不同粗饲料组合对晋南牛瘤胃体外发酵特性的研究

张丹丹，张元庆，程景，靳光，李博，王栋才，徐芳，孙锐锋

（山西农业大学，山西省农业科学院动物科学学院，山西太原030032）

近年来，我国居民牛肉消费量稳步增加，消费者对牛肉品质提出更高的要求，但牛肉产量与消费需求的缺口在逐年加大。分析原因，牛种资源未得到充分利用是制约我国牛肉产量的重要因素。山西特色牛种晋南牛是我国五大良种黄牛之一，具有饲料利用率和屠宰率高，产肉性能佳、肉质鲜美的优势。同时，山西省的饲料资源丰富，在国家推行“粮改饲”政策后，朔州市大力推广种植全株青贮玉米（Zea mays）和苜蓿（Medicago sativa）。全株玉米青贮和苜蓿青贮也因其营养成分高，消化率高、适口性好、耐贮存等优点，成为反刍动物重要的优质粗饲料来源［1−2］。小麦（Triticum aestivum）是山西省主要粮食作物之一，全省常年种植小麦大约6670 hm2，但因小麦秸秆营养价值含量低、口感粗糙，利用率不高，造成大量饲料资源浪费。利用特色饲料资源发展优势牛种，生产优质牛肉，不仅可以提高秸秆利用率，而且可以促进山西肉牛产业新发展。

为提高利用率，现在越来越多的学者开始研究饲料组合利用效应，通过不同比例组合，提高饲料的利用率。一般来说，饲料组合间会存在互作效应而且不同的饲料组合其互作效应也不同［3］，适宜的比例组合会产生正组合效应。韩肖敏等［4］利用体外产气法筛选出玉米秸秆、稻草、玉米秸秆青贮正组合效应组合比例，在此基础上，进一步分析了玉米秸秆、稻草、玉米秸秆青贮与精料的最佳组合比例。马吉锋等［5］研究不同粗饲料组合的体外发酵结果。周芯宇等［6］比较了不同类型酒糟与稻草、燕麦（Avena sativa）干草以不同比例组合后的发酵结果。

本试验旨在利用体外产气法研究全株玉米青贮、小麦秸秆和苜蓿青贮间以不同比例组合对晋南牛瘤胃发酵特性的影响，筛选不同饲料的最适比例，提高饲料秸秆利用率，为解决饲料供应不足以及扩大饲料来源提供参考，同时促进优势牛种利用，推动山西肉牛产业发展。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2018 年6 月在山西省农业科学院小麦研究所试验基地（山西省临汾市尧都区，东经111.52°，北纬36.11°）采割蜡熟期小麦秸秆，此时小麦秸秆含水率40.73%。2018 年9 月，课题组于朔州基地制作全株玉米青贮，在玉米乳熟期收割全株玉米，将其切短至2 cm 后，装桶、封严等，制成青贮，发酵45 d 开桶，苜蓿青贮采集于朔州试验牛场。采集饲料样品65 ℃烘干，粉碎，过筛（0.425 mm），制成试样。3 种饲料样品的常规营养成分见表1。

表1 全株玉米青贮、小麦秸秆和苜蓿青贮营养成分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 头装有瘤胃瘘管的晋南牛。在试验当天晨饲前采集瘤胃液1000 mL，置于预先通有CO2的保温瓶中，盖严瓶口后迅速带回实验室。将瘤胃液混合均匀后经4 层纱布过滤，置于39 ℃水浴中保存，并持续充入CO2以确保瘤胃液处于厌氧环境。

1.3 体外发酵试验

采用单因素试验设计，将全株玉米青贮、小麦秸秆、苜蓿青贮以不同比例组合作为发酵底物（表2），每个组合3 次重复，同时设置3 个空白对照（培养管不加任何发酵底物），校正产气量。按照Menke 等［7］介绍的方法配置缓冲液后，持续通入CO2并预热至39 ℃。将采集的晋南牛瘤胃液与缓冲液以1∶2 混合制成人工瘤胃培养液，通入CO2至饱和，39 ℃恒温水浴。

表2 全株玉米青贮、小麦秸秆和苜蓿青贮不同比例组合Table 2 Different proportion of whole plant corn silage，wheat straw and alfalfa silage

