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

(中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，動物營養學國家重點實驗室，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)是必需的數據，因此，樣品GE的測定精準度直接關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，從而計算燃燒所產生的熱量[1]。然而，不同廠家生產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]研究結果表明，糞便中不易燃燒的物質含量較高，測定時往往出現不完全燃燒、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，發現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使用的氧彈熱量計種類較多，儀器在構造、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的差異鮮見相關報道。因此，本研究通過比較我國飼料行業主流使用的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。所有樣品用多功能粉碎機(生產廠家：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 ℃保存備用。

表1 飼糧、飼料原料及糞樣的概略養分含量(風干基礎)

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、日間及總變異系數的差異，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(dry matter，DM)含量，并根據ISO 9831∶1998的方法測定飼糧、飼料原料、糞樣及經仿生消化系統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)的操作規程參考趙峰等[9]仿生消化法測定豬飼糧EHGE測定技術規程進行。

1.4 數據處理與統計分析

采用SAS 9.0的MEANS模塊對基本統計量進行分析。根據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(組內)平方和、日間(誤差)平方和統計量，再參照蔣紅衛等[10]的公式計算GE測定值的日內、日間及總變異系數。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定義為統計顯著性差異。

2 結果與分析

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、日間及總變異系數分別在0.23%～0.38%、0.36%～0.68%和0.41%～0.72%；氧彈熱量計型號2的日內、日間及總變異系數分別在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、日間及總變異系數分別為0.79%、0.59%和0.90%，而氧彈熱量計型號2的日內、日間及總變異系數分別為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、日間及總變異系數分別在0.22%～0.76%、0.19%～0.44%和0.29%～0.75%；氧彈熱量計型號2的日內、日間及總變異系數分別在0.19%～0.71%、0.15%～0.40%和0.22%～0.71%；2種氧彈熱量計在日內、日間及總變異系數的平均值上較接近。在糞樣1～4的GE測定中，氧彈熱量計型號1的日內、日間及總變異系數分別在1.46%～12.98%、0.74%～4.43%和1.44%～11.67%；氧彈熱量計型號2的日內、日間及總變異系數分別在0.35%～1.02%、0.04%～0.36%和0.23%～0.95%；氧彈熱量計型號1在日內、日間及總變異系數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

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

不同廠家生產的氧彈熱量計在儀器構造、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的測定結果。ISO 9831—1990[1]、德國IKA及美國PARR在氧彈熱量計的測定規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，粒徑過大時易出現燃燒不充分。蔡阿敏等[2]的試驗結果表明，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]，同時也發現，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尚待進一步研究。本試驗的粉碎粒徑采用目前絕大多數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與文獻數據更具可比性。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的計算結果。上樣量過多，容易造成劇烈爆炸而引起樣品飛濺。根據操作手冊，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趨于穩定(未列出數據)。這一現象與使用型號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較為穩定的結果[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完全不一致的變化規律。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的變異系數遠高于飼糧及飼料原料測定GE的變異系數，從而導致統計的集合標準誤較大，而t值變小。這一現象與D’alfonso等[23]的試驗結果類似，其數據表明氧彈熱量計重復5次測小麥GE的變異系數為1.40%，而4個雞排泄物各4次重復測定GE的變異系數在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據后，得出測定7類樣品GE的重復性變異系數在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(日內、日間及總變異系數)相對接近，而氧彈熱量計型號1在測定糞樣GE的變異系數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，通常出現燃燒不完全現象[4]。這一結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%的結果[13]相一致。

4 結 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。