不同粗飼料組合對晉南牛瘤胃體外發酵特性的研究

張丹丹，張元慶，程景，靳光，李博，王棟才，徐芳，孫銳鋒

（山西農業大學，山西省農業科學院動物科學學院，山西太原030032）

近年來，我國居民牛肉消費量穩步增加，消費者對牛肉品質提出更高的要求，但牛肉產量與消費需求的缺口在逐年加大。分析原因，牛種資源未得到充分利用是制約我國牛肉產量的重要因素。山西特色牛種晉南牛是我國五大良種黃牛之一，具有飼料利用率和屠宰率高，產肉性能佳、肉質鮮美的優勢。同時，山西省的飼料資源豐富，在國家推行“糧改飼”政策后，朔州市大力推廣種植全株青貯玉米（Zea mays）和苜蓿（Medicago sativa）。全株玉米青貯和苜蓿青貯也因其營養成分高，消化率高、適口性好、耐貯存等優點，成為反芻動物重要的優質粗飼料來源［1?2］。小麥（Triticum aestivum）是山西省主要糧食作物之一，全省常年種植小麥大約6670 hm2，但因小麥秸稈營養價值含量低、口感粗糙，利用率不高，造成大量飼料資源浪費。利用特色飼料資源發展優勢牛種，生產優質牛肉，不僅可以提高秸稈利用率，而且可以促進山西肉牛產業新發展。

為提高利用率，現在越來越多的學者開始研究飼料組合利用效應，通過不同比例組合，提高飼料的利用率。一般來說，飼料組合間會存在互作效應而且不同的飼料組合其互作效應也不同［3］，適宜的比例組合會產生正組合效應。韓肖敏等［4］利用體外產氣法篩選出玉米秸稈、稻草、玉米秸稈青貯正組合效應組合比例，在此基礎上，進一步分析了玉米秸稈、稻草、玉米秸稈青貯與精料的最佳組合比例。馬吉鋒等［5］研究不同粗飼料組合的體外發酵結果。周芯宇等［6］比較了不同類型酒糟與稻草、燕麥（Avena sativa）干草以不同比例組合后的發酵結果。

本試驗旨在利用體外產氣法研究全株玉米青貯、小麥秸稈和苜蓿青貯間以不同比例組合對晉南牛瘤胃發酵特性的影響，篩選不同飼料的最適比例，提高飼料秸稈利用率，為解決飼料供應不足以及擴大飼料來源提供參考，同時促進優勢牛種利用，推動山西肉牛產業發展。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2018 年6 月在山西省農業科學院小麥研究所試驗基地（山西省臨汾市堯都區，東經111.52°，北緯36.11°）采割蠟熟期小麥秸稈，此時小麥秸稈含水率40.73%。2018 年9 月，課題組于朔州基地制作全株玉米青貯，在玉米乳熟期收割全株玉米，將其切短至2 cm 后，裝桶、封嚴等，制成青貯，發酵45 d 開桶，苜蓿青貯采集于朔州試驗牛場。采集飼料樣品65 ℃烘干，粉碎，過篩（0.425 mm），制成試樣。3 種飼料樣品的常規營養成分見表1。

表1 全株玉米青貯、小麥秸稈和苜蓿青貯營養成分Table 1 Nutrients of whole plant corn silage，wheat straw and alfalfa silage

1.2 瘤胃液采集

瘤胃液取自4 頭裝有瘤胃瘺管的晉南牛。在試驗當天晨飼前采集瘤胃液1000 mL，置于預先通有CO2的保溫瓶中，蓋嚴瓶口后迅速帶回實驗室。將瘤胃液混合均勻后經4 層紗布過濾，置于39 ℃水浴中保存，并持續充入CO2以確保瘤胃液處于厭氧環境。

1.3 體外發酵試驗

采用單因素試驗設計，將全株玉米青貯、小麥秸稈、苜蓿青貯以不同比例組合作為發酵底物（表2），每個組合3 次重復，同時設置3 個空白對照（培養管不加任何發酵底物），校正產氣量。按照Menke 等［7］介紹的方法配置緩沖液后，持續通入CO2并預熱至39 ℃。將采集的晉南牛瘤胃液與緩沖液以1∶2 混合制成人工瘤胃培養液，通入CO2至飽和，39 ℃恒溫水浴。

表2 全株玉米青貯、小麥秸稈和苜蓿青貯不同比例組合Table 2 Different proportion of whole plant corn silage，wheat straw and alfalfa silage

