呂靜儀 李光磊 杜鴻波 王一強 張淑枝 張永根 李 洋* 辛杭書*
(1.東北農(nóng)業(yè)大學動物科學技術(shù)學院,哈爾濱 150030;2.漢中市煙草公司南鄭分公司,漢中 723102;3.沈陽禾豐反芻動物飼料有限公司,沈陽 110164)
籽用南瓜是以種子作為主要食用器官或加工對象的南瓜類總稱,屬于葫蘆科南瓜屬[1]。我國籽用南瓜的年產(chǎn)量30萬~40萬t,位居世界第一,產(chǎn)生大量的籽用南瓜副產(chǎn)物,如南瓜籽餅、南瓜籽皮、南瓜果肉等[2]。然而,籽用南瓜副產(chǎn)物的利用程度較低,人們通常將其就地堆放或者直接焚燒,造成了資源的浪費,且污染環(huán)境。因此,深入了解籽用南瓜副產(chǎn)物的營養(yǎng)特性并加以充分利用,對我國非常規(guī)飼料資源的開發(fā)和利用具有一定的意義。
有數(shù)據(jù)顯示,南瓜籽餅中粗蛋白質(zhì)含量不低于50%[3],且適口性好[4],可作為反芻動物飼糧的優(yōu)質(zhì)營養(yǎng)來源。Klir等[5]研究表明,在不改變飼糧能量和粗蛋白質(zhì)水平的基礎(chǔ)上,奶山羊飼糧中用南瓜籽餅完全替代豆粕對其產(chǎn)奶量無顯著影響。南瓜籽皮是南瓜籽經(jīng)浸泡、脫皮、晾曬之后得到的種子外皮,屬于短纖維粗飼料。南瓜果肉中碳水化合物含量豐富,其中淀粉含量為5%~10%,果膠含量為0.6%~2.0%[1],且粗蛋白質(zhì)水平可達到15%[6],同樣也可作為優(yōu)質(zhì)的反芻動物飼料原料。
傅里葉變換紅外光譜(FTIR)技術(shù)是一種簡單、便捷和快速的分析手段,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于谷物[7-8]、油籽[9]、粗飼料[10-11]和農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物[12]分子結(jié)構(gòu)特性的研究中。然而,關(guān)于籽用南瓜副產(chǎn)物的FTIR分子結(jié)構(gòu)的分析,未見報道。基于此,本試驗旨在比較南瓜籽餅、南瓜籽皮及南瓜果肉的營養(yǎng)價值和生物學降解特性,并利用FTIR技術(shù)分析上述南瓜籽副產(chǎn)物中與碳水化合物官能團有關(guān)區(qū)域內(nèi)的分子結(jié)構(gòu)特征,分析營養(yǎng)價值與分子結(jié)構(gòu)是否存在相關(guān)關(guān)系,為籽用南瓜副產(chǎn)品在反芻動物生產(chǎn)中的合理高效利用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
本試驗選用的籽用南瓜來自于雙鴨山市黑龍江和興農(nóng)產(chǎn)品有限公司(2018年10月),包括3個品種,分別為銀輝1號、銀輝2號和金輝1號(品種作為重復),每個品種包含50個籽用南瓜。采用人工分離的方法將每個籽用南瓜分為3部分,即南瓜籽、南瓜籽皮和南瓜果肉。利用物理冷榨方法,使用螺旋式榨油機(KYL-380榨油機)對南瓜籽進行加工,控制溫度為70 ℃,水分含量為7.5%,轉(zhuǎn)速為36 r/min,出油率約為47%,將南瓜籽榨油后得到南瓜籽餅。所有樣品均在55 ℃的烘箱中干燥48 h,一部分粉碎至1.0 mm,用于常規(guī)化學成分分析以及瘤胃降解參數(shù)的測定,另一部分粉碎至0.25 mm,用于光譜掃描。
1.2.1 常規(guī)化學成分分析
