木薯渣與甜菜顆粒粕組合效應(yīng)對奶牛瘤胃發(fā)酵特性的影響

鄭宇慧，張新雨，李勝利

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，動物營養(yǎng)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

木薯是大戟科的多年生灌木，是非洲、亞洲和拉丁美洲超過五億人口的世界第六大糧食作物[1]。木薯是用于生產(chǎn)淀粉、生物乙醇和化妝品等的重要原材料，這些以木薯為原料的行業(yè)產(chǎn)生了大量木薯渣[2]。中國的木薯渣年產(chǎn)量達(dá)150 萬t，但目前對其利用量相對較少，廢棄木薯渣不僅浪費(fèi)資源還會污染環(huán)境。木薯渣含有一定量的淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪[3]，可作為飼料原料飼喂動物，具有來源廣泛、產(chǎn)量豐富和價格低廉的特點(diǎn)，發(fā)展前景廣闊[4]。

采用水牛瘤胃液進(jìn)行的體外產(chǎn)氣試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)木薯渣有較高的消化率和營養(yǎng)價值[5]。唐春梅等[6]研究表明，以7%～14% 木薯渣替代肉牛日糧中的麥麩可降低肉牛育肥的增重成本，增加收益。還有研究發(fā)現(xiàn)，用木薯渣替代苜蓿干草飼喂泌乳中期奶牛，對其產(chǎn)奶量和乳成分無顯著影響[7]。甜菜顆粒粕是甜菜根制糖過程中形成的副產(chǎn)品，近年來被開發(fā)為反芻動物的能量飼料，不僅可降低成本，還能補(bǔ)充有效纖維，維持瘤胃pH[8]。本試驗(yàn)旨在應(yīng)用體外產(chǎn)氣法探究木薯渣與甜菜顆粒粕2 種加工副產(chǎn)品類能量飼料組合用于飼喂泌乳中后期奶牛的可行性，探究二者的適宜組合比例，為木薯渣的利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)用木薯渣（產(chǎn)自泰國，提取淀粉后經(jīng)物理壓榨而成）由北京九正生物科技有限公司提供，甜菜顆粒粕由北京中地畜牧科技有限公司提供。飼料樣品在烘箱中65℃烘干48 h 至恒重后在空氣中回潮粉碎過1 mm 分析篩，用于常規(guī)營養(yǎng)成分含量的測定及體外瘤胃微生物發(fā)酵試驗(yàn)，試驗(yàn)樣品的常規(guī)營養(yǎng)成分含量如表1 所示。

1.2 瘤胃液采集 瘤胃液于試驗(yàn)當(dāng)天晨飼前采自3 頭處于泌乳中后期并裝有永久瘤胃瘺管的成年荷斯坦奶牛。試驗(yàn)牛的日糧由CMP 軟件配制，其總凈能175.73 MJ/kg、泌乳凈能7.32 MJ/kg、粗蛋白質(zhì)含量16.9%。試驗(yàn)牛干物質(zhì)采食量24.0 kg/d，每天飼喂2 次，自由飲水。采集到的瘤胃液經(jīng)4 層紗布過濾后置于39℃恒溫水浴鍋，不斷攪拌并持續(xù)通入CO2備用。

表1 試驗(yàn)用木薯渣及甜菜顆粒粕常規(guī)營養(yǎng)成分含量（風(fēng)干物質(zhì)基礎(chǔ)） %

1.3 試驗(yàn)設(shè)計 本試驗(yàn)采用AGRS-III 型微生物發(fā)酵產(chǎn)氣系統(tǒng)[9]進(jìn)行試驗(yàn)，共設(shè)計7 個處理：木薯渣以0%（對照組）、5%、10%、15%、20%、25%、30%與甜菜顆粒粕組合（風(fēng)干物質(zhì)基礎(chǔ)），每個處理4 個重復(fù)。各組發(fā)酵底物的原料組成及其營養(yǎng)成分含量見表2。

