粗飼料粒度對反芻動物體外發(fā)酵機制的研究

■仇慧靜 沈維軍 趙 淵 朱 媚 殷 磊 宋 陽 陳 東

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙410128）

粗飼料是反芻動物的基本日糧，而其粒度大小是影響反芻動物采食和消化的重要指標(biāo)之一。適當(dāng)?shù)拇诛暳祥L度，可以提高其消化率[1]。近年來關(guān)于粗飼料粒度在反芻動物體內(nèi)的研究較多，如粗飼料可以刺激咀嚼行為[2-3]、增加瘤胃容積[4]、促進(jìn)瘤胃肌肉層的發(fā)育和維持表皮的完整性[4]，還能提高生產(chǎn)性能[3，5-8]。

瘤胃模擬技術(shù)是利用體外法研究動物營養(yǎng)與代謝的一項重要技術(shù)，主要分為批次培養(yǎng)法和連續(xù)培養(yǎng)法，在瘤胃發(fā)酵機制研究方面發(fā)揮了重要的作用，該技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化對其研究結(jié)果的準(zhǔn)確性及相關(guān)研究的可比性具有重要意義[9]。根據(jù)體外研究結(jié)果表明，粗飼料粒度大小可對人工瘤胃試驗的結(jié)果造成影響，在前人研究中，所選用的粗飼料其粒度大小也不盡一致，其中依此包括0.45[10，15]、1[11-12，14]、3[13]、4 mm[14，16]及5[15]、9 mm[16]等，顆粒大小相差較大，因此本文重點闡述近年來粗飼料粒度大小對反芻動物體外發(fā)酵機制的研究進(jìn)行了綜述。

1 粗飼料概述

反芻動物營養(yǎng)中的粗飼料是指干物質(zhì)中粗纖維含量在高于18%的飼料，或者細(xì)胞壁含量為35%以上的飼料，常見的粗飼料包括青干草、農(nóng)作物秸稈、青貯飼料、酒糟類飼料以及樹葉等，粗纖維、粗蛋白、無氮浸出物、粗脂肪等是其主要營養(yǎng)成分，粗飼料最顯著的營養(yǎng)特點是粗纖維含量高，是反芻動物能量需要的重要來源[17]。

2 瘤胃模擬技術(shù)

2.1 批次培養(yǎng)法

批次培養(yǎng)法是一種短期的瘤胃模擬培養(yǎng)法，主要包括兩階段法和產(chǎn)氣法。兩階段法又稱為兩步法，由Tilly和Terry于1963年在“一級離體消化法”的基礎(chǔ)上改進(jìn)后提出[18]，兩步法可評定反芻動物飼料消化率，但不能反映飼料降解的動態(tài)信息，而且需通過大量體內(nèi)數(shù)據(jù)來進(jìn)行校正。產(chǎn)氣法由德國霍恩海姆大學(xué)動物營養(yǎng)研究所Menke 于1979 年提出[19]。主要原理是通過離體產(chǎn)氣裝置來模擬瘤胃發(fā)酵，飼料樣品與瘤胃液在體外共同培養(yǎng)，在固定的時間內(nèi)結(jié)束培養(yǎng)，觀察其動態(tài)及總產(chǎn)氣量、揮發(fā)性脂肪酸、氨氮和營養(yǎng)物質(zhì)的消失率等指標(biāo)，具有試驗周期短、操作簡便、成本低廉、一次測定的樣品數(shù)量多等優(yōu)點，但由于存在不能排出發(fā)酵產(chǎn)物的缺陷，因而在應(yīng)用上受到一定的限制[20]。

