瘤胃能氮协同释放指数对挥发性脂肪酸生成的影响

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(安徽科技学院 动物科学学院，安徽 凤阳 233100)

瘤胃微生物区系是寄居在反刍动物瘤胃内的一个复杂微生物群落,主要包括瘤胃细菌、原虫、真菌及少量的产甲烷菌[1]。反刍动物本身不具有消化粗纤维的能力,主要依靠瘤胃微生物区系分泌的酶进行消化,将纤维分解产生各种糖类和其他营养物质,在满足微生物本身生长的同时,也为反刍动物提供能量和优质蛋白,维持反刍动物生长和生产的需要[2]。能氮协同释放是以瘤胃微生物生长理论为依据,结合碳水化合物及含氮化合物的降解特性,通过调控日粮等同步化因子优化瘤胃发酵,使日粮中的含氮化合物和碳水化合物等能量载体物质在瘤胃的发酵过程中达到匹配的动态数量平衡,从而优化瘤胃微生物生长[3]。

日粮中的碳水化合物和含氮化合物占有相当大的比例,且对反刍动物的代谢具有重要作用。研究表明,实现瘤胃内含氮化合物与碳水化合物同步释放,能够有效促进瘤胃微生物蛋白的合成[4-5]。其中,碳水化合物经瘤胃微生物降解和代谢后转化为挥发性脂肪酸(主要包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸及少量的支链挥发性脂肪酸)等物质,能够给瘤胃微生物蛋白合成提供必需的碳骨架,为反刍动物提供其生长和代谢需要的能量[6]。即使每日瘤胃可降解蛋白质的总量能够满足动物需求,但瘤胃内能量载体物质和含氮物质的降解速率不匹配,也会导致短期内给瘤胃微生物所提供的氮和能量数量不平衡或者二者不同步,其结果就可能导致抑制瘤胃微生物的生长并减少进入小肠内蛋白质的流量,从而不能有效地提高反刍动物的生产性能,同时也会因过量的营养物质从粪、尿中排出而造成环境污染,并提高了生产成本。关于瘤胃内可利用氮与碳水化合物之间实现同步释放促进瘤胃微生物蛋白合成的理论,目前仍缺乏相关科学研究和验证。本试验通过优化日粮结构实现瘤胃内可利用氮与碳水化合物之间协同释放,研究不同释放指数对瘤胃和网胃挥发性脂肪酸生成的影响,为促进瘤胃微生物蛋白合成进而提高动物生产性能提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 日粮氮与碳水化合物瘤胃同步释放指数的优化

首先,通过尼龙袋试验测定饲料样品中氮与碳水化合物在瘤胃中每小时的有效释放量(其中:粗饲料选用300 目规格的尼龙袋;精饲料选用400 目规格的尼龙袋)。试验中,采用凯氏定氮法测定饲料原料中的氮含量;参照AOAC(2012)测定粗灰分和乙醚提取物,碳水化合物的测定方法为:碳水化合物=100-粗蛋白-粗灰分-乙醚提取物。然后,根据玉米粉、小麦麸、豆粕、小麦秸秆和大豆秸秆等饲料原料中的氮与碳水化合物在瘤胃中每小时的释放量,参照Sinclair等提出的同步释放指数计算公式,优化日粮氮与碳水化合物瘤胃同步释放指数。同步释放指数计算公式如(1)所示:

(1)

其中,SI表示日粮中氮与碳水化合物在瘤胃中的协同释放指数;32代表瘤胃内的可利用氮与碳水化合物之间能够有效促进瘤胃微生物蛋白合成的比例,32 g N/kg CHO;24代表一天内24 h。在本次试验中,优化后的日粮中氮与碳水化合物在瘤胃中的协同释放指数分别为0.58、0.71、0.84。

1.2 试验设计

选择60 只体况相近且健康的小尾寒羊母羊,平均分为3组,每组2 个重复,3组分别饲喂协同释放指数为0.58、0.71、0.84的日粮(表1)。每天5∶00和17∶00分别饲喂不同指数日粮,自由饮水。饲养期为60 d,饲养结束后每组随机选择5 只屠宰,采集瘤胃和网胃内容物,经四层医用纱布过滤、离心后,分别测定瘤胃和网胃内挥发性脂肪酸的浓度。