干物質(zhì)(DM)和粗灰分(Ash)含量采用AOAC(2002)[13]的方法進行測定。根據(jù)Van Soest等[14]的方法,使用Ankom 220纖維分析儀(Ankom公司,美國)分析中性洗滌纖維(NDF)、酸性洗滌纖維(ADF)和酸性洗滌木質(zhì)素(ADL)的含量。淀粉(starch)含量采用Megazyme總淀粉試劑盒(產(chǎn)品編號:K-TSTA;Megazyme國際愛爾蘭有限公司,愛爾蘭)測定。根據(jù)NRC(2001)[15]公式計算總碳水化合物(CHO)、非纖維性碳水化合物(NFC)、半纖維素(hemicellulose)和纖維素(cellulose)的含量。根據(jù)康奈爾凈碳水化合物—蛋白質(zhì)體系(CNCPS)[16]計算碳水化合物中快速降解碳水化合物(CA)、中速降解碳水化合物(CB1)、慢速降解碳水化合物(CB2)、不可利用纖維(CC)的含量。
1.2.2 瘤胃降解參數(shù)測定
采用Nuez-Ortin等[17]方法,準確稱取7 g樣品放入已稱重的尼龍袋(40 μm,10 cm×20 cm)中,在距離上端1.5 cm左右的位置,用橡皮筋扎緊袋口。選用3頭裝有永久性瘤胃瘺管的健康荷斯坦干奶牛[體重為(625±21) kg]為供體動物,將尼龍袋放入規(guī)格為40 cm×50 cm網(wǎng)兜中,于晨飼前放入瘤胃中,分別培養(yǎng)0、2、4、8、12、16、24、36、48 h,每頭牛每個時間點每個樣本為3個重復,培養(yǎng)結(jié)束后,迅速從瘤胃中取出,放入冷水中停止發(fā)酵,并用冷水沖洗,直至流水澄清。清洗后的尼龍袋置于65 ℃烘干48 h,記錄尼龍袋總重。隨后,將尼龍袋內(nèi)的殘渣粉碎過1 mm孔篩,測定其DM和NDF含量,用于測定此2種營養(yǎng)成分的瘤胃降解率。試驗?;A(chǔ)飼糧參照奶牛營養(yǎng)需要NRC(2001)標準進行配制(DM基礎(chǔ)),包括羊草(42.7%)、全株玉米青貯(15.8%)、玉米(13.3%)、麥麩(3.8%)、糖蜜(1.0%)、豆粕(3.2%)、干酒糟(5.4%)、棉籽粕(2.1%)、玉米纖維飼料(7.5%)、玉米胚芽粕(5.0%)和預(yù)混料(0.5%),每日飼喂2次(08:00和16:00),自由飲水。
瘤胃降解參數(shù)利用?rskov等[18]提出的非線性模型進行估算:
Y=a+b(1-e-ct)。
式中:Y為尼龍袋在瘤胃中滯留時間t后營養(yǎng)成分的瘤胃消失率(%);a為快速降解部含量(%);b為慢速降解部分含量(%);c為慢速降解部分的降解速率(%/h)。通過假設(shè)通過率(k)為4.6%/h來計算飼料樣本的瘤胃有效降解率(ED):
ED=a+[(b×c)/(c+k)]。
式中:a、b和c是上述常數(shù)。
1.2.3 光譜數(shù)據(jù)的采集及分析
籽用南瓜副產(chǎn)物(即南瓜籽餅、南瓜籽皮和南瓜果肉)碳水化合物光譜數(shù)據(jù)的采集在東北農(nóng)業(yè)大學理學院化學分子結(jié)構(gòu)分析實驗室進行;利用德國Bruker Alpha-T紅外光譜儀收集其碳水化合物分子結(jié)構(gòu)光譜圖,每個樣本掃描5次,掃描波段在4 000~400 cm-1,分辨率為4 cm-1,掃描次數(shù)128次。