準確稱量0.22 g 發酵底物送至100 mL 培養管的前端，加入30 mL 人工瘤胃培養液后（空白管只加人工瘤胃培養液），在水浴恒溫振蕩器中反應，發酵72 h后，冷水終止發酵。將培養管中發酵液排出至50 mL離心管中，離心（4 ℃，5400 r·min?1，15 min），上清液分裝至3 個2 mL 離心管中，置于?80 ℃冰箱保存，用于揮發性脂肪酸（volatile fatty acid，VFA）和氨態氮（NH3-N）等指標測定。多次清洗殘渣后，65 ℃烘干，測定體外干物質降解率（in vitrodry matter degradation rate，IVDMD）。

1.4 測定指標及方法

1.4.1 產氣量（gas production，GP）的測定及產氣動力學模型分析 分別在 2、4、8、12、24、36、48、72 h記錄相應產氣量，GPt=（Vt樣?V0樣）?（Vt空?V0空）。式中：GPt，樣品在t時刻的產氣量（mL）；Vt樣，樣品發酵t小時后培養管的刻度；V0樣，樣品在開始發酵時培養管刻度；Vt空，空白管發酵t小時后培養管的刻度；V0空，空白管在開始發酵時培養管的刻度。

采用體外發酵模型GP=b［1?e?c（t?Lag）］［8］計算產氣參數。式中：GP為t時間點的產氣量（mL·g?1DM）；b為理論最大產氣量（mL·g?1DM）；c為產氣速度（mL·h?1）；t為體外培養時間（h）；Lag為延滯期（h）。

1.4.2 瘤胃發酵參數的測定 采用pH 酸度計（S-25，上海）測定pH，堿性次氯酸鈉?苯酚分光光度計（T2602，上海）［9］測定氨態氮（NH3-N）含量，利用氣相色譜儀（Aglient 7890A，美國）測定VFA［10］濃度，總揮發性脂肪酸（total volatile fatty acid，TVFA）為乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸和異戊酸之和。

1.4.3 體外干物質降解率（IVDMD）的測定IVDMD（%）=100×［發酵底物干物質含量?（樣品殘渣干物質含量?空白管殘渣干物質含量）］/發酵底物干物質含量

1.4.4 組合效應計算 單項組合效應值（single-factor associative effects index，SFAEI）和綜合組合效應值（multiple-factor associative effects index，MFAEI）計算方法如下：

單項組合效應值=（實測值?加權估算值）/加權估算值，加權估算值=A 飼料實測值×A 飼料配比（%）+B飼料實測值×B 飼料配比（%）［11］。

綜合效應值為各單項組合效應值之和。

1.5 數據處理與分析

用Excel 2016 整理數據，采用SPSS 21.0 進行單因素方差分析，Duncan’s 多重比較及非線性參數模擬。P＜0.01 為差異極顯著，P＜0.05 為差異顯著，P＞0.05 為差異不顯著。

2 結果與分析

2.1 不同比例全株玉米青貯、小麥秸稈和苜蓿青貯對產氣量的影響

由表3 可知，各發酵時間點全株玉米青貯、小麥秸稈和苜蓿青貯的組合比例對產氣量的影響極顯著（P＜0.01）。各組的產氣量均隨著發酵時間的增加而增加，且72 h 產氣量隨著全株玉米青貯比例增加而增加。組合100∶0∶0 和 80∶10∶10 的 72 h 產氣量顯著高于其他組合（P＜0.05），60∶10∶30（P＞0.05）和 60∶20∶20（P＜0.05）組產氣量高于 60∶30∶10 組，50∶10∶40 組產氣量顯著高于 50∶20∶30、50∶30∶20、50∶40∶10 組（P＜0.05）。當組合中苜蓿青貯比例固定時，隨著全株玉米青貯比例增加，體外產氣模擬參數b數值增加。全株玉米青貯和苜蓿青貯產氣速度最高（0.135 和 0.130 mL·h?1），其次為 60∶10∶30 組（0.127 mL·h?1），小麥秸稈產氣速度最低（0.047 mL·h?1）。

表3 不同比例全株玉米青貯、小麥秸稈和苜蓿青貯對產氣量的影響Table 3 Effects of different proportion of whole plant corn silage，wheat straw and alfalfa silage on GP

