rửa trôi) thì pH sẽ lên trên 4,5 và nhóm
vi khuẩn Clostridium sẽ hoạt động phân hủy axit lactic thành axit butyric, phân hủy nhóm protein tạo NH3. Như vậy giữ cho môi trường yếm khí là rất quan trọng để bảo quản thức ăn ủ chua.
c) Ưu, nhược điểm của phương pháp ủ chua.
- Ưu điểm của phương pháp ủ chua: Giá thành rẻ hơn phương pháp phơi sấy, ít hao hụt các chất dinh dưỡng, thích hợp với nhiều nước đang phát triển ở nhiệt đới vì không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết (Gohl, 1993) [33]. Các phụ phẩm nhiều nước, giàu protein, thu hoạch vào mùa mưa vẫn có thể chế biến dữ trữ được bằng phương pháp ủ chua; Thức ăn ủ chua tổn thất dinh dưỡng tương đối ít, lại giữ được hoạt tính sinh tố A, thường đạt được 1/3 so với dạng tươi (Gohl, 1993) [33]; Ủ chua thức ăn không đòi hỏi thiết bị tốn kém nên giá thành sản phẩm hạ, dễ áp dụng trong điều kiện chăn nuôi nông hộ và trang trại nhỏ; Ủ chua thức ăn thường nâng cao được tỷ lệ tiêu hoá thức ăn.
- Nhược điểm của phương pháp ủ chua: Giai đoạn đầu của quá trình ủ chua, chất bột đường bị tổn thất một phần, do hô hấp tế bào thực vật tạo thành nhiệt năng, nước và CO2. Đối với protein thì ít bị tổn thất, nhưng dễ bị biến dạng làm giảm giá trị sinh học của protein trong thức ăn đối với gia súc dạ dày đơn và gia cầm (Schmidt, Wetterau, 1974) [37]; Hàm lượng sinh tố D trong thức ăn ủ chua của cùng một loại cỏ, sau khi ủ chua thường thấp hơn so với làm khô (Dương Hữu Thời, Dương Thanh Liêm và cộng sự, 1982) [14]. Nếu ủ chua không đúng quy cách dễ dẫn đến thức ăn bị hư hỏng, không thể sử dụng làm thức ăn cho gia súc.