表2 各組發(fā)酵底物原料組成及營養(yǎng)物質(zhì)含量（風(fēng)干物質(zhì)基礎(chǔ)） %

1.4 體外培養(yǎng) ①根據(jù)Menke 等[10]提出的方法配制緩沖液，使用前緩慢持續(xù)通入CO2氣體30 min 左右，調(diào)節(jié)混合液pH 至6.8，置于39℃恒溫水浴鍋備用；②稱取0.5 g 樣品并準(zhǔn)確移取50 mL 緩沖液和25 mL 瘤胃液于120 mL 發(fā)酵瓶，通入CO28～10 s 后，加上幾丁質(zhì)膠塞，上緊螺蓋，與產(chǎn)氣系統(tǒng)對應(yīng)編號的通道氣路接口連接，置于39℃恒溫培養(yǎng)，實(shí)時監(jiān)測各發(fā)酵瓶中的氣體產(chǎn)量；③分別于體外培養(yǎng)3、6、12、24、48 h 后依次取出發(fā)酵瓶測定發(fā)酵液pH；④將瓶中發(fā)酵物全部轉(zhuǎn)入已烘干稱重的尼龍袋（300 目，9 cm×14 cm）中過濾，尼龍袋用水反復(fù)清洗至濾出液澄清后放入65℃烘箱中烘干至恒重，用于測定干物質(zhì)消失率（IVDMD）；⑤尼龍袋過濾所得濾液用于測定氨態(tài)氮（NH3-N）、微生物蛋白（MCP）和揮發(fā)性脂肪酸（VFA）含量。

1.5 檢測指標(biāo) 根據(jù)發(fā)酵前后底物的干物質(zhì)含量，利用差減法計算得到IVDMD；由AGRS-III 裝置自動記錄累積總產(chǎn)氣量并參照Groot 等[11]提出的指數(shù)函數(shù)模型擬合得到總產(chǎn)氣量。產(chǎn)氣動力學(xué)參數(shù)的計算公式：

GPt=A/[1+（C/t）B]

式中，GPt為t 時間的總產(chǎn)氣量（mL/g，DM 基礎(chǔ)）；A 為發(fā)酵底物在該產(chǎn)氣速率下的理論最大產(chǎn)氣量（mL）；B 為底物發(fā)酵產(chǎn)氣過程中的曲線拐點(diǎn)參數(shù)；C 為產(chǎn)氣量達(dá)到總產(chǎn)氣量一半時所用的時間（h）；t 為體外培養(yǎng)時間（h）。

TRmaxS=C×（B-1）（1/B）

RmaxS=（B×TRmaxS（B-1））/（CB+TRmaxSB）

TRmaxG=C×[（B-1）/（B+1）]（1/B）

RmaxG=（A×CB×B×TRmaxG-B-1）/[1+CB×TRmaxG（-B）]2

式中，TRmaxS 為達(dá)到底物最大降解率所需的時間（h）；RmaxS 為底物的最大降解率（/h）；TRmaxG 為達(dá)到最大產(chǎn)氣速率所需的時間（h）；RmaxG為最大產(chǎn)氣速率（mL/h）。

采用用梅特勒FiveEasy Plus 系列pH 計測定發(fā)酵液pH；根據(jù)羅陽等[12]提出的方法測定NH3-N 與MCP含量，每個樣品設(shè)3 個平行；根據(jù)楊紅建等[13]提出的氣相色譜分析法測定VFA 含量，每個樣品設(shè)2 個平行。

1.6 組合效應(yīng)的估算 試驗(yàn)中差異顯著的指標(biāo)采用組合效應(yīng)進(jìn)行綜合評估：組合效應(yīng)=（實(shí)測值-加權(quán)估算值）/加權(quán)估算值×100%，其中，實(shí)測值為實(shí)際測定值，加權(quán)估算值=木薯渣的實(shí)際測定值×木薯渣配比（%）+甜菜顆粒粕實(shí)際測定值×甜菜顆粒粕配比（%）[14]，將單項(xiàng)指標(biāo)的組合效應(yīng)值相加得到多項(xiàng)組合效應(yīng)值。

1.7 統(tǒng)計分析 試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)用Excel 2007 簡單匯總整理后用軟件SAS 9.2 NLIN 程序擬合得到產(chǎn)氣動力學(xué)參數(shù)A、B、C、TRmaxG、RmaxG、TRmaxS、RmaxS，并采用SAS 9.2 ANOVA 程序進(jìn)行單因素方差分析，若處理間差異顯著，則采用Turkey 法進(jìn)行多重分析，P≤0.05 即認(rèn)為差異顯著。

