木薯渣與甜菜顆粒粕組合效應對奶牛瘤胃發酵特性的影響

鄭宇慧，張新雨，李勝利

（中國農業大學動物科學技術學院，動物營養學國家重點實驗室，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產生了大量木薯渣[2]。中國的木薯渣年產量達150 萬t，但目前對其利用量相對較少，廢棄木薯渣不僅浪費資源還會污染環境。木薯渣含有一定量的淀粉、蛋白質和脂肪[3]，可作為飼料原料飼喂動物，具有來源廣泛、產量豐富和價格低廉的特點，發展前景廣闊[4]。

采用水牛瘤胃液進行的體外產氣試驗發現木薯渣有較高的消化率和營養價值[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。還有研究發現，用木薯渣替代苜蓿干草飼喂泌乳中期奶牛，對其產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品，近年來被開發為反芻動物的能量飼料，不僅可降低成本，還能補充有效纖維，維持瘤胃pH[8]。本試驗旨在應用體外產氣法探究木薯渣與甜菜顆粒粕2 種加工副產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。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 試驗用木薯渣（產自泰國，提取淀粉后經物理壓榨而成）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，用于常規營養成分含量的測定及體外瘤胃微生物發酵試驗，試驗樣品的常規營養成分含量如表1 所示。

1.2 瘤胃液采集 瘤胃液于試驗當天晨飼前采自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、粗蛋白質含量16.9%。試驗牛干物質采食量24.0 kg/d，每天飼喂2 次，自由飲水。采集到的瘤胃液經4 層紗布過濾后置于39℃恒溫水浴鍋，不斷攪拌并持續通入CO2備用。

表1 試驗用木薯渣及甜菜顆粒粕常規營養成分含量（風干物質基礎） %

1.3 試驗設計 本試驗采用AGRS-III 型微生物發酵產氣系統[9]進行試驗，共設計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（風干物質基礎），每個處理4 個重復。各組發酵底物的原料組成及其營養成分含量見表2。

表2 各組發酵底物原料組成及營養物質含量（風干物質基礎） %

1.4 體外培養 ①根據Menke 等[10]提出的方法配制緩沖液，使用前緩慢持續通入CO2氣體30 min 左右，調節混合液pH 至6.8，置于39℃恒溫水浴鍋備用；②稱取0.5 g 樣品并準確移取50 mL 緩沖液和25 mL 瘤胃液于120 mL 發酵瓶，通入CO28～10 s 后，加上幾丁質膠塞，上緊螺蓋，與產氣系統對應編號的通道氣路接口連接，置于39℃恒溫培養，實時監測各發酵瓶中的氣體產量；③分別于體外培養3、6、12、24、48 h 后依次取出發酵瓶測定發酵液pH；④將瓶中發酵物全部轉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，用于測定干物質消失率（IVDMD）；⑤尼龍袋過濾所得濾液用于測定氨態氮（NH3-N）、微生物蛋白（MCP）和揮發性脂肪酸（VFA）含量。

1.5 檢測指標 根據發酵前后底物的干物質含量，利用差減法計算得到IVDMD；由AGRS-III 裝置自動記錄累積總產氣量并參照Groot 等[11]提出的指數函數模型擬合得到總產氣量。產氣動力學參數的計算公式：

GPt=A/[1+（C/t）B]

式中，GPt為t 時間的總產氣量（mL/g，DM 基礎）；A 為發酵底物在該產氣速率下的理論最大產氣量（mL）；B 為底物發酵產氣過程中的曲線拐點參數；C 為產氣量達到總產氣量一半時所用的時間（h）；t 為體外培養時間（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 為達到最大產氣速率所需的時間（h）；RmaxG為最大產氣速率（mL/h）。

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

1.6 組合效應的估算 試驗中差異顯著的指標采用組合效應進行綜合評估：組合效應=（實測值-加權估算值）/加權估算值×100%，其中，實測值為實際測定值，加權估算值=木薯渣的實際測定值×木薯渣配比（%）+甜菜顆粒粕實際測定值×甜菜顆粒粕配比（%）[14]，將單項指標的組合效應值相加得到多項組合效應值。

1.7 統計分析 試驗所得數據用Excel 2007 簡單匯總整理后用軟件SAS 9.2 NLIN 程序擬合得到產氣動力學參數A、B、C、TRmaxG、RmaxG、TRmaxS、RmaxS，并采用SAS 9.2 ANOVA 程序進行單因素方差分析，若處理間差異顯著，則采用Turkey 法進行多重分析，P≤0.05 即認為差異顯著。