表1 基础日粮组成和协同指数

1.3 挥发性脂肪酸的测定

将过滤后的瘤胃或网胃液,准确移取1 mL加入1.5 mL离心管内,加入0.3 mL 25%的偏磷酸溶液,静置15 min后,在4 ℃下10 000×g 离心10 min。将离心后的上清液转移至新的1.5 mL离心管内,4 ℃ 继续10 000×g 离心10 min。将离心后的上清液转移至新的1.5 mL离心管内,用0.22 μm有机滤膜过滤后待测。使用气相色谱仪测定VFA含量,色谱条件:使用的毛细柱为50 m×0.53 mm,检测器为氢火焰离子化检测器,柱箱温度为120 ℃,辅助箱温度为250 ℃,检测器温度为载气为氮气,柱前压控制在0.4 MPa左右,进样量为0.5 μL。标准样品中挥发性脂肪酸浓度分别为:乙酸,81.25 mmol/L;丙酸,25.00;异丁酸,7.00 mmol/L;异戊酸,6.25 mmol/L;戊酸,6.25 mmol/L。

1.4 数据处理

数据采用SAS 9.2做混合模型分析,采用的计算模型如下:

Yij=μ+Ri+Tj+εij

(2)

其中,Yij为因变量(挥发性脂肪酸),μ为均值,Ri为屠宰动物的随机效益(i=5);Tj为日粮中氮与碳水化合物在瘤胃中的协同释放指数的固定效应(j=0.58、0.71、0.84),为εij误差。在本次试验中,均值之间采用邓肯多重比较进行比较,差异显著定义为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 日粮中氮与碳水化合物在瘤胃中的协同指数对小尾寒羊挥发个生脂肪酸浓度的影响

表2 日粮中氮与碳水化合物在瘤胃中的协同指数对小尾寒羊挥发个生脂肪酸浓度的影响

注:†总挥发性脂肪酸(总挥发性脂肪酸)=乙酸+丙酸+丁酸+戊酸+支链挥发性脂肪酸;支链挥发性脂肪酸(BCVFA),包括异丁酸和异戊酸。

根据表2可知,随着瘤胃可利用氮和碳水化合物协同释放指数的增加,瘤胃内的总挥发性脂肪酸的浓度线性提高(P=0.028)。提高日粮中氮与碳水化合物在瘤胃中的协同指数,能够线性增加瘤胃内乙酸(P=0.028)和丙酸(P=0.009)的浓度。此外,提高日粮中氮与碳水化合物在瘤胃中的协同指数,能够促进瘤胃内戊酸(P=0.009)和反链挥发性脂肪酸BCVFA(P=0.013)的浓度。

2.2 日粮中碳氮在瘤胃中的协同指数对小尾寒羊瘤胃VFA发酵类型的影响

表3 日粮中碳氮在瘤胃中的协同指数对小尾寒羊瘤胃挥发性脂肪酸发酵类型的影响

注:非生糖性与生糖性挥发性脂肪酸的比例=(乙酸+2×丁酸+戊酸)/(丙酸+戊酸);§发酵效率=(0.622×乙酸+1.092×丙酸+1.56×丁酸)/(乙酸+丙酸+2×丁酸)。

由表3可知,随着瘤胃可利用氮和碳水化合物协同释放指数的增加,瘤胃内的挥发性脂肪酸摩尔百分比受到显著影响。其中,当瘤胃可利用氮和碳水化合物协同释放指数为0.71时,乙酸摩尔百分比(P=0.001)、乙酸/丙酸(P=0.002)、非生糖性与生糖性挥发性脂肪酸的比例(P=0.001)显著降低,但是丙酸摩尔百分比(P=0.003)、戊酸摩尔百分比(P=0.001)及瘤胃发酵效率(P=0.001)显著提高。

2.3 协同指数对小尾寒羊网胃挥发性脂肪酸浓度的影响

根据表4可知,随着瘤胃可利用氮和碳水化合物协同释放指数的增加,网胃内的总挥发性脂肪酸的浓度线性提高(P=0.011)。提高日粮中氮与碳水化合物在瘤胃中的协同指数,能够线性增加网胃内乙酸(P=0.012)和丙酸(P=0.004)的浓度。此外,提高日粮中氮与碳水化合物在瘤胃中的协同指数,能够促进网胃内支链挥发性脂肪酸(P=0.013)的浓度。但是,日粮中氮与碳水化合物在瘤胃中的协同指数对网胃内的戊酸浓度影响不显著。