准确称量0.22 g 发酵底物送至100 mL 培养管的前端，加入30 mL 人工瘤胃培养液后（空白管只加人工瘤胃培养液），在水浴恒温振荡器中反应，发酵72 h后，冷水终止发酵。将培养管中发酵液排出至50 mL离心管中，离心（4 ℃，5400 r·min−1，15 min），上清液分装至3 个2 mL 离心管中，置于−80 ℃冰箱保存，用于挥发性脂肪酸（volatile fatty acid，VFA）和氨态氮（NH3-N）等指标测定。多次清洗残渣后，65 ℃烘干，测定体外干物质降解率（in vitrodry matter degradation rate，IVDMD）。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 产气量（gas production，GP）的测定及产气动力学模型分析 分别在 2、4、8、12、24、36、48、72 h记录相应产气量，GPt=（Vt样−V0样）−（Vt空−V0空）。式中：GPt，样品在t时刻的产气量（mL）；Vt样，样品发酵t小时后培养管的刻度；V0样，样品在开始发酵时培养管刻度；Vt空，空白管发酵t小时后培养管的刻度；V0空，空白管在开始发酵时培养管的刻度。

采用体外发酵模型GP=b［1−e−c（t−Lag）］［8］计算产气参数。式中：GP为t时间点的产气量（mL·g−1DM）；b为理论最大产气量（mL·g−1DM）；c为产气速度（mL·h−1）；t为体外培养时间（h）；Lag为延滞期（h）。

1.4.2 瘤胃发酵参数的测定 采用pH 酸度计（S-25，上海）测定pH，碱性次氯酸钠−苯酚分光光度计（T2602，上海）［9］测定氨态氮（NH3-N）含量，利用气相色谱仪（Aglient 7890A，美国）测定VFA［10］浓度，总挥发性脂肪酸（total volatile fatty acid，TVFA）为乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸和异戊酸之和。

1.4.3 体外干物质降解率（IVDMD）的测定IVDMD（%）=100×［发酵底物干物质含量−（样品残渣干物质含量−空白管残渣干物质含量）］/发酵底物干物质含量

1.4.4 组合效应计算 单项组合效应值（single-factor associative effects index，SFAEI）和综合组合效应值（multiple-factor associative effects index，MFAEI）计算方法如下：

单项组合效应值=（实测值−加权估算值）/加权估算值，加权估算值=A 饲料实测值×A 饲料配比（%）+B饲料实测值×B 饲料配比（%）［11］。

综合效应值为各单项组合效应值之和。

1.5 数据处理与分析

用Excel 2016 整理数据，采用SPSS 21.0 进行单因素方差分析，Duncan’s 多重比较及非线性参数模拟。P＜0.01 为差异极显著，P＜0.05 为差异显著，P＞0.05 为差异不显著。

2 结果与分析

2.1 不同比例全株玉米青贮、小麦秸秆和苜蓿青贮对产气量的影响

由表3 可知，各发酵时间点全株玉米青贮、小麦秸秆和苜蓿青贮的组合比例对产气量的影响极显著（P＜0.01）。各组的产气量均随着发酵时间的增加而增加，且72 h 产气量随着全株玉米青贮比例增加而增加。组合100∶0∶0 和 80∶10∶10 的 72 h 产气量显著高于其他组合（P＜0.05），60∶10∶30（P＞0.05）和 60∶20∶20（P＜0.05）组产气量高于 60∶30∶10 组，50∶10∶40 组产气量显著高于 50∶20∶30、50∶30∶20、50∶40∶10 组（P＜0.05）。当组合中苜蓿青贮比例固定时，随着全株玉米青贮比例增加，体外产气模拟参数b数值增加。全株玉米青贮和苜蓿青贮产气速度最高（0.135 和 0.130 mL·h−1），其次为 60∶10∶30 组（0.127 mL·h−1），小麦秸秆产气速度最低（0.047 mL·h−1）。

表3 不同比例全株玉米青贮、小麦秸秆和苜蓿青贮对产气量的影响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贮、小麦秸秆和苜蓿青贮对体外发酵指标的影响