2 結果

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酵產氣量及動力學參數的影響 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酵NH3-N 含量的影響 如表4 所示，體外發酵培養48 h 時，發酵液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），其余體外培養時間點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酵MCP 含量的影響 如表5 所示，體外發酵48 h 時，發酵液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），其余體外培養時間點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酵液pH 的影響 如表6 所示，隨發酵時間的延長，發酵液的pH 整體呈下降趨勢，其變化范圍是6.33～7.44，各體外培養時間點各處理組發酵液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酵48 h VFA 含量的影響 由表7 可見，體外發酵48 h 時，發酵液各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酵IVDMD含量的影響 如表8 所示，各試驗組IVDMD 隨體外發酵時間的延長呈增加趨勢，但各體外培養時間點各處理組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酵指標組合效應如表9 所示，以0% 組為對照的多項組合效應值，5%組和10% 組表現出了正組合效應，其余組合均表現出負組合效應。此外，5% 和10% 組的48 h 產氣量表現為正組合效應，5%、10%、15% 和20% 組的TVFA均表現出正組合效應，而體外培養48 h 后各處理組NH3-N 含量和乙酸含量均表現為負組合效應。此外，5%組MCP 含量表現為正組合效應，而10%組表現為負組合效應。

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酵產氣量及動力學參數的影響

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酵48 h 產氣量、產氣動力學參數和IVDMD 的影響 底物中的碳水化合物發酵是奶牛瘤胃發酵產氣的主要來源，蛋白質的發酵產氣量相對較小，而脂肪對產氣量的貢獻幾乎可以忽略不計[15]。干物質降解率是影響奶牛干物質采食量的重要因素，也是衡量日糧營養價值的重要指標。奶牛一定時間內的干物質降解率越高，其干物質采食量就越大[16]。研究表明，奶牛瘤胃發酵產氣量與底物中的淀粉含量[17]和干物質降解率均呈正相關[10]。本試驗中隨木薯渣替代比例的增加，30% 組的48 h 產氣量和理論最大產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，發酵底物中淀粉含量隨之增加，故體外發酵產氣量增加，這與黃雅莉等[18]的研究結果一致。此外，飼料瘤胃降解是瘤胃微生物對飼料中各營養物質進行分解的結果，受瘤胃微生物組成及活性等諸多因素影響，而本試驗中各處理在各體外培養時間點的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，后期試驗可以此為切入點，進一步探明機理。

表9 不同比例木薯渣與甜菜顆粒粕組合體外發酵指標組合效應值

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酵NH3-N 和MCP 含量的影響 飼料中的蛋白質會被水解為氨基酸和肽類，這些小分子物質會被微生物分解產生NH3-N，其含量是體現底物中蛋白質降解程度的指標之一[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]。本試驗中，體外培養48 h 后，隨組合中木薯渣比例的增加，各處理組發酵液中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體系中微生物利用NH3-N 的能力，還能間接體現微生物種群的數量[19]，后期試驗可關注二者組合使用對泌乳中后期奶牛瘤胃微生物組成及數量的影響。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一步優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酵底物中的營養物質[20]。因此，本試驗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酵底物的能氮同步釋放有關，后期試驗可針對此進行深入探索。

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酵液pH 和VFA 含量的影響 pH 是反映奶牛瘤胃內環境穩態和瘤胃發酵的重要指標，發酵底物的性質、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。在實際生產中，維持奶牛瘤胃pH 在正常范圍內是保證奶牛瘤胃正常發酵的前提和基礎[21]。本試驗中，各處理各時間點的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酵提供適宜而穩定的環境。

飼料在奶牛瘤胃進行發酵時，其中纖維、淀粉和糖會產生VFA、二氧化碳和甲烷；蛋白質會部分降解為氨、VFA 和氣體；脂質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 是瘤胃發酵的最終產物，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，也可以競爭性的消耗氫氣，進而有效降低甲烷的生成[24]，異丁酸和異戊酸為支鏈脂肪酸，可用于合成相應的支鏈氨基酸（如纈氨酸和異亮氨酸等）[25]。本試驗中，在體外發酵48 h 時，發酵液各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% 時達到最小值，表明添加木薯渣30%對奶牛瘤胃VFA 的產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 飼料間的組合效應被認為是來源于不同飼料的營養物質、非營養性物質和抗營養物質之間互作的整體效應，具體而言飼料組合后的整體指標高于單一飼料數值的加權值時，為正組合效應，反之則為負組合效應，相等則為零組合效應[26]。由于各組合效應之間的數值會有一些波動，用單一指標的組合效應評價2 種飼料原料的組合效果不夠客觀，因此引入多項組合效應值以更加客觀地反映發酵效果。本試驗中，就單一指標的組合效應而言，5%和10%組的48 h 產氣量、各VFA 及TVFA 含量均表現出正組合效應，而體外培養48 h 后各處理組NH3-N 含量和乙酸含量均表現為負組合效應、5%組MCP 含量表現為正組合效應，而10% 組表現為負組合效應，表明5% 組和10% 組對體外培養48 h 后的各VFA 含量及產氣量具有正向的促進作用，對NH3-N 含量和乙酸含量有負面影響。而就多項組合效應值而言，5% 組和10% 組表現出了正組合效應，其余組合均表現出負組合效應。表明5%組和10%組對泌乳中后期奶牛的瘤胃發酵表現為綜合的正向促進作用。該評價方法與蘇海涯[14]、唐賽涌等[27]和布同良[28]一致。

4 結 論

本試驗條件下，不同比例木薯渣與甜菜顆粒粕組合，體外培養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%組為對照的多項組合效應值表現出正組合效應，其余組合均表現出負組合效應。故當木薯渣占比為5%～10% 時較為適宜，但此結果仍需奶牛飼養試驗進一步驗證。