2種氧彈熱量計測定樣品總能的差異及其對能量消化率的影響

杜中原 蘇艷芳 陳凱旋 張 虎 高慶濤 趙 峰

(中國農(nóng)業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所，動物營養(yǎng)學國家重點實驗室，北京 100193)

在飼料原料消化能或代謝能的計算中，飼糧及糞樣的總能(GE)是必需的數(shù)據(jù)，因此，樣品GE的測定精準度直接關(guān)系到飼料原料消化能或代謝能的精準度。目前，飼料原料及糞樣、尿樣的GE均采用氧彈熱量計測定，其原理是在氧氣充足的條件下，樣品充分燃燒釋放出的熱量使水溫升高，從而計算燃燒所產(chǎn)生的熱量[1]。然而，不同廠家生產(chǎn)的氧彈熱量計在測定過程中往往有各種因素影響燃燒的程度，從而導致測定值存在偏差。蔡阿敏等[2]采用河南產(chǎn)微機全自動氧彈熱量計(型號：ZDHW-8000)測定全混合日糧的GE隨樣品粉碎粒徑的減少而增加。這可能是由于樣品粒徑越小表面積越大[3]，因而與氧氣接觸越充分，燃燒更徹底。賴建輝等[4]研究結(jié)果表明，糞便中不易燃燒的物質(zhì)含量較高，測定時往往出現(xiàn)不完全燃燒、甚至點火失敗的情況。對于不易燃燒的樣品，通常添加一定比例的助燃劑，如苯甲酸[1]。然而，Shen等[5]采用上海產(chǎn)等熱式氧彈熱量計(型號：HR-15)測定稻殼的GE隨加入苯甲酸助燃劑的比例不同而有差異。Sibbald等[6]比較了Parr 1241絕熱式氧彈熱量計在2種模式下測定GE的變異度，發(fā)現(xiàn)不同模式之間存在較大差異。從上述影響測定GE的因素看，由于不同的研究者采用的氧彈熱量計型號不同，測定的GE可能存在差異。考慮到目前飼料行業(yè)使用的氧彈熱量計種類較多，儀器在構(gòu)造、計算原理上均有一定差異，不同型號氧彈熱量計測定同一樣品GE的差異鮮見相關(guān)報道。因此，本研究通過比較我國飼料行業(yè)主流使用的2種氧彈熱量計在測定飼糧、飼料原料、糞樣GE的變異程度及其對飼糧能量消化率計算值的影響，為飼料行業(yè)在測定GE或能量消化率差異的比較上提供參考。

1 材料與方法

1.1 飼糧、飼料原料及糞樣

飼糧1、2及對應的糞樣1、2來自于本實驗室Gao等[7]的豬消化試驗樣品，飼糧3、4及對應的糞樣3、4來自于黨方坤[8]的豬消化試驗樣品。每個糞樣由6頭豬的糞樣按重量等比例混合而成。玉米、菜籽粕和棉籽粕來源于飼料企業(yè)。所有樣品用多功能粉碎機(生產(chǎn)廠家：永康市某機電廠；型號：XT-A400)粉碎后過40目方形篩孔，密封后于實驗室-20 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

表1 飼糧、飼料原料及糞樣的概略養(yǎng)分含量(風干基礎(chǔ))

1.2 試驗設計

采用兩樣本比較試驗設計，考察2種氧彈熱量計測定樣品GE的日內(nèi)、日間及總變異系數(shù)的差異，以及測定樣品及殘渣的GE后計算的仿生消化法體外能量消化率的差異。在GE日內(nèi)與日間變異的測定中，在09:00—21:00，每3 h測定1次樣品的GE，共測定4次，累計測定4 d。在仿生消化法飼糧及飼料原料能量消化率的測定中，每個樣品的仿生消化設10個重復，未消化殘渣絕干后隨機分成2組。2種氧彈熱量計對飼糧或飼料原料樣品GE分別重復測定2次，對每個未消化殘渣重復樣品的GE測定1次。

