木薯渣与甜菜颗粒粕组合效应对奶牛瘤胃发酵特性的影响

郑宇慧，张新雨，李胜利

（中国农业大学动物科学技术学院，动物营养学国家重点实验室，北京 100193）

木薯是大戟科的多年生灌木，是非洲、亚洲和拉丁美洲超过五亿人口的世界第六大粮食作物[1]。木薯是用于生产淀粉、生物乙醇和化妆品等的重要原材料，这些以木薯为原料的行业产生了大量木薯渣[2]。中国的木薯渣年产量达150 万t，但目前对其利用量相对较少，废弃木薯渣不仅浪费资源还会污染环境。木薯渣含有一定量的淀粉、蛋白质和脂肪[3]，可作为饲料原料饲喂动物，具有来源广泛、产量丰富和价格低廉的特点，发展前景广阔[4]。

采用水牛瘤胃液进行的体外产气试验发现木薯渣有较高的消化率和营养价值[5]。唐春梅等[6]研究表明，以7%～14% 木薯渣替代肉牛日粮中的麦麸可降低肉牛育肥的增重成本，增加收益。还有研究发现，用木薯渣替代苜蓿干草饲喂泌乳中期奶牛，对其产奶量和乳成分无显著影响[7]。甜菜颗粒粕是甜菜根制糖过程中形成的副产品，近年来被开发为反刍动物的能量饲料，不仅可降低成本，还能补充有效纤维，维持瘤胃pH[8]。本试验旨在应用体外产气法探究木薯渣与甜菜颗粒粕2 种加工副产品类能量饲料组合用于饲喂泌乳中后期奶牛的可行性，探究二者的适宜组合比例，为木薯渣的利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料 试验用木薯渣（产自泰国，提取淀粉后经物理压榨而成）由北京九正生物科技有限公司提供，甜菜颗粒粕由北京中地畜牧科技有限公司提供。饲料样品在烘箱中65℃烘干48 h 至恒重后在空气中回潮粉碎过1 mm 分析筛，用于常规营养成分含量的测定及体外瘤胃微生物发酵试验，试验样品的常规营养成分含量如表1 所示。

1.2 瘤胃液采集 瘤胃液于试验当天晨饲前采自3 头处于泌乳中后期并装有永久瘤胃瘘管的成年荷斯坦奶牛。试验牛的日粮由CMP 软件配制，其总净能175.73 MJ/kg、泌乳净能7.32 MJ/kg、粗蛋白质含量16.9%。试验牛干物质采食量24.0 kg/d，每天饲喂2 次，自由饮水。采集到的瘤胃液经4 层纱布过滤后置于39℃恒温水浴锅，不断搅拌并持续通入CO2备用。

表1 试验用木薯渣及甜菜颗粒粕常规营养成分含量（风干物质基础） %

1.3 试验设计 本试验采用AGRS-III 型微生物发酵产气系统[9]进行试验，共设计7 个处理：木薯渣以0%（对照组）、5%、10%、15%、20%、25%、30%与甜菜颗粒粕组合（风干物质基础），每个处理4 个重复。各组发酵底物的原料组成及其营养成分含量见表2。

表2 各组发酵底物原料组成及营养物质含量（风干物质基础） %

1.4 体外培养 ①根据Menke 等[10]提出的方法配制缓冲液，使用前缓慢持续通入CO2气体30 min 左右，调节混合液pH 至6.8，置于39℃恒温水浴锅备用；②称取0.5 g 样品并准确移取50 mL 缓冲液和25 mL 瘤胃液于120 mL 发酵瓶，通入CO28～10 s 后，加上几丁质胶塞，上紧螺盖，与产气系统对应编号的通道气路接口连接，置于39℃恒温培养，实时监测各发酵瓶中的气体产量；③分别于体外培养3、6、12、24、48 h 后依次取出发酵瓶测定发酵液pH；④将瓶中发酵物全部转入已烘干称重的尼龙袋（300 目，9 cm×14 cm）中过滤，尼龙袋用水反复清洗至滤出液澄清后放入65℃烘箱中烘干至恒重，用于测定干物质消失率（IVDMD）；⑤尼龙袋过滤所得滤液用于测定氨态氮（NH3-N）、微生物蛋白（MCP）和挥发性脂肪酸（VFA）含量。