2 結(jié)果

2.1 木薯渣與甜菜顆粒粕組合對泌乳中后期奶牛體外瘤胃發(fā)酵產(chǎn)氣量及動力學(xué)參數(shù)的影響 如表3 所示，隨木薯渣占比的增加，GP48h和RmaxS 均呈線性或二次增加（P＜0.05），C 呈線性或二次下降（P＜0.05），A、RmaxG 和TRmaxS 均呈二次變化（P＜0.05）；30% 組GP、A、RmaxG 和RmaxS 大于對照組（P＜0.05），5%組C 大于對照組（P＜0.05），30% 組TRmaxS 小于其余各組（P＜0.05）。

2.2 木薯渣與甜菜顆粒粕組合對泌乳中后期奶牛體外瘤胃發(fā)酵NH3-N 含量的影響 如表4 所示，體外發(fā)酵培養(yǎng)48 h 時，發(fā)酵液NH3-N 含量隨組合中木薯渣占比增加而呈二次變化（P＜0.05），且5%、10%、15% 和25% 組NH3-N 含量低于對照組（P＜0.05），其余體外培養(yǎng)時間點(diǎn)各組之間無顯著差異。

2.3 木薯渣與甜菜顆粒粕組合對體外瘤胃發(fā)酵MCP 含量的影響 如表5 所示，體外發(fā)酵48 h 時，發(fā)酵液MCP含量隨組合中木薯渣比例增加呈二次變化（P＜0.05），且15%和20%組高于對照組（P＜0.05），30%組低于對照組（P＜0.05），其余體外培養(yǎng)時間點(diǎn)各組之間無顯著差異。

2.4 木薯渣與甜菜顆粒粕組合對泌乳中后期奶牛體外瘤胃發(fā)酵液pH 的影響 如表6 所示，隨發(fā)酵時間的延長，發(fā)酵液的pH 整體呈下降趨勢，其變化范圍是6.33～7.44，各體外培養(yǎng)時間點(diǎn)各處理組發(fā)酵液pH 之間無顯著差異。

2.5 木薯渣與甜菜顆粒粕組合對泌乳中后期奶牛體外瘤胃發(fā)酵48 h VFA 含量的影響 由表7 可見，體外發(fā)酵48 h 時，發(fā)酵液各VFA 和總VFA 含量均隨組合中木薯占比增加呈線性或二次降低（P＜0.05），且均在替代比例為30%時達(dá)到最小值，30%組的各VFA 含量均低于0%、5%、10%組（P＜0.05）及15%、20%、25%組（P＞0.05）。

2.6 木薯渣與甜菜顆粒粕組合對體外瘤胃發(fā)酵IVDMD含量的影響 如表8 所示，各試驗(yàn)組IVDMD 隨體外發(fā)酵時間的延長呈增加趨勢，但各體外培養(yǎng)時間點(diǎn)各處理組IVDMD 之間均無顯著差異。

2.7 木薯渣與甜菜顆粒粕組合體外發(fā)酵指標(biāo)組合效應(yīng)如表9 所示，以0% 組為對照的多項(xiàng)組合效應(yīng)值，5%組和10% 組表現(xiàn)出了正組合效應(yīng)，其余組合均表現(xiàn)出負(fù)組合效應(yīng)。此外，5% 和10% 組的48 h 產(chǎn)氣量表現(xiàn)為正組合效應(yīng)，5%、10%、15% 和20% 組的TVFA均表現(xiàn)出正組合效應(yīng)，而體外培養(yǎng)48 h 后各處理組NH3-N 含量和乙酸含量均表現(xiàn)為負(fù)組合效應(yīng)。此外，5%組MCP 含量表現(xiàn)為正組合效應(yīng)，而10%組表現(xiàn)為負(fù)組合效應(yīng)。