2.2 連續(xù)培養(yǎng)法

連續(xù)培養(yǎng)法又稱為長期人工瘤胃模擬技術(shù)，它是利用體外發(fā)酵裝置模擬瘤胃，通過發(fā)酵底物和人工唾液動態(tài)的流入、發(fā)酵產(chǎn)物連續(xù)排出，實現(xiàn)持續(xù)發(fā)酵的一種方法。根據(jù)發(fā)酵罐內(nèi)固相和液相外流是否一致而分為單外流連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)和雙外流連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)，雙外流連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)是單外流連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)的改進(jìn)版。連續(xù)培養(yǎng)法能準(zhǔn)確地模擬瘤胃內(nèi)環(huán)境，具有穩(wěn)定性好、能實時觀察試驗動態(tài)信息的優(yōu)點[21]。

3 粗飼料粒度對瘤胃發(fā)酵特征的影響

在配制反芻動物日糧過程中，需要提供足夠的纖維以及適宜的粗飼料粒度,來提高日糧中物理有效中性洗滌纖維（peNDF）的含量,進(jìn)而有效改善瘤胃發(fā)酵功能。動物瘤胃內(nèi)微生物能將其纖維等碳水化合物質(zhì)分解為揮發(fā)性脂肪酸（VFA），從而為瘤胃提供酸性內(nèi)環(huán)境，也能將飼料中的蛋白質(zhì)成分降解為氨氮（NH3-N）和氨基酸等發(fā)酵產(chǎn)物，并合成蛋白酶。瘤胃微生物菌群的活性取決于瘤胃內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，而瘤胃內(nèi)環(huán)境受諸多因素所影響，常用的評價瘤胃內(nèi)環(huán)境的指標(biāo)主要有瘤胃pH值、VFA含量和NH3-N濃度等，這些指標(biāo)能夠為碳水化合物消化率、蛋白消化利用水平和瘤胃平衡狀態(tài)的研究提供重要依據(jù)[22]。據(jù)大量研究發(fā)現(xiàn)，粗飼料不同粒度大小對反芻動物瘤胃pH值、VFA含量和NH3-N濃度具有不同程度的影響，但結(jié)果不一。

3.1 pH值

瘤胃pH值是反映瘤胃發(fā)酵生理的一項最基本的指標(biāo)。近幾年研究學(xué)者就不同粗飼料粒度大小對瘤胃pH 值影響機理做了相關(guān)研究，但結(jié)論尚不一致。韓海珠等[15]應(yīng)用Rusitec 系統(tǒng)研究了以苜蓿干草為粗飼料所制作的不同粒度（0.45 mm 和5 mm）混合日糧對綿羊瘤胃發(fā)酵特性的影響，發(fā)現(xiàn)給料后6 h 大顆粒組的pH 值極顯著高于小顆粒組，其他采樣時間均無顯著差異，且pH 值維持在7.21～7.30 之間，分析原因可能是由于粉碎長度短的粗飼料在瘤胃發(fā)酵過程中產(chǎn)酸迅速，導(dǎo)致pH 值降低，而隨著培養(yǎng)時間的延長，不斷注入的人工唾液與瘤胃液中產(chǎn)生的VFA 產(chǎn)生了中和反應(yīng)，故pH值繼而上升，但也有研究證明不同粒度大小的粗飼料對瘤胃液pH 值并無影響，如王芳等[11]利用產(chǎn)氣法研究3 種粗飼料（苜蓿草粉、苜蓿干草、玉米秸稈）對瘤胃發(fā)酵的影響，提出不同粗飼料及其粉碎粒度對pH 值無顯著影響，但均處于正常范圍內(nèi)，有學(xué)者分析了粗飼料粒度與瘤胃pH 值關(guān)系研究結(jié)果出現(xiàn)差異的原因，認(rèn)為是由于粗飼料對瘤胃pH值的影響存在一個臨界粉碎粒度，只有當(dāng)粗飼料粒度范圍在某臨界值以下，才會對瘤胃pH值水平造成影響，反之，當(dāng)粗飼料粒度范圍超過了臨界值，則對動物瘤胃液pH 值水平無顯著性影響[22]，其臨界值與日糧中peNDF含量有關(guān)，這些研究均證明粗飼料的粒度大小對維持適宜瘤胃液pH值具有重要作用。