用OMNIC 8.2軟件(Thermo Nicolet公司,美國)對3種籽用南瓜副產(chǎn)物的紅外光譜圖進行分析。根據(jù)文獻確定籽用南瓜副產(chǎn)物中的碳水化合物官能團(包括峰高和峰面積)以及基線位置[19-20]。本試驗所采用的參數(shù)為:結(jié)構(gòu)性碳水化合物區(qū)域(STCHO,基線1 488~1 183 cm-1);纖維復合物區(qū)域(CELC,基線1 287~1 183 cm-1);總碳水化合物區(qū)域(CHO,基線1 183~870 cm-1)。利用軟件中的傅立葉自反卷積(FSD)[19]確定STCHO、CELC和CHO區(qū)域的3個峰高位置,然后對紅外光譜相關(guān)參數(shù)進行統(tǒng)計分析。圖1顯示了不同籽用南瓜副產(chǎn)物在碳水化合物相關(guān)光譜區(qū)域(基線1 488~870 cm-1)內(nèi)的FTIR光譜圖。
圖1 不同籽用南瓜副產(chǎn)物在碳水化合物相關(guān)光譜區(qū)域(基線1 488~870 cm-1)內(nèi)的FTIR光譜圖
采用SAS 9.4軟件中的GLM模塊對籽用南瓜副產(chǎn)物(南瓜籽餅、南瓜籽皮和籽用南瓜果肉)的瘤胃降解參數(shù)和光譜參數(shù)進行數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)模型為:
Yij=μ+Ti+Ei。
式中:Yi為自變量;μ為平均值;Ti為處理效應(yīng);Ei為殘差值。
多重比較采用Duncan氏法,P<0.10代表有趨勢,P<0.05代表差異顯著,P<0.01代表差異極顯著。根據(jù)Pearson相關(guān)分析法,利用SAS 9.4的PROC CORR程序,進行籽用南瓜副產(chǎn)物碳水化合物營養(yǎng)成分、瘤胃降解參數(shù)和碳水化合物光譜結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)分析。
由表1可知,DM基礎(chǔ)下南瓜籽皮的NDF、ADF、ADL和纖維素的含量最高;而南瓜果肉的starch、NFC和CHO的含量最高。南瓜籽餅的半纖維素含量最高。從CNCPS碳水化合物組分來看,南瓜籽皮CA的含量最低,CC的含量最高;南瓜果肉CA和CB1的含量均最高,CC的含量最低。
表1 不同籽用南瓜副產(chǎn)物碳水化合物組分
由表2可知,南瓜籽餅、南瓜籽皮和南瓜果肉的DM和NDF的瘤胃降解參數(shù)均存在顯著的差異(P<0.05)。其中,南瓜果肉的DM快速降解部分、潛在可降解部分、中性洗滌纖維潛在可降解部分均顯著高于南瓜籽餅和南瓜籽皮(P<0.05)。南瓜籽餅的NDF快速降解部分和有效降解率顯著高于南瓜籽皮和南瓜果肉(P<0.05)。南瓜籽餅和南瓜果肉的DM有效降解率無顯著差異(P>0.05)。南瓜籽皮的DM和NDF的瘤胃降解參數(shù)均顯著低于南瓜籽餅和南瓜果肉(P<0.05)。
表2 不同籽用南瓜副產(chǎn)物的瘤胃降解參數(shù)
由表3可知,南瓜籽餅、南瓜籽皮、南瓜果肉3種籽用南瓜副產(chǎn)物的碳水化合物分子結(jié)構(gòu)光譜參數(shù)差異顯著(P<0.05)。其中,南瓜果肉在光譜區(qū)域(基線1 488~1 183 cm-1)的結(jié)構(gòu)性碳水化合物峰面積(A_STCHO)及出峰區(qū)域內(nèi)的多個亞峰的峰高值都顯著高于南瓜籽餅和南瓜籽皮(P<0.05)。南瓜籽餅和南瓜果肉的纖維復合物相關(guān)光譜波段(基線1 287~1 183 cm-1)的峰面積(A_CELC)以及在出峰區(qū)域(基線1 226~1 234 cm-1)最高峰峰高都顯著低于南瓜籽皮(P<0.05)。南瓜果肉的總碳水化合物相關(guān)波段(基線1 183~870 cm-1)的峰面積(A_CHO)及3個峰的峰高值均顯著高于南瓜籽餅和南瓜籽皮(P<0.05)。在碳水化合物光譜結(jié)構(gòu)比例特點方面,南瓜籽餅分子結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)碳水化合物與總碳水化合物峰面積比(A_STCHO/A_CHO)顯著低于南瓜籽皮和南瓜果肉,總碳水化合物3個特征峰高間比顯著高于南瓜籽皮和南瓜果肉(P<0.05)。南瓜果肉分子結(jié)構(gòu)中纖維復合物與總碳水化合物峰面積比(A_CELC/A_CHO)、纖維復合物與結(jié)構(gòu)性碳水化合物峰面積比(A_CELC/A_STCHO)都顯著低于南瓜籽餅和南瓜籽皮(P<0.05)。