1.5 检测指标 根据发酵前后底物的干物质含量，利用差减法计算得到IVDMD；由AGRS-III 装置自动记录累积总产气量并参照Groot 等[11]提出的指数函数模型拟合得到总产气量。产气动力学参数的计算公式：

GPt=A/[1+（C/t）B]

式中，GPt为t 时间的总产气量（mL/g，DM 基础）；A 为发酵底物在该产气速率下的理论最大产气量（mL）；B 为底物发酵产气过程中的曲线拐点参数；C 为产气量达到总产气量一半时所用的时间（h）；t 为体外培养时间（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 为达到底物最大降解率所需的时间（h）；RmaxS 为底物的最大降解率（/h）；TRmaxG 为达到最大产气速率所需的时间（h）；RmaxG为最大产气速率（mL/h）。

采用用梅特勒FiveEasy Plus 系列pH 计测定发酵液pH；根据罗阳等[12]提出的方法测定NH3-N 与MCP含量，每个样品设3 个平行；根据杨红建等[13]提出的气相色谱分析法测定VFA 含量，每个样品设2 个平行。

1.6 组合效应的估算 试验中差异显著的指标采用组合效应进行综合评估：组合效应=（实测值-加权估算值）/加权估算值×100%，其中，实测值为实际测定值，加权估算值=木薯渣的实际测定值×木薯渣配比（%）+甜菜颗粒粕实际测定值×甜菜颗粒粕配比（%）[14]，将单项指标的组合效应值相加得到多项组合效应值。

1.7 统计分析 试验所得数据用Excel 2007 简单汇总整理后用软件SAS 9.2 NLIN 程序拟合得到产气动力学参数A、B、C、TRmaxG、RmaxG、TRmaxS、RmaxS，并采用SAS 9.2 ANOVA 程序进行单因素方差分析，若处理间差异显著，则采用Turkey 法进行多重分析，P≤0.05 即认为差异显著。

2 结果

2.1 木薯渣与甜菜颗粒粕组合对泌乳中后期奶牛体外瘤胃发酵产气量及动力学参数的影响 如表3 所示，随木薯渣占比的增加，GP48h和RmaxS 均呈线性或二次增加（P＜0.05），C 呈线性或二次下降（P＜0.05），A、RmaxG 和TRmaxS 均呈二次变化（P＜0.05）；30% 组GP、A、RmaxG 和RmaxS 大于对照组（P＜0.05），5%组C 大于对照组（P＜0.05），30% 组TRmaxS 小于其余各组（P＜0.05）。

2.2 木薯渣与甜菜颗粒粕组合对泌乳中后期奶牛体外瘤胃发酵NH3-N 含量的影响 如表4 所示，体外发酵培养48 h 时，发酵液NH3-N 含量随组合中木薯渣占比增加而呈二次变化（P＜0.05），且5%、10%、15% 和25% 组NH3-N 含量低于对照组（P＜0.05），其余体外培养时间点各组之间无显著差异。

2.3 木薯渣与甜菜颗粒粕组合对体外瘤胃发酵MCP 含量的影响 如表5 所示，体外发酵48 h 时，发酵液MCP含量随组合中木薯渣比例增加呈二次变化（P＜0.05），且15%和20%组高于对照组（P＜0.05），30%组低于对照组（P＜0.05），其余体外培养时间点各组之间无显著差异。

2.4 木薯渣与甜菜颗粒粕组合对泌乳中后期奶牛体外瘤胃发酵液pH 的影响 如表6 所示，随发酵时间的延长，发酵液的pH 整体呈下降趋势，其变化范围是6.33～7.44，各体外培养时间点各处理组发酵液pH 之间无显著差异。

2.5 木薯渣与甜菜颗粒粕组合对泌乳中后期奶牛体外瘤胃发酵48 h VFA 含量的影响 由表7 可见，体外发酵48 h 时，发酵液各VFA 和总VFA 含量均随组合中木薯占比增加呈线性或二次降低（P＜0.05），且均在替代比例为30%时达到最小值，30%组的各VFA 含量均低于0%、5%、10%组（P＜0.05）及15%、20%、25%组（P＞0.05）。