1.3 測定指標與方法

按GB/T 6435—2014測定樣品的水分含量并計算其干物質(zhì)(dry matter，DM)含量，并根據(jù)ISO 9831∶1998的方法測定飼糧、飼料原料、糞樣及經(jīng)仿生消化系統(tǒng)消化后未水解殘渣的GE；以苯甲酸作為標準物標定氧彈熱量計的熱容量并定標。仿生消化法測定飼糧及飼料原料的酶水解物能值(EHGE)的操作規(guī)程參考趙峰等[9]仿生消化法測定豬飼糧EHGE測定技術(shù)規(guī)程進行。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用SAS 9.0的MEANS模塊對基本統(tǒng)計量進行分析。根據(jù)兩樣本比較試驗設計的原理，用TTEST模塊對2種氧彈熱量計實測的GE進行差異顯著性分析。通過GLM模塊首先計算出總平方和、日內(nèi)(組內(nèi))平方和、日間(誤差)平方和統(tǒng)計量，再參照蔣紅衛(wèi)等[10]的公式計算GE測定值的日內(nèi)、日間及總變異系數(shù)。對于GE測定值與平均值相差1 000 kcal/g(1 cal≈4.185 9 J)以上視為燃燒不充分，不計入平均值統(tǒng)計。采用FREQ模塊的Chisq選項對2種氧彈熱量計在點火失敗、燃燒不充分及燃燒充分的頻次上是否一致進行卡方檢驗。P<0.05定義為統(tǒng)計顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 2種氧彈熱量計測定飼糧、飼料原料及糞樣GE的差異

由表2可知，在4個飼糧的GE測定中，氧彈熱量計型號1比型號2平均值高79～153 cal/g DM(P<0.05)；在3個飼料原料的GE測定中，氧彈熱量計型號1比型號2平均值高64～84 cal/g DM(P<0.05)。而在4個糞樣的GE測定中，氧彈熱量計型號1和2在平均值上相差-230～51 cal/g DM，無顯著差異(P>0.05)。在點火失敗、燃燒不充分及燒熱充分次數(shù)的分布上，氧彈熱量計型號1與型號2有顯著差異(P<0.05)。

表2 2種型號氧彈熱量計測定樣品GE的差異

由表3可知，在飼糧1～3的GE測定中，氧彈熱量計型號1的日內(nèi)、日間及總變異系數(shù)分別在0.23%～0.38%、0.36%～0.68%和0.41%～0.72%；氧彈熱量計型號2的日內(nèi)、日間及總變異系數(shù)分別在0.15%～0.29%、0.25%～0.37%和0.29%～0.44%。在飼糧4的GE測定中，氧彈熱量計型號1的日內(nèi)、日間及總變異系數(shù)分別為0.79%、0.59%和0.90%，而氧彈熱量計型號2的日內(nèi)、日間及總變異系數(shù)分別為3.50%、2.87%和4.18%。在3個飼料原料的GE測定中，氧彈熱量計型號1的日內(nèi)、日間及總變異系數(shù)分別在0.22%～0.76%、0.19%～0.44%和0.29%～0.75%；氧彈熱量計型號2的日內(nèi)、日間及總變異系數(shù)分別在0.19%～0.71%、0.15%～0.40%和0.22%～0.71%；2種氧彈熱量計在日內(nèi)、日間及總變異系數(shù)的平均值上較接近。在糞樣1～4的GE測定中，氧彈熱量計型號1的日內(nèi)、日間及總變異系數(shù)分別在1.46%～12.98%、0.74%～4.43%和1.44%～11.67%；氧彈熱量計型號2的日內(nèi)、日間及總變異系數(shù)分別在0.35%～1.02%、0.04%～0.36%和0.23%～0.95%；氧彈熱量計型號1在日內(nèi)、日間及總變異系數(shù)的平均值上均高于氧彈熱量計2。

表3 2種型號氧彈熱量計測定樣品GE的變異系數(shù)

2.2 2種氧彈熱量計測定飼糧和飼料原料及仿生消化未水解物GE后計算的EHGE及能量消化率的差異

由表4可知，在4個飼糧和3個飼料原料未消化殘渣GE測定中，氧彈熱量計型號1測定的GE均高于氧彈熱量計型號2。除2種氧彈熱量計測定飼糧1或4未消化殘渣GE在統(tǒng)計上差異不顯著(P>0.05)外，其他5個樣品均有顯著差異(P<0.05)。通過2種氧彈熱量計測定樣品的GE及未消化殘渣GE計算的EHGE，由氧彈熱量計型號1測定GE后計算的飼糧3或棉籽粕的EHGE顯著低于由氧彈熱量計型號2測定GE后計算的EHGE(P<0.05)，其他5個樣品2種氧彈熱量計測定GE后計算的EHGE差異不顯著(P>0.05)。由氧彈熱量計型號1測定飼糧3或3個飼料原料的能量消化率顯著低于由氧彈熱量計型號2測定GE后計算的能量消化率(P<0.05)，2種氧彈熱量計測定飼糧1、2、4的GE后計算的能量消化率差異不顯著(P>0.05)。