3.2 VFA濃度

目前普遍認(rèn)為，不同粗飼料及不同粉碎粒度在影響各種VFA 含量的同時，還受到碳水化合物消化率、瘤胃壁吸收速率和瘤胃排出速度等因素的共同影響[23-25]。這種觀點被大多研究結(jié)果所認(rèn)同，但仍與一些研究結(jié)果不一致，有學(xué)者利用體外法試驗驗證粗飼料粒度對各種VFA含量的影響，M.Rodríguez-Prado等[26]應(yīng)用雙外流連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)研究了1 mm 和3 mm苜蓿干草顆粒日糧對瘤胃內(nèi)VFA濃度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3 mm 日糧組乙酸、丁酸和乙丙比含量顯著高于1 mm 日糧組，Hildebrand等[16]的研究也得到了相應(yīng)的結(jié)果，韓海珠等[15]也利用此法研究發(fā)現(xiàn)大顆粒組其乙酸、異丁酸、乙丙比及總揮發(fā)性脂肪酸均顯著或極顯著大于小顆粒組，這三個試驗在個別時間點上VFA含量均有所差異，原因可能是這些試驗測定的時間點不同，韓海珠等測定的時間點為給料后0、3、6、9 h 和12 h，而M.Rodríguez-Prado 等和Hildebrand 等分別測定的是3 h 和1 d 累積發(fā)酵液中的VFA 含量，其次是由于三者之間所采用的粗飼料來源不同所導(dǎo)致的結(jié)果。王志軍等[27]指出秸稈類飼草相對于精料來說，其可溶性碳水化合物含量少，在體外培養(yǎng)過程中產(chǎn)生乙酸濃度會較低，Chaji M 等[28]通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，指出其原因可能是日糧中細(xì)粉碎的粗飼料能夠改變纖維素分解菌的數(shù)量和活性，從而說明大顆粒日糧更有益于瘤胃內(nèi)纖維分解菌的生長，以上結(jié)論均表明，影響瘤胃液VFA 的產(chǎn)量因素還有很多，如測定時間點、粗飼料來源、瘤胃微生物活性，以及這些因素與粗飼料粒度之間的互作效應(yīng)。

3.3 NH3-N濃度

據(jù)大量體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，粗飼料粒度大小、蛋白質(zhì)消化率以及瘤胃外流速度都會對NH3-N 產(chǎn)量產(chǎn)生一定影響，飼喂較長的粗飼料會減少飼料顆粒與微生物的接觸面積，從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)消化率降低，進(jìn)而影響了NH3-N的濃度，而飼喂較短的粗飼料提高了飼料瘤胃外流速度，減少了蛋白質(zhì)分解，進(jìn)而導(dǎo)致瘤胃中NH3-N產(chǎn)量減少，故飼喂長度適宜的粗飼料能夠維持消化速率和外流速度的平衡，從而能提高瘤胃液NH3-N 濃度日糧中的蛋白質(zhì)和非蛋白氮在瘤胃中被微生物分解成NH3-N[24-26]。目前，有一些學(xué)者應(yīng)用了體外法研究粗飼料粒度大小對NH3-N 濃度的影響，Hildebrand 等[16]研究發(fā)現(xiàn)大顆粒組中所測得瘤胃液NH3-N含量顯著高于小顆粒組，韓海珠等[15]研究發(fā)現(xiàn)不同粒度日糧對NH3-N濃度并無顯著影響，究其原因可能是采用的方法以及飼料組成不同，使其結(jié)果有所差異。上述結(jié)果均說明瘤胃液中粗飼料以及微生物的差異，都會引起體外培養(yǎng)發(fā)酵后的NH3-N濃度的差異。