2.2 不同比例全株玉米青貯、小麥秸稈和苜蓿青貯對體外發酵指標的影響

發酵72 h，各組體外發酵液pH 保持為6.68～6.89（P＜0.01）（表4）。氨態氮的變化范圍為14.31～26.01 mg·100 mL?1（P＜0.01）。氨態氮含量隨著苜蓿青貯比例增加而增加，60∶10∶30 組氨態氮含量高于60∶20∶20、60∶30∶10 組（P＞0.05），50∶10∶40 組氨態氮含量高于 50∶20∶30、50∶30∶20、50∶40∶10 組（P＞0.05）。IVDMD 以100∶0∶0 組顯著高于其他組（P＜0.05），其次為70∶20∶10、80∶10∶10、70∶10∶20 組，且三者差異不顯著（P＞0.05）。當組合中全株玉米青貯比例為60 和50 時，隨著苜蓿青 貯 比 例 增 加 ，IVDMD 增 加 。 50∶10∶40 組 中IVDMD 顯 著 高 于 50∶20∶30、50∶30∶20、50∶40∶10 組（P＜0.05）。 60∶10∶30、60∶20∶20、60∶30∶10 組 間IVDMD 差異不顯著（P＞0.05）。

表4 不同比例全株玉米青貯、小麥秸稈和苜蓿青貯對體外發酵指標的影響Table 4 Effects of different proportion of whole plant corn silage，wheat straw and alfalfa silage on fermentation index in vitro

2.3 不同比例全株玉米青貯、小麥秸稈和苜蓿青貯對VFA 濃度的影響

不同比例組合的全株玉米青貯、小麥秸稈和苜蓿青貯的組合比例對體外發酵液中乙酸、丙酸、丁酸、戊酸的濃度影響極顯著（P＜0.01）。60∶30∶10 組乙酸和總揮發性脂肪酸濃度顯著高于其他各組（P＜0.05），其丙酸濃度也為最高（13.99 mmol·L?1）。70∶10∶20組的丁酸濃度最高，與 80∶10∶10、60∶10∶30、60∶30∶10、50∶20∶30、50∶30∶20 組差異不顯著（P＞0.05）。乙 酸/丙 酸 在 2.76～3.20，組 間 差 異 不 顯 著（P＞0.05）（表 5）。

表5 不同比例全株玉米青貯、小麥秸稈和苜蓿青貯對體外發酵液VFA 濃度的影響Table 5 Effects of different proportion of whole plant corn silage，wheat straw and alfalfa silage on VFA

2.4 不同比例全株玉米青貯、小麥秸稈和苜蓿青貯組合效應

不同比例全株玉米青貯、小麥秸稈和苜蓿青貯組合效應值見表6，50∶10∶40 產氣量出現正組合效應，其余比例組合產氣量均為負組合效應。80∶10∶10、60∶30∶10、50∶40∶10 組的IVDMD 為負組合效應，其余比例均為正組合效應，50∶10∶40 組正組合效應最大。pH 各組均為正組合效應，60∶20∶20 組的 NH3-N 正組合效應最大。不同組合的綜合組合效應值均為正組合效應，70∶20∶10 綜合組合效應值（0.9343）最高。

表6 不同比例全株玉米青貯、小麥秸稈和苜蓿青貯組合效應Table 6 Associative effect of different proportion of whole plant corn silage，wheat straw and alfalfa silage

3 討論

3.1 不同比例全株玉米青貯、小麥秸稈和苜蓿青貯對產氣量的影響

飼料中碳水化合物和粗蛋白在瘤胃發酵液作用下產生氣體CO2和CH4，當產氣量越高，表明飼料的可發酵物質含量越高，瘤胃微生物活性越高［12］。各組合的產氣量均隨著發酵時間的增加而增加。全株玉米青貯的產氣量顯著高于小麥秸稈和苜蓿青貯。全株玉米青貯、苜蓿青貯和小麥秸稈組合后產氣量雖有提高，但是仍低于全株玉米青貯，隨著全株玉米青貯比例增加，組合的72 h 產氣量表現出增加的趨勢，與全株玉米青貯飼料含有易于發酵的可溶性碳水化合物有關。50∶10∶40 組產氣量高于60∶30∶10 組，可能是不同飼料組合后，碳水化合物與蛋白質比例發生變化，影響飼料的發酵能力，導致不同比例組合間的產氣規律發生變化［11］。全株玉米青貯產氣量最高，其IVDMD 也為最高，有研究表明，產氣量與IVDMD 呈正相關［13］。各組合結果中，產氣量和IVDMD 規律略有差異，但趨勢一致。分析體外模擬參數結果，苜蓿青貯產氣速度高，延滯期短，理論最大產氣量卻低于小麥秸稈，可能與苜蓿青貯發酵初期速度較快，但隨著發酵時間延長，微生物能量供應不足，發酵潛力小，而小麥秸稈纖維結構性碳水化合物含量高，屬于慢速發酵飼草類型，但發酵潛力略高于苜蓿青貯。