表4 2種氧彈熱量計測定GE的差異而引起飼糧及飼料原料EHGE和能量消化率的差異

3 討 論

3.1 氧彈熱量計測定樣品GE的影響因素

不同廠家生產(chǎn)的氧彈熱量計在儀器構(gòu)造、計算方法等方面可能存在差異，然而，在測定過程中樣品的粉碎粒徑、上樣量以及防止燃燒時飛濺的處理方式(如紙包裹、壓片、礦物油封閉)可能會影響到GE的測定結(jié)果。ISO 9831—1990[1]、德國IKA及美國PARR在氧彈熱量計的測定規(guī)程中并未對樣品的粉碎粒度作要求。Sibbald等[6]在測定玉米、燕麥、魚粉、肉粉的GE時，粉碎過20目篩。李仲玉等[11]指出PARR 6300氧彈熱量計測定樣品GE時，樣品粉碎過60目篩或稍小并壓成片狀時燃燒最充分，粒徑過大時易出現(xiàn)燃燒不充分。蔡阿敏等[2]的試驗結(jié)果表明，飼糧樣品粉碎過60～100目后測定GE的重復性更好。然而，張麗英[12]在飼料GE的測定中規(guī)定樣品的粉碎粒徑為40目篩。當前，眾多雞代謝試驗中飼糧、糞樣均粉碎均過0.5 mm篩(30～40目)后測定GE[13-14]，豬代謝試驗中飼糧、糞樣均粉碎均過1 mm篩(16目)[15-17]，同時也發(fā)現(xiàn)，目前一些代謝試驗中飼糧、糞樣粉碎粒度未明確指出[18-19]。由此可見，不同研究在測定GE時樣品粉碎的粒徑具有較大的差異。這一差異是否與氧彈熱量計的型號有關(guān)尚待進一步研究。本試驗的粉碎粒徑采用目前絕大多數(shù)文獻報道動物代謝試驗對飼糧和糞樣普遍粉碎過40目篩的“共識”。在這一粒徑下測定的GE與文獻數(shù)據(jù)更具可比性。在上樣量對氧彈熱量計測定樣品GE的影響上，主要受氧彈熱量計如水箱的體積、氧彈的熱容量等因素的影響。上樣量不足，導致測定過程中升溫幅度偏低，影響GE的計算結(jié)果。上樣量過多，容易造成劇烈爆炸而引起樣品飛濺。根據(jù)操作手冊，氧彈熱量計在使用之前，均使用苯甲酸作為標準物進行校正，當測定的苯甲酸GE在(6 318±10)cal/g才進行后續(xù)測樣。此外，IKA C6000氧彈熱量計建議樣品上樣量最多不能超過5 g，熱值最好低于約9 560 cal；Parr 6400氧彈熱量計建議樣品的上樣量最好低于0.7 g，最多不能超過1.5 g，樣品熱值最好低于8 000 cal。本試驗測定玉米的GE中，氧彈熱量計型號1測定的GE隨著上樣量的增加(0.2～1.0 g)而下降，而氧彈熱量計型號2測定的GE在上樣量0.2～0.4 g時隨上樣量的增加而升高，在0.6～1.0 g時GE趨于穩(wěn)定(未列出數(shù)據(jù))。這一現(xiàn)象與使用型號PARR 6300測定玉米GE時，上樣量低于0.5 g，GE略偏低，且多次測定的標準偏差相對較大；上樣量為0.7 g，GE較為穩(wěn)定的結(jié)果[20]一致。由此可見，不同型號的氧彈熱量計測定的GE受上樣量的影響呈現(xiàn)完全不一致的變化規(guī)律。這一影響是否受飼料原料不同而有差異，尚需要進一步研究。目前，鮮見文獻報道飼料原料的碳水化合物水平是否會影響氧彈熱量計對GE的測定值。然而，高纖維樣品、高揮發(fā)性樣品及含氮、硫等元素的樣品[12]，會影響GE測定值的準確性。在防止燃燒時樣品的飛濺中，美國采用ISO 9831—1990[1]的方法，將粉狀樣品裝入聚乙烯袋中。本實驗室通常采用WhatmanTM鏡頭紙(重量約0.07 g/張)包裹粉狀樣品。IKA C6000氧彈熱量計配套有專門的壓片機對粉狀樣品噴灑少量水后進行壓片。然而，不同的防飛濺方式對氧彈熱量計測定GE的影響尚鮮見文獻報道。