2.6 木薯渣与甜菜颗粒粕组合对体外瘤胃发酵IVDMD含量的影响 如表8 所示，各试验组IVDMD 随体外发酵时间的延长呈增加趋势，但各体外培养时间点各处理组IVDMD 之间均无显著差异。

2.7 木薯渣与甜菜颗粒粕组合体外发酵指标组合效应如表9 所示，以0% 组为对照的多项组合效应值，5%组和10% 组表现出了正组合效应，其余组合均表现出负组合效应。此外，5% 和10% 组的48 h 产气量表现为正组合效应，5%、10%、15% 和20% 组的TVFA均表现出正组合效应，而体外培养48 h 后各处理组NH3-N 含量和乙酸含量均表现为负组合效应。此外，5%组MCP 含量表现为正组合效应，而10%组表现为负组合效应。

表3 不同比例木薯渣与甜菜颗粒粕组合对泌乳中后期奶牛体外瘤胃发酵产气量及动力学参数的影响

表4 不同比例木薯渣与甜菜颗粒粕组合对泌乳中后期奶牛体外瘤胃发酵NH3-N 含量的影响

表5 不同比例木薯渣与甜菜颗粒粕组合对泌乳中后期奶牛体外瘤胃发酵MCP 含量的影响

表6 不同比例木薯渣与甜菜颗粒粕组合对泌乳中后期奶牛体外瘤胃发酵液pH 的影响

表7 不同比例木薯渣与甜菜颗粒粕组合对泌乳中后期奶牛体外瘤胃发酵48 h VFA 含量的影响

表8 不同比例木薯渣与甜菜颗粒粕组合对体外瘤胃发酵IVDMD 含量的影响

3 讨 论

3.1 不同比例木薯渣与甜菜颗粒粕组合对泌乳中后期奶牛体外瘤胃发酵48 h 产气量、产气动力学参数和IVDMD 的影响 底物中的碳水化合物发酵是奶牛瘤胃发酵产气的主要来源，蛋白质的发酵产气量相对较小，而脂肪对产气量的贡献几乎可以忽略不计[15]。干物质降解率是影响奶牛干物质采食量的重要因素，也是衡量日粮营养价值的重要指标。奶牛一定时间内的干物质降解率越高，其干物质采食量就越大[16]。研究表明，奶牛瘤胃发酵产气量与底物中的淀粉含量[17]和干物质降解率均呈正相关[10]。本试验中随木薯渣替代比例的增加，30% 组的48 h 产气量和理论最大产气量均显著高于其余各组，这可能是由于随木薯渣比例的增加，发酵底物中淀粉含量随之增加，故体外发酵产气量增加，这与黄雅莉等[18]的研究结果一致。此外，饲料瘤胃降解是瘤胃微生物对饲料中各营养物质进行分解的结果，受瘤胃微生物组成及活性等诸多因素影响，而本试验中各处理在各体外培养时间点的IVDMD 之间差异不显著，这可能与木薯渣与甜菜颗粒粕组合使用影响泌乳中后期奶牛瘤胃微生物组成有关，后期试验可以此为切入点，进一步探明机理。

表9 不同比例木薯渣与甜菜颗粒粕组合体外发酵指标组合效应值

3.2 不同比例木薯渣与甜菜颗粒粕组合对泌乳中后期奶牛体外瘤胃发酵NH3-N 和MCP 含量的影响 饲料中的蛋白质会被水解为氨基酸和肽类，这些小分子物质会被微生物分解产生NH3-N，其含量是体现底物中蛋白质降解程度的指标之一[19]。微生物蛋白是奶牛主要的氮源，能为其提供所需蛋白的60%～80%[17]。本试验中，体外培养48 h 后，随组合中木薯渣比例的增加，各处理组发酵液中NH3-N 含量呈先降低后升高的二次变化，而MCP 含量则呈先升高后降低的二次变化。研究表明，MCP 含量不仅能反映培养体系中微生物利用NH3-N 的能力，还能间接体现微生物种群的数量[19]，后期试验可关注二者组合使用对泌乳中后期奶牛瘤胃微生物组成及数量的影响。此外，MCP 的合成受瘤胃微生物可利用的能量和氮的综合影响，合理的能氮同步释放日粮可以进一步优化不同饲料原料之间的组合，使瘤胃微生物能够更加充分地利用发酵底物中的营养物质[20]。因此，本试验中木薯渣与甜菜颗粒粕组合后，各处理组MCP与NH3-N 含量呈二次变化可能与二者组合后影响发酵底物的能氮同步释放有关，后期试验可针对此进行深入探索。

