不同飼料原料的體外發(fā)酵性能及產(chǎn)甲烷潛力

齊 英，李政賢

（安陽市農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測站，河南安陽 455000）

甲烷的溫室效應(yīng)是二氧化碳的20～50倍，由于人們對全球變暖的日益關(guān)注，研究人員正在研究，以確定通過調(diào)控反芻動(dòng)物飼料來降低甲烷排放，為減輕溫室效應(yīng)作貢獻(xiàn)。蛋白質(zhì)、淀粉和植物細(xì)胞壁被反芻動(dòng)物瘤胃的微生物（如細(xì)菌、原生動(dòng)物和真菌）水解生產(chǎn)氨基酸和糖，并進(jìn)一步代謝產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸、氫、二氧化碳和氨（Lee等，2003）。由于其他細(xì)菌，主要是產(chǎn)甲烷菌，利用瘤胃內(nèi)的氫來產(chǎn)生甲烷，因此，氫在瘤胃內(nèi)的積累不會成為發(fā)酵的主要最終產(chǎn)物。影響腸道內(nèi)甲烷生產(chǎn)的因素很多，如采食量、消化率、動(dòng)物種類、生理狀態(tài)、精料和粗料比例（喬升民等，2014）。飼料原料中碳水化合物含量占總產(chǎn)氣量的40%，雖然植物中結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量會影響甲烷生成，但粗蛋白質(zhì)也會代謝，產(chǎn)生氨，然后被微生物利用形成甲烷（Kimihiro和 Matsui，2008）。在本研究中，我們利用體外瘤胃發(fā)酵技術(shù)測定糠麩、植物蛋白和谷物類飼料原料成分的甲烷排放和其他發(fā)酵參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 原料與試驗(yàn)設(shè)計(jì) 本試驗(yàn)使用了14種已知營養(yǎng)成分的飼料原料，共分為3類：糠麩類（玉米皮、本地麩皮、進(jìn)口麩皮和棕櫚粕）、植物蛋白類（豆粕、棉粕、菜粕、椰子粕、玉米DDGS、玉米蛋白粉）、谷物類（玉米、大麥和小麥），原料營養(yǎng)成分分析結(jié)果見表1。

1.2 瘤胃液體外發(fā)酵 選擇體重為650 kg的荷斯坦奶牛作為瘤胃液供體。奶牛每天飼喂?jié)饪s料與水稻秸稈（2∶8）。通過瘤胃瘺管，取20 mL厭氧緩沖瘤胃液，置于血清瓶中，用丁基橡膠塞子和鋁蓋密封。每個(gè)樣品復(fù)制3次，并在39℃的振蕩培養(yǎng)箱中保存。在孵育過程中，分別在0、2、4、8、12、24、48和 72 h監(jiān)測體外發(fā)酵參數(shù)。

1.3 樣品測定 使用傳感器測量每個(gè)血清瓶在不同階段的總氣體產(chǎn)量，而在打開每個(gè)瓶后，使用pH計(jì)測量pH。在體外發(fā)酵過程中產(chǎn)生的總氣體（1 mL）用來測定釋放的甲烷和二氧化碳。采用氣相色譜法測定揮發(fā)性脂肪酸濃度。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析 所有處理均設(shè)3個(gè)重復(fù)。使用皮爾遜積差相關(guān)分析來確定研究中使用的不同參數(shù)之間的顯著關(guān)系。P＜0.05表示差異顯著。所有分析均使用統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)SAS軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 原料營養(yǎng)成分 飼料成分的詳細(xì)營養(yǎng)成分如表1所示。根據(jù)其組成特點(diǎn)，將飼料分為糠麩類、植物蛋白類和谷物類，3類原料中總可消化養(yǎng)分水平最高的分別是棕櫚粕、玉米DDGS和小麥。

表1 不同原料營養(yǎng)成分分析 %

2.2 3類原料體外發(fā)酵參數(shù)相關(guān)性 麩皮類原料體外發(fā)酵參數(shù)的相關(guān)分析如表2所示，原料pH與除乙酸與丙酸比值外的所有參數(shù)均呈負(fù)相關(guān)，而乙酸與丙酸比值與除pH、CO2外的所有參數(shù)均呈負(fù)相關(guān)。

表2 糠麩類原料體外發(fā)酵參數(shù)的相關(guān)性

由表3可知，pH和乙酸與丙酸比值呈正相關(guān)，而這兩個(gè)參數(shù)與其他參數(shù)的呈負(fù)相關(guān)。除了pH和丁酸外，其余參數(shù)存在顯著相關(guān)性（P＜ 0.05）。

由表4可知，pH和乙酸與丙酸的比值為正相關(guān)，而與其他參數(shù)表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。除pH和乙酸與丙酸比值外，糠麩、植物蛋白和谷物原料甲烷產(chǎn)量與其他參數(shù)均呈正相關(guān)。

2.3 不同原料體外發(fā)酵甲烷產(chǎn)量及相關(guān)性 由表5可知，當(dāng)以玉米皮、棉粕和大麥為基質(zhì)孵育72 h后，甲烷產(chǎn)量最低，而以本地麩皮、豆粕和玉米為基質(zhì)時(shí)，甲烷產(chǎn)量最高。