表3 不同籽用南瓜副產(chǎn)物碳水化合物光譜分子結(jié)構(gòu)特點
由表4可知,在碳水化合物組分中,NDF、ADF、ADL、纖維素含量與A_CELC呈顯著正相關(guān)(r=0.96~0.99,P<0.01)。Starch、NFC含量與A_STCHO、A_CHO呈極顯著正相關(guān)(r=0.91~0.98,P≤0.01),與A_CELC/A_CHO、A_CELC/A_STCHO呈極顯著負相關(guān)(r=-0.99~-0.93,P<0.01)。半纖維素含量與A_STCHO、A_CHO及A_STCHO/A_CHO呈極顯著負相關(guān)(r=-0.98~-0.93,P≤0.01),與A_CELC/A_STCHO呈極顯著正相關(guān)(r=0.89,P<0.01)。CHO含量與A_STCHO、A_CHO及A_STCHO/A_CHO呈極顯著正相關(guān)(r=0.88~0.98,P≤0.01)。
在CNCPS碳水化合物組分中,CA含量與A_CELC、A_CELC/A_CHO呈極顯著負相關(guān)(r=-0.90~-0.88,P<0.01)。CB1含量與A_STCHO、A_CHO呈極顯著正相關(guān)(r=0.97~0.98,P<0.01),與A_CELC/A_CHO、A_CELC/A_STCHO呈極顯著負相關(guān)(r=-0.99~-0.93,P≤0.01)。CB2含量與A_CELC、A_CELC/A_CHO及A_CELC/A_STCHO呈極顯著正相關(guān)(r=0.81~0.94,P≤0.01)。CC含量與A_CHO呈極顯著負相關(guān)(r=-0.80,P≤0.01),與A_CELC/A_CHO、A_CELC/A_STCHO呈極顯著正相關(guān)(r=0.91~0.99,P<0.01)。
由表4可知,DMa、DMb、DM(a+b)含量、DMED與A_CELC呈極顯著負相關(guān)(r=-0.98~-0.83,P<0.01),DMc與A_STCHO/A_CHO呈極顯著負相關(guān)(r=-0.91,P<0.01)。NDFa含量、NDFc與A_STCHO/A_CHO呈極顯著負相關(guān)(r=-0.90~-0.86,P<0.01),NDFb、NDF(a+b)含量與A_CELC呈極顯著負相關(guān)(r=-0.99~-0.97,P<0.01),NDFED與A_CELC存在極顯著負相關(guān)(r=-0.89,P<0.01)。
表4 不同籽用南瓜副產(chǎn)物碳水化合物分子結(jié)構(gòu)光譜參數(shù)與CNCPS碳水化合物組分、碳水化合物組分及瘤胃降解特性的相關(guān)性分析