表3 不同比例木薯渣與甜菜顆粒粕組合對泌乳中后期奶牛體外瘤胃發(fā)酵產(chǎn)氣量及動力學(xué)參數(shù)的影響

表4 不同比例木薯渣與甜菜顆粒粕組合對泌乳中后期奶牛體外瘤胃發(fā)酵NH3-N 含量的影響

表5 不同比例木薯渣與甜菜顆粒粕組合對泌乳中后期奶牛體外瘤胃發(fā)酵MCP 含量的影響

表6 不同比例木薯渣與甜菜顆粒粕組合對泌乳中后期奶牛體外瘤胃發(fā)酵液pH 的影響

表7 不同比例木薯渣與甜菜顆粒粕組合對泌乳中后期奶牛體外瘤胃發(fā)酵48 h VFA 含量的影響

表8 不同比例木薯渣與甜菜顆粒粕組合對體外瘤胃發(fā)酵IVDMD 含量的影響

3 討 論

3.1 不同比例木薯渣與甜菜顆粒粕組合對泌乳中后期奶牛體外瘤胃發(fā)酵48 h 產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣動力學(xué)參數(shù)和IVDMD 的影響 底物中的碳水化合物發(fā)酵是奶牛瘤胃發(fā)酵產(chǎn)氣的主要來源，蛋白質(zhì)的發(fā)酵產(chǎn)氣量相對較小，而脂肪對產(chǎn)氣量的貢獻(xiàn)幾乎可以忽略不計[15]。干物質(zhì)降解率是影響奶牛干物質(zhì)采食量的重要因素，也是衡量日糧營養(yǎng)價值的重要指標(biāo)。奶牛一定時間內(nèi)的干物質(zhì)降解率越高，其干物質(zhì)采食量就越大[16]。研究表明，奶牛瘤胃發(fā)酵產(chǎn)氣量與底物中的淀粉含量[17]和干物質(zhì)降解率均呈正相關(guān)[10]。本試驗(yàn)中隨木薯渣替代比例的增加，30% 組的48 h 產(chǎn)氣量和理論最大產(chǎn)氣量均顯著高于其余各組，這可能是由于隨木薯渣比例的增加，發(fā)酵底物中淀粉含量隨之增加，故體外發(fā)酵產(chǎn)氣量增加，這與黃雅莉等[18]的研究結(jié)果一致。此外，飼料瘤胃降解是瘤胃微生物對飼料中各營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行分解的結(jié)果，受瘤胃微生物組成及活性等諸多因素影響，而本試驗(yàn)中各處理在各體外培養(yǎng)時間點(diǎn)的IVDMD 之間差異不顯著，這可能與木薯渣與甜菜顆粒粕組合使用影響泌乳中后期奶牛瘤胃微生物組成有關(guān)，后期試驗(yàn)可以此為切入點(diǎn)，進(jìn)一步探明機(jī)理。

表9 不同比例木薯渣與甜菜顆粒粕組合體外發(fā)酵指標(biāo)組合效應(yīng)值

3.2 不同比例木薯渣與甜菜顆粒粕組合對泌乳中后期奶牛體外瘤胃發(fā)酵NH3-N 和MCP 含量的影響 飼料中的蛋白質(zhì)會被水解為氨基酸和肽類，這些小分子物質(zhì)會被微生物分解產(chǎn)生NH3-N，其含量是體現(xiàn)底物中蛋白質(zhì)降解程度的指標(biāo)之一[19]。微生物蛋白是奶牛主要的氮源，能為其提供所需蛋白的60%～80%[17]。本試驗(yàn)中，體外培養(yǎng)48 h 后，隨組合中木薯渣比例的增加，各處理組發(fā)酵液中NH3-N 含量呈先降低后升高的二次變化，而MCP 含量則呈先升高后降低的二次變化。研究表明，MCP 含量不僅能反映培養(yǎng)體系中微生物利用NH3-N 的能力，還能間接體現(xiàn)微生物種群的數(shù)量[19]，后期試驗(yàn)可關(guān)注二者組合使用對泌乳中后期奶牛瘤胃微生物組成及數(shù)量的影響。此外，MCP 的合成受瘤胃微生物可利用的能量和氮的綜合影響，合理的能氮同步釋放日糧可以進(jìn)一步優(yōu)化不同飼料原料之間的組合，使瘤胃微生物能夠更加充分地利用發(fā)酵底物中的營養(yǎng)物質(zhì)[20]。因此，本試驗(yàn)中木薯渣與甜菜顆粒粕組合后，各處理組MCP與NH3-N 含量呈二次變化可能與二者組合后影響發(fā)酵底物的能氮同步釋放有關(guān)，后期試驗(yàn)可針對此進(jìn)行深入探索。