由表6可知，低甲烷產(chǎn)量組的非纖維碳水化合物最高，但甲烷產(chǎn)量最低，其次是中、高甲烷產(chǎn)量組。

表3 植物蛋白原料體外發(fā)酵參數(shù)的相關(guān)性

表4 谷物原料體外發(fā)酵參數(shù)的相關(guān)性

表5 不同原料體外不同孵育時(shí)間對甲烷產(chǎn)量的影響 mL

表6 甲烷產(chǎn)氣量分級后原料混合物化學(xué)成分

表7 不同產(chǎn)甲烷量原料體外發(fā)酵參數(shù)的相關(guān)性

如表7可知，pH和乙酸與丙酸比值呈正相關(guān)，而這些參數(shù)與其他參數(shù)呈負(fù)相關(guān)。除pH與丁酸的相關(guān)性外，其余均顯著（P＜0.05）。另一方面，除了pH和乙酸與丙酸比值外，甲烷產(chǎn)量幾乎與其他所有發(fā)酵參數(shù)都呈正相關(guān)（P＜0.05）。非纖維碳水化合物、總可消化養(yǎng)分與瘤胃發(fā)酵參數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。

3 討論

本試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)以玉米皮、棉粕和大麥作為基質(zhì)孵育72 h后，甲烷產(chǎn)量最低，而以本地麩皮、豆粕和玉米為基質(zhì)時(shí)，甲烷產(chǎn)量最高。Qin等（2012）報(bào)道，小麥干物質(zhì)的有效降解能力相對較高，瘤胃微生物對干物質(zhì)的發(fā)酵速度更快。因此，本研究小麥甲烷產(chǎn)量較高可能與其可降解干物質(zhì)水平較高有關(guān)。此外，其他飼料成分的甲烷產(chǎn)量低也可能是由于干物質(zhì)可降解性低，從而導(dǎo)致瘤胃微生物發(fā)酵緩慢。飼料成分的降解也依賴于淀粉顆粒在籽粒中的分布，如Qin等（2012）發(fā)現(xiàn)，小麥胚乳淀粉顆粒呈粉狀，顆粒相對較小。因此，更小的淀粉顆粒有更大的表面積可供微生物和酶解淀粉，從而導(dǎo)致快速降解。Bonhomme（2010）報(bào)道，由于細(xì)菌和原生動(dòng)物之間的最佳共生關(guān)系及這些微生物之間氫的有效交換，可以觀察到甲烷排放的增加。此外，甲烷產(chǎn)生還受日糧碳水化合物種類的影響。

本研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，谷物甲烷產(chǎn)量最高，這可能是由于谷物具有高含量、易發(fā)酵的淀粉、糖或半纖維素，這些物質(zhì)作為底物瘤胃微生物生產(chǎn)氣體。本研究谷物組的甲烷產(chǎn)量與Lee等（2003）報(bào)道的結(jié)果相似，這些谷物都含有大量的無氮提取物，它極易被瘤胃微生物發(fā)酵，為微生物生產(chǎn)甲烷提供了大量底物。當(dāng)反芻動(dòng)物食用可溶性碳水化合物和富含淀粉的飼料時(shí)，丙酸鹽產(chǎn)量增加，甲烷、乙酸以及乙酸與丙酸的比例降低（李嵐捷等，2017）。Lee等（2003）指出，粗纖維是產(chǎn)甲烷的重要組成部分，隨著粗纖維含量的增加，產(chǎn)甲烷量減少，這與本研究粗纖維含量最低的谷物組產(chǎn)甲烷量最高的結(jié)果一致。

根據(jù)所建立的飼料成分組，我們制備了含有高、中和低產(chǎn)甲烷的3組飼料成分混合物，再進(jìn)行體外發(fā)酵試驗(yàn)，并對發(fā)酵參數(shù)進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低甲烷產(chǎn)量組的非纖維碳水化合物最高，但甲烷產(chǎn)量最低。pH和乙酸與丙酸比值呈正相關(guān)，而這些參數(shù)與其他參數(shù)呈負(fù)相關(guān)。另一方面，除了pH和乙酸與丙酸比值外，甲烷產(chǎn)量幾乎與其他所有發(fā)酵參數(shù)都呈正相關(guān)。因此，增加瘤胃發(fā)酵意味著降低pH。低甲烷組具有較高的非纖維碳水化合物和總可消化養(yǎng)分，從而降低了pH，抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性。

4 結(jié)論

不同飼料成分的甲烷生產(chǎn)潛力因營養(yǎng)成分、谷粒類型、加工工藝和消化率的不同而不同。雖然低產(chǎn)甲烷飼料配方可以降低甲烷產(chǎn)量，但提高了非纖維碳水化物、總可消化養(yǎng)分和揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)量。因此，有必要對反芻動(dòng)物研究設(shè)計(jì)成分恰當(dāng)、營養(yǎng)合理的配方飼料，使用甲烷產(chǎn)量低的優(yōu)化日糧飼料，有助于實(shí)現(xiàn)環(huán)保與經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。