3.2 不同比例全株玉米青貯、小麥秸稈和苜蓿青貯對發酵指標的影響

瘤胃液pH 的變化可以反映瘤胃內部環境與微生物的發酵水平。瘤胃微生物最適生長pH 在6.6～7.0［14］。本試驗中，飼料組合比例對pH 影響極顯著，但是飼料單樣和各比例組合的體外發酵培養液的pH 均保持在6.68～6.89，適合瘤胃微生物生長。

氨態氮的變化范圍為 14.31～26.01 mg·100 mL?1，與吳璇等［15］的研究結果一致（19.21～29.77 mg·100 mL?1），在瘤胃微生物最適生長范圍之內（6.30～27.50 mg·100 mL?1）［16?17］。體外發酵產生的氨態氮主要來源是微生物對含氮物質的降解，生成的氨態氮一部分用于合成微生物蛋白，一部分溶解在發酵液中。苜蓿青貯的氨態氮含量顯著高于全株玉米青貯和小麥秸稈。且當全株玉米青貯比例固定時，苜蓿青貯比例增加，氨態氮含量增加，這與苜蓿青貯蛋白含量（19.41%）遠高于小麥秸稈（5.45%）有關。70∶20∶10 組氨態氮含量略高于苜蓿青貯，說明飼料組合之間發生互作效應。非結構性碳水化合物的含量會影響瘤胃微生物對氨態氮的利用，飼料單樣中全株玉米青貯的氨態氮含量最低，組合后氨態氮含量增加，組合相應降低了非結構性碳水化合物含量，影響了其對氨態氮的利用，這與涂瑞等［18］的研究結果一致。

除去全株玉米青貯，當全株玉米青貯、小麥秸稈和苜蓿青貯的比例為70∶20∶10 時，其IVDMD 最高。IVDMD 可反映飼料的可利用性，同時也可用來衡量飼料的營養價值。全株玉米青貯的IVDMD 顯著高于苜蓿青貯和小麥秸稈，同全株玉米青貯中非結構性碳水化合物含量較高，可發酵成分含量高的規律一致。小麥秸稈和苜蓿青貯的IVDMD 顯著低于其他組合，而當組合中全株玉米青貯比例為60 和50 時，苜蓿青貯比例增加也會增加組合的IVDMD。全株玉米青貯和苜蓿青貯組合后，組合中非結構性碳水化合物含量相應提高，碳氮比趨于最佳，更容易被微生物利用。

反芻動物瘤胃發酵產生的揮發性脂肪酸（VFA）主要來源于日糧中碳水化合物的降解，其是瘤胃微生物維持和生長的主要能量來源。揮發性脂肪酸濃度的高低反映了飼料碳水化合物的降解程度，揮發性脂肪酸的含量及比例也是反映瘤胃發酵類型的重要指標之一。底物中粗飼料比例越高，發酵產生乙酸含量越高，乙酸/丙酸越高［11］。本試驗中各組合結果都為乙酸含量高于丙酸，以粗飼料發酵類型為主。有研究表明，乙酸/丙酸范圍應為2.0～3.6，其比值變化會受到動物、飼料及飼養條件等因素的影響［19］。本試驗乙酸/丙酸在2.76～3.20，飼料以不同比例組合后，營養結構發生變化同時降低了乙酸/丙酸的比值。

3.3 不同比例全株玉米青貯、小麥秸稈和苜蓿青貯組合效應分析

本試驗中，單一組合效應值結果與綜合組合效應值結果略有差異，多項研究表明，結合多項指標對組合效應進行綜合評定，結果更為客觀準確［11，19?21］。結合產氣量、體外干物質降解率、pH、氨態氮、總揮發性脂肪酸計算的綜合組合效應值各組均為正值，說明組合后各飼料間發生正組合效應，提高了組合的整體發酵能力，促進了飼料利用［20，22］。在本試驗條件下，全株玉米青貯、小麥秸稈和苜蓿青貯以70∶20∶10 組合時，其綜合組合效應值（0.9343）最高。

4 結論

本試驗條件下，當全株玉米青貯、小麥秸稈和苜蓿青貯比例為70∶20∶10 時，組合效應最佳。