3.3 不同比例木薯渣與甜菜顆粒粕組合對泌乳中后期奶牛體外瘤胃發(fā)酵液pH 和VFA 含量的影響 pH 是反映奶牛瘤胃內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)和瘤胃發(fā)酵的重要指標(biāo)，發(fā)酵底物的性質(zhì)、動物唾液的分泌量、飼喂方式及VFA 的合成、吸收與排泄等均會影響奶牛瘤胃pH。在實(shí)際生產(chǎn)中，維持奶牛瘤胃pH 在正常范圍內(nèi)是保證奶牛瘤胃正常發(fā)酵的前提和基礎(chǔ)[21]。本試驗(yàn)中，各處理各時間點(diǎn)的pH之間均無顯著差異，表明木薯渣與甜菜顆粒粕組合使用可以為奶牛瘤胃發(fā)酵提供適宜而穩(wěn)定的環(huán)境。

飼料在奶牛瘤胃進(jìn)行發(fā)酵時，其中纖維、淀粉和糖會產(chǎn)生VFA、二氧化碳和甲烷；蛋白質(zhì)會部分降解為氨、VFA 和氣體；脂質(zhì)會被不飽和脂肪酸氫化而部分降解為甘油和脂肪酸[22]。乙酸、丙酸和丁酸等VFA 是瘤胃發(fā)酵的最終產(chǎn)物，是反芻動物代謝能的主要來源[23]。其中乙酸和丁酸主要用于乳脂合成，丙酸是葡萄糖合成的前體物質(zhì)，也可以競爭性的消耗氫氣，進(jìn)而有效降低甲烷的生成[24]，異丁酸和異戊酸為支鏈脂肪酸，可用于合成相應(yīng)的支鏈氨基酸（如纈氨酸和異亮氨酸等）[25]。本試驗(yàn)中，在體外發(fā)酵48 h 時，發(fā)酵液各VFA 和TVFA含量均隨木薯渣添加比例增加呈線性或二次降低，且均在替代比例為30% 時達(dá)到最小值，表明添加木薯渣30%對奶牛瘤胃VFA 的產(chǎn)生有明顯的抑制作用。

3.4 木薯渣與甜菜顆粒粕的組合效應(yīng) 飼料間的組合效應(yīng)被認(rèn)為是來源于不同飼料的營養(yǎng)物質(zhì)、非營養(yǎng)性物質(zhì)和抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)之間互作的整體效應(yīng)，具體而言飼料組合后的整體指標(biāo)高于單一飼料數(shù)值的加權(quán)值時，為正組合效應(yīng)，反之則為負(fù)組合效應(yīng)，相等則為零組合效應(yīng)[26]。由于各組合效應(yīng)之間的數(shù)值會有一些波動，用單一指標(biāo)的組合效應(yīng)評價2 種飼料原料的組合效果不夠客觀，因此引入多項(xiàng)組合效應(yīng)值以更加客觀地反映發(fā)酵效果。本試驗(yàn)中，就單一指標(biāo)的組合效應(yīng)而言，5%和10%組的48 h 產(chǎn)氣量、各VFA 及TVFA 含量均表現(xiàn)出正組合效應(yīng)，而體外培養(yǎng)48 h 后各處理組NH3-N 含量和乙酸含量均表現(xiàn)為負(fù)組合效應(yīng)、5%組MCP 含量表現(xiàn)為正組合效應(yīng)，而10% 組表現(xiàn)為負(fù)組合效應(yīng)，表明5% 組和10% 組對體外培養(yǎng)48 h 后的各VFA 含量及產(chǎn)氣量具有正向的促進(jìn)作用，對NH3-N 含量和乙酸含量有負(fù)面影響。而就多項(xiàng)組合效應(yīng)值而言，5% 組和10% 組表現(xiàn)出了正組合效應(yīng)，其余組合均表現(xiàn)出負(fù)組合效應(yīng)。表明5%組和10%組對泌乳中后期奶牛的瘤胃發(fā)酵表現(xiàn)為綜合的正向促進(jìn)作用。該評價方法與蘇海涯[14]、唐賽涌等[27]和布同良[28]一致。

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)條件下，不同比例木薯渣與甜菜顆粒粕組合，體外培養(yǎng)48 h 后，GP 和底物的最大降解率（RmaxS）隨木薯渣比例增加呈線性或二次增加；發(fā)酵液各VFA和TVFA 含量均隨木薯渣比例增加呈線性或二次降低；5%組和10%組以0%組為對照的多項(xiàng)組合效應(yīng)值表現(xiàn)出正組合效應(yīng)，其余組合均表現(xiàn)出負(fù)組合效應(yīng)。故當(dāng)木薯渣占比為5%～10% 時較為適宜，但此結(jié)果仍需奶牛飼養(yǎng)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。