表4 日粮中屡在瘤胃中的协同指数对小尾寒羊网胃挥发性脂肪酸浓度的影响

2.4 协同指数对小尾寒羊网胃挥发性脂肪酸发酵类型的影响

表5 日粮中碳氮在瘤胃中的协同指数对小尾寒羊网胃挥发性脂肪酸发酵类型的影响

由表5可知,提高瘤胃可利用氮和碳水化合物协同释放指数,对网胃内的乙酸、丁酸、戊酸、支链挥发性脂肪酸的摩尔百分比及瘤胃发酵效率的影响较小(P>0.05)。随着瘤胃可利用氮和碳水化合物协同释放指数的增加,网胃内的丙酸摩尔百分比(P=0.003)线性提高。但是,提高瘤胃可利用氮和碳水化合物协同释放指数,有降低网胃内非生糖性与生糖性挥发性脂肪酸的比例(P=0.058)的趋势。

3 结论与讨论

挥发性脂肪酸是瘤胃发酵的重要产物,包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和异丁酸、异戊酸等。Houtert研究发现,由瘤胃微生物代谢生成的挥发性脂肪酸,能够满足反刍动物70%～85%的能量需要[2]。因此,提高瘤胃和网胃内的挥发性脂肪酸的浓度,有利于提高反刍动物的生长和生产。

在本试验中,提高瘤胃可利用氮和碳水化合物协同释放指数,能够有效促进瘤胃和网胃内总挥发性脂肪酸的浓度,这可能是由于提高瘤胃可利用氮和碳水化合物协同释放指数,能够有效促进瘤胃微生物生长和代谢造成的[7]。众所周知,能量是限制瘤胃微生物生长的重要影响因子,而碳水化合物的主要功能是通过发酵为瘤胃微生物蛋白合成提供所需的能量。因此,瘤胃微生物蛋白合成的效率首先取决于日粮碳水化合物在瘤胃内的释放[8]。Nocek等指出,当瘤胃内的可利用碳水化合物释放较慢时,会造成能量匮乏进而会限制瘤胃微生物对氨态氮的捕获和利用[9]。反之,当瘤胃内的可利用碳水化合物释放较快时,不仅会造成能量损失,也不利于瘤胃微生物对氨态氮的利用。Chamberlain和Choung指出,只有实现瘤胃可利用氮和碳水化合物协同释放时,才能更有效地促进瘤胃微生物的生长和代谢。本试验结果与王冠等研究结果相一致,即提高瘤胃可利用氮和碳水化合物协同释放指数,能够有效促进瘤胃内总挥发性脂肪酸的生成[10]。在本试验中,瘤胃和网胃内的挥发性脂肪酸的摩尔百分比并没有随着瘤胃可利用氮和碳水化合物协同释放指数的改变而发生线性变化,这可能是由于日粮的精粗比例相同引起的。众所周知,日粮的精粗比是影响瘤胃挥发性脂肪酸组分的重要影响因子:当精料比例提高时,有利于丙酸摩尔百分比的提高,反之亦然。在本次试验中,尽管日粮组构不同,但是其精粗比均为55∶45,因而对瘤胃微生物菌群的影响较小。

在挥发性脂肪酸中,乙酸和丙酸分别是典型的非生糖性和生糖性挥发性脂肪酸。鉴于生糖性挥发性脂肪酸相较于非生糖性挥发性脂肪酸的代谢效率较高,因此,提高丙酸的摩尔百分比,有利于提高瘤胃发酵效率。通常情况下,瘤胃内适宜的生糖性与非生糖性挥发性脂肪酸的比例为35,低于35意味着更多的挥发性脂肪酸被用于糖异生途径。在本次试验中,由于提高瘤胃可利用氮和碳水化合物协同释放指数能够增加丙酸的摩尔百分比,因此能够降低瘤胃和网胃内生糖性与非生糖性挥发性脂肪酸的比例,有利于提高挥发性脂肪酸的利用效率。

试验结果表明,提高瘤胃可利用氮和碳水化合物协同释放指数,能够促进瘤胃微生物的生长代谢,进而促进瘤胃和网胃内挥发性脂肪酸的生成,有利于反刍动物生长和生产性能的提高。