3.3 不同比例木薯渣与甜菜颗粒粕组合对泌乳中后期奶牛体外瘤胃发酵液pH 和VFA 含量的影响 pH 是反映奶牛瘤胃内环境稳态和瘤胃发酵的重要指标，发酵底物的性质、动物唾液的分泌量、饲喂方式及VFA 的合成、吸收与排泄等均会影响奶牛瘤胃pH。在实际生产中，维持奶牛瘤胃pH 在正常范围内是保证奶牛瘤胃正常发酵的前提和基础[21]。本试验中，各处理各时间点的pH之间均无显著差异，表明木薯渣与甜菜颗粒粕组合使用可以为奶牛瘤胃发酵提供适宜而稳定的环境。

饲料在奶牛瘤胃进行发酵时，其中纤维、淀粉和糖会产生VFA、二氧化碳和甲烷；蛋白质会部分降解为氨、VFA 和气体；脂质会被不饱和脂肪酸氢化而部分降解为甘油和脂肪酸[22]。乙酸、丙酸和丁酸等VFA 是瘤胃发酵的最终产物，是反刍动物代谢能的主要来源[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体物质，也可以竞争性的消耗氢气，进而有效降低甲烷的生成[24]，异丁酸和异戊酸为支链脂肪酸，可用于合成相应的支链氨基酸（如缬氨酸和异亮氨酸等）[25]。本试验中，在体外发酵48 h 时，发酵液各VFA 和TVFA含量均随木薯渣添加比例增加呈线性或二次降低，且均在替代比例为30% 时达到最小值，表明添加木薯渣30%对奶牛瘤胃VFA 的产生有明显的抑制作用。

3.4 木薯渣与甜菜颗粒粕的组合效应 饲料间的组合效应被认为是来源于不同饲料的营养物质、非营养性物质和抗营养物质之间互作的整体效应，具体而言饲料组合后的整体指标高于单一饲料数值的加权值时，为正组合效应，反之则为负组合效应，相等则为零组合效应[26]。由于各组合效应之间的数值会有一些波动，用单一指标的组合效应评价2 种饲料原料的组合效果不够客观，因此引入多项组合效应值以更加客观地反映发酵效果。本试验中，就单一指标的组合效应而言，5%和10%组的48 h 产气量、各VFA 及TVFA 含量均表现出正组合效应，而体外培养48 h 后各处理组NH3-N 含量和乙酸含量均表现为负组合效应、5%组MCP 含量表现为正组合效应，而10% 组表现为负组合效应，表明5% 组和10% 组对体外培养48 h 后的各VFA 含量及产气量具有正向的促进作用，对NH3-N 含量和乙酸含量有负面影响。而就多项组合效应值而言，5% 组和10% 组表现出了正组合效应，其余组合均表现出负组合效应。表明5%组和10%组对泌乳中后期奶牛的瘤胃发酵表现为综合的正向促进作用。该评价方法与苏海涯[14]、唐赛涌等[27]和布同良[28]一致。

4 结 论

本试验条件下，不同比例木薯渣与甜菜颗粒粕组合，体外培养48 h 后，GP 和底物的最大降解率（RmaxS）随木薯渣比例增加呈线性或二次增加；发酵液各VFA和TVFA 含量均随木薯渣比例增加呈线性或二次降低；5%组和10%组以0%组为对照的多项组合效应值表现出正组合效应，其余组合均表现出负组合效应。故当木薯渣占比为5%～10% 时较为适宜，但此结果仍需奶牛饲养试验进一步验证。