3.2 不同型號氧彈熱量計測定樣品GE及變異的比較

文獻鮮見報道2種或2種以上氧彈熱量計測定同一樣品GE的差異。然而，婁瑞潁等[21]使用IKA C200氧彈熱量計測定55個中國玉米的GE平均值為4 579 cal/g DM，變異系數(shù)為1.04%。李全豐[22]使用PARR 6400氧彈熱量計測定100個中國玉米的GE平均值為4 447 cal/g DM，變異系數(shù)為1.01%。上述研究中玉米GE的差異因氧彈熱量計型號的不同而貢獻了多少尚不清楚，但從本研究的結(jié)果看，2種氧彈熱量計導致玉米GE的差異達到了84 cal/g DM。在飼糧和其他飼料原料上2種氧彈熱量計測定的GE也存在顯著差異。而在測定糞樣2和4的GE上，雖然2種氧彈熱量計測定值差異較大，但統(tǒng)計檢驗差異不顯著。這主要是由于氧彈熱量計型號1測定糞樣GE的變異系數(shù)遠高于飼糧及飼料原料測定GE的變異系數(shù)，從而導致統(tǒng)計的集合標準誤較大，而t值變小。這一現(xiàn)象與D’alfonso等[23]的試驗結(jié)果類似，其數(shù)據(jù)表明氧彈熱量計重復5次測小麥GE的變異系數(shù)為1.40%，而4個雞排泄物各4次重復測定GE的變異系數(shù)在1.21%～12.18%變化。

Sibbald等[6]比較了同一型號氧彈熱量計在快速模式和標準模式下測定飼糧、糞樣GE比較接近(差值<12 cal/g)，然而，不同樣品在測定日間GE的差異不一致。這表明氧彈熱量計在不同測定日間的測定值存在變化。ISO 9831—1990[1]在剔除部分實驗室異常測定值數(shù)據(jù)后，得出測定7類樣品GE的重復性變異系數(shù)在0.09%～2.10%變化。本試驗中，2種氧彈熱量計在測定飼糧和飼料原料GE的變異系數(shù)(日內(nèi)、日間及總變異系數(shù))相對接近，而氧彈熱量計型號1在測定糞樣GE的變異系數(shù)遠高于氧彈熱量計型號2。這主要是由于糞便中粗灰分含量相對于飼糧較高，通常出現(xiàn)燃燒不完全現(xiàn)象[4]。這一結(jié)論從氧彈熱量計型號1在點火失敗、不完全燃燒頻率高于氧彈熱量計型號2得到佐證。在2種氧彈熱量計測定飼糧和未消化殘渣GE后計算的EHGE中，由于氧彈熱量計型號1測定的所有7個樣品的GE和5個樣品的未消化殘渣GE高于氧彈熱量計型號2，因此，由GE測定的差異導致7個樣品中3個樣品的EHGE計算值和4個樣品的能量消化率計算值存在顯著差異。這是因為在消化試驗中未消化殘渣的GE相對于消化前樣品的GE占比較小，因此，同一個樣品的能量消化率主要受樣品GE測定值高低的影響。這一現(xiàn)象與小麥氮校正真代謝能的計算中小麥和排泄物GE測定的方差對真代謝能(TME)的變異分別貢獻了48.1%和3.8%的結(jié)果[13]相一致。

4 結(jié) 論

2種氧彈熱量計在測定飼糧及飼料原料的GE上存在差異，在測定糞便GE的重復性上存在較大的差異。2種氧彈熱量計間測定飼糧樣品GE的差異引起了部分樣品EHGE及能量消化率的差異，但這一差異程度遠低于GE測定的差異程度。