NDF由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成,纖維素、半纖維素在瘤胃中降解較慢,而木質(zhì)素在瘤胃中不可降解,所以其含量越高,飼糧中有機物、CP和NDF的消化率越低[21-22]。本試驗數(shù)據(jù)表明,南瓜籽皮的NDF、ADF、ADL和纖維素的含量均最高,可為反芻動物飼糧提供一定的粗纖維。據(jù)文獻報道,非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(如單糖、淀粉和果聚糖)能夠在瘤胃中迅速降解[22],而NFC的含量越多說明飼糧的能量越高[21]。淀粉和糖是南瓜果肉中的主要營養(yǎng)成分[1],說明南瓜果肉的易發(fā)酵碳水化合物含量較高,可以為反芻動物提供較多的能量。南瓜籽餅ADF和ADL的含量與南瓜果肉的含量近似,而NFC和CHO的含量在3種副產(chǎn)品中處于最低水平,說明南瓜籽餅為反芻動物提供的能量有限。但是,南瓜籽餅的粗蛋白質(zhì)含量較高,有研究發(fā)現(xiàn)其所含的限制性氨基酸含量也較豐富[23],是一種優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)飼料[1,5]。
CNCPS碳水化合物組分可以反映飼料中碳水化合物在瘤胃中的降解能力。CNCPS將飼料的碳水化合物劃分為4個部分:CA為糖類、CB1為淀粉和果膠、CB2為可利用纖維、CC為不可利用纖維。據(jù)報道,CA、CB1和CB2含量較高,CC的含量較低時,說明該飼料在瘤胃中易降解,營養(yǎng)豐富[24-25]。本研究得出,南瓜籽肉CA和CB1的含量均最高,CC的含量最低,說明籽用南瓜果肉在碳水化合物營養(yǎng)方面的價值較高。但有關(guān)南瓜果肉在反芻動物營養(yǎng)中應(yīng)用的報道不多,針對其營養(yǎng)特點和理化特性,需要做更進一步的研究。
飼料中瘤胃快速降解部分含量的減少、不可降解部分含量的增加會降低飼料的瘤胃有效降解率,且DM和NDF的降解程度之間存在相關(guān)性[17,26]。本試驗結(jié)果顯示,南瓜籽皮的DM和NDF快速降解部分的含量最少、不可降解部分的含量最多,因此其瘤胃有效降解率最低。南瓜籽餅和南瓜果肉的DM有效降解率相似,說明南瓜籽餅和南瓜果肉的慢速降解部分相似。NDF的降解特性與纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等飼料中的纖維分布密切相關(guān)[9]。因此,這些纖維成分的變化(表1),特別是木質(zhì)素含量的變化,導致了籽用南瓜副產(chǎn)物之間NDF有效降解率的差異。由此可見,籽用南瓜副產(chǎn)物碳水化合物成分和CNCPS組分的差異導致了DM和NDF的瘤胃降解參數(shù)的不同。
研究飼料中的碳水化合物分子結(jié)構(gòu)特征時,主要研究結(jié)構(gòu)性碳水化合物(STCHO)、纖維復合物(CELC)和總碳水化合物(CHO),揭示光譜分子結(jié)構(gòu)官能團的比值并且與飼料的質(zhì)量和營養(yǎng)價值密切相關(guān)[27]。在STCHO區(qū)域內(nèi),1 443~1 445 cm-1、1 382~1 410 cm-1和1 304~1 365 cm-1處為STCHO的3個特征峰高,主要與半纖維素和纖維素化合物有關(guān)[28]。本試驗研究表明,南瓜果肉的STCHO的峰面積以及STCHO中3個峰高值均最高,但是其纖維素和半纖維素的含量較低(表1),目前,本研究首次用FTIR技術(shù)對籽用南瓜副產(chǎn)物分子結(jié)構(gòu)的光譜參數(shù)進行測定,所以,并沒有其他文獻可以作為參考進行數(shù)據(jù)比較。在STCHO區(qū)域內(nèi)(基線1 488~1 183 cm-1),在1 226~1 234 cm-1處出現(xiàn)1個吸收帶,該吸收帶為CELC(基線1 287~1 183 cm-1),CELC區(qū)域的光譜參數(shù)與纖維素化合物的含量有關(guān)。