4 粗飼料粒度對體外發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響

體外發(fā)酵產(chǎn)氣量是反映飼料可發(fā)酵程度的指標(biāo)，其與瘤胃微生物種類和數(shù)量有關(guān)[29]。目前，國內(nèi)外學(xué)者通過體外法，研究了不同粗飼料粒度大小對產(chǎn)氣量的影響，結(jié)果不一。如Metzler-Zebeli 等[30]利用產(chǎn)氣法研究了TMR 日糧中牧草青貯的粒度大?。?.5、11 mm和25 mm）對體外發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在體外培養(yǎng)24、32 h 以及48 h 時，粒度為11 mm組的產(chǎn)氣量顯著高于其他兩組，Kiran等[31]則利用此法對12 個品種的稻草等粗飼料對瘤胃發(fā)酵特征的影響，發(fā)現(xiàn)1 mm 顆粒組除8 h 和12 h 時產(chǎn)氣量差異顯著外，其他時間點均無明顯變化，Hildebrand等[16]應(yīng)用瘤胃模擬系統(tǒng)研究了1 mm 和4 mm 粒度日糧對瘤胃產(chǎn)氣量的影響，發(fā)現(xiàn)隨著粗飼料粒度的增加，總產(chǎn)氣量也隨之升高。韓海珠等[15]也應(yīng)用了此方法對不同粒度日糧的瘤胃產(chǎn)氣量進(jìn)行了比較研究發(fā)現(xiàn)，大顆粒組的總產(chǎn)氣量極顯著高于小顆粒組，均得到了類似的結(jié)果，Tafaj等[32]認(rèn)為飼料粒度大小能影響瘤胃微生物種群的組成和活性，以及接種物中可發(fā)酵底物的量，因此說明飼喂大顆粒日糧不僅有利于有機物的發(fā)酵，而且更適合瘤胃微生物的生存。

5 粗飼料粒度對瘤胃養(yǎng)分消化率的影響

國內(nèi)外許多試驗證明，反芻動物粗飼料粒度大小能夠影響其在瘤胃以及全消化道的養(yǎng)分消化率與吸收率，并且隨著粗飼料長度的逐漸增加,日糧中營養(yǎng)物質(zhì)的消化率呈線性降低[33]，韓海珠等[15]研究發(fā)現(xiàn)大顆粒組干物質(zhì)、粗蛋白質(zhì)、中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維的降解率均大于小顆粒組。Hans-Joachim G Jung等[34]在研究不同粒度（5.60、2.36、1.18、0.60、0.30 mm和0.15 mm）苜蓿干草對瘤胃養(yǎng)分消化率的影響時，發(fā)現(xiàn)對于所有干草樣品組成成分來說，中性糖殘留物是代表纖維的主要成分，且所有粒徑的酯化酚類含量相似。張金吉等[35]應(yīng)用體內(nèi)法對不同長度粗飼料的TMR 對綿羊消化率的影響做了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)隨著粗飼料長度的增加飼料的營養(yǎng)物質(zhì)消化率是呈現(xiàn)明顯升高趨勢的，與體外法研究結(jié)果一致。Zebeli 等[36]認(rèn)為適當(dāng)降低粗飼料長度(約為10～15 mm)，能夠增加粗纖維的消化率，對于該結(jié)果所作出的解釋是由于日糧中纖維成分與瘤胃內(nèi)細(xì)胞菌和原生生物接觸的面積增加所導(dǎo)致。上述研究均表明養(yǎng)分消化率受到諸多因素的綜合作用，其作用機理還需進(jìn)行深入研究。

6 小結(jié)

綜上所述，體外法研究證實不同粒度大小的粗飼料對反芻動物瘤胃發(fā)酵特征以及養(yǎng)分消化率方面均具有不同程度的影響，反芻動物需要足夠的日糧纖維來維持正常的瘤胃發(fā)酵，提高日糧peNDF含量和粗飼料顆粒大小可以提高瘤胃pH 值、乙/丙酸比例，但粗飼料粒度過長會限制動物的干物質(zhì)采食量和消化率，從而影響動物的能量平衡。