纖維復合物的結(jié)構(gòu)差異與反芻動物的消化率密切相關(guān),纖維素化合物的復雜結(jié)構(gòu)會影響飼料在瘤胃中的降解和利用[9]。纖維素復合物的含量越高說明飼料中的纖維含量越高[8]。此外,本研究發(fā)現(xiàn),南瓜籽皮的CELC峰面積顯著高于南瓜籽餅和南瓜果肉,這說明南瓜籽皮的纖維含量要顯著高于南瓜籽餅和南瓜果肉,與表1所列數(shù)據(jù)吻合。在CHO區(qū)域內(nèi)(基線1 183~870 cm-1),CHO的峰面積越大,其碳水化合物、淀粉的含量越高。已有研究表明,碳水化合物分子結(jié)構(gòu)的變化可以影響飼料的營養(yǎng)價值、消化特性和利用率[8]。因此,籽用南瓜副產(chǎn)物碳水化合物分子結(jié)構(gòu)的不同與其生物學的降解特性密切相關(guān),也是造成其不同營養(yǎng)特性和降解規(guī)律的主要原因。
一般來說,飼料碳水化合物分子結(jié)構(gòu)與其營養(yǎng)價值之間具有一定的相關(guān)關(guān)系[28-29]。Xin等[30]的研究發(fā)現(xiàn),CELC和CHO峰強度的變化不僅與常規(guī)營養(yǎng)成分高度相關(guān),還與NDF瘤胃降解特性之間存在顯著相關(guān)關(guān)系。Zhang等[28]將不同比例的大麥與小麥DDGS進行混合其碳水化合物分子結(jié)構(gòu)與其營養(yǎng)價值存在相關(guān)性。其中,CELC的峰面積與NDF、ADF、ADL、纖維素、CB2和CC含量存在顯著正相關(guān),CHO峰面積與半纖維素含量存在顯著負相關(guān)。Xin等[31]在研究玉米秸稈不同部位的碳水化合物分子結(jié)構(gòu)與其營養(yǎng)價值、瘤胃降解特性之間的相關(guān)關(guān)系中得出,A_STCHO與半纖維素含量存在極顯著負相關(guān),與本試驗結(jié)果一致。A_CELC峰面積與CB2含量存在極顯著負相關(guān),與DM的瘤胃降解參數(shù)沒有相關(guān)性,與本試驗結(jié)果不同,原因可能是由于飼料的種類不同導致飼料中碳水化合物分子結(jié)構(gòu)的不同,使它們之間的相關(guān)性存在差異,也可能與本研究樣本量較少有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)A_CELC與NDF有效降解率存在極顯著負相關(guān),這與Xin等[31]的研究結(jié)果一致。由此可見,籽用南瓜副產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)與其營養(yǎng)價值及瘤胃降解特性之間存在相關(guān)關(guān)系,分子結(jié)構(gòu)光譜參數(shù)有可能作為預(yù)測因子對籽用南瓜副產(chǎn)物的營養(yǎng)特性進行預(yù)測,從而作為飼料營養(yǎng)價值評定新方法建立的基礎(chǔ)。
① 籽用南瓜副產(chǎn)物(南瓜籽餅、南瓜籽皮、南瓜果肉)的碳水化合物組分均存在差異;其中,南瓜果肉starch、NFC和CHO的含量均為最高,南瓜籽餅半纖維素含量最高,而NDF、ADF、ADL和纖維素含量均低于南瓜籽皮,因此南瓜果肉和南瓜籽餅的營養(yǎng)價值較高。
② 籽用南瓜副產(chǎn)物的碳水化合物分子結(jié)構(gòu)存在差異,且與其營養(yǎng)特性之間存在相關(guān)關(guān)系。初步證明,可以利用FTIR技術(shù)對籽用南瓜副產(chǎn)物的營養(yǎng)價值進行評定。