发酵72 h，各组体外发酵液pH 保持为6.68～6.89（P＜0.01）（表4）。氨态氮的变化范围为14.31～26.01 mg·100 mL−1（P＜0.01）。氨态氮含量随着苜蓿青贮比例增加而增加，60∶10∶30 组氨态氮含量高于60∶20∶20、60∶30∶10 组（P＞0.05），50∶10∶40 组氨态氮含量高于 50∶20∶30、50∶30∶20、50∶40∶10 组（P＞0.05）。IVDMD 以100∶0∶0 组显著高于其他组（P＜0.05），其次为70∶20∶10、80∶10∶10、70∶10∶20 组，且三者差异不显著（P＞0.05）。当组合中全株玉米青贮比例为60 和50 时，随着苜蓿青 贮 比 例 增 加 ，IVDMD 增 加 。 50∶10∶40 组 中IVDMD 显 著 高 于 50∶20∶30、50∶30∶20、50∶40∶10 组（P＜0.05）。 60∶10∶30、60∶20∶20、60∶30∶10 组 间IVDMD 差异不显著（P＞0.05）。

表4 不同比例全株玉米青贮、小麦秸秆和苜蓿青贮对体外发酵指标的影响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贮、小麦秸秆和苜蓿青贮对VFA 浓度的影响

不同比例组合的全株玉米青贮、小麦秸秆和苜蓿青贮的组合比例对体外发酵液中乙酸、丙酸、丁酸、戊酸的浓度影响极显著（P＜0.01）。60∶30∶10 组乙酸和总挥发性脂肪酸浓度显著高于其他各组（P＜0.05），其丙酸浓度也为最高（13.99 mmol·L−1）。70∶10∶20组的丁酸浓度最高，与 80∶10∶10、60∶10∶30、60∶30∶10、50∶20∶30、50∶30∶20 组差异不显著（P＞0.05）。乙 酸/丙 酸 在 2.76～3.20，组 间 差 异 不 显 著（P＞0.05）（表 5）。

表5 不同比例全株玉米青贮、小麦秸秆和苜蓿青贮对体外发酵液VFA 浓度的影响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贮、小麦秸秆和苜蓿青贮组合效应

不同比例全株玉米青贮、小麦秸秆和苜蓿青贮组合效应值见表6，50∶10∶40 产气量出现正组合效应，其余比例组合产气量均为负组合效应。80∶10∶10、60∶30∶10、50∶40∶10 组的IVDMD 为负组合效应，其余比例均为正组合效应，50∶10∶40 组正组合效应最大。pH 各组均为正组合效应，60∶20∶20 组的 NH3-N 正组合效应最大。不同组合的综合组合效应值均为正组合效应，70∶20∶10 综合组合效应值（0.9343）最高。

表6 不同比例全株玉米青贮、小麦秸秆和苜蓿青贮组合效应Table 6 Associative effect of different proportion of whole plant corn silage，wheat straw and alfalfa silage

3 讨论

3.1 不同比例全株玉米青贮、小麦秸秆和苜蓿青贮对产气量的影响

饲料中碳水化合物和粗蛋白在瘤胃发酵液作用下产生气体CO2和CH4，当产气量越高，表明饲料的可发酵物质含量越高，瘤胃微生物活性越高［12］。各组合的产气量均随着发酵时间的增加而增加。全株玉米青贮的产气量显著高于小麦秸秆和苜蓿青贮。全株玉米青贮、苜蓿青贮和小麦秸秆组合后产气量虽有提高，但是仍低于全株玉米青贮，随着全株玉米青贮比例增加，组合的72 h 产气量表现出增加的趋势，与全株玉米青贮饲料含有易于发酵的可溶性碳水化合物有关。50∶10∶40 组产气量高于60∶30∶10 组，可能是不同饲料组合后，碳水化合物与蛋白质比例发生变化，影响饲料的发酵能力，导致不同比例组合间的产气规律发生变化［11］。全株玉米青贮产气量最高，其IVDMD 也为最高，有研究表明，产气量与IVDMD 呈正相关［13］。各组合结果中，产气量和IVDMD 规律略有差异，但趋势一致。分析体外模拟参数结果，苜蓿青贮产气速度高，延滞期短，理论最大产气量却低于小麦秸秆，可能与苜蓿青贮发酵初期速度较快，但随着发酵时间延长，微生物能量供应不足，发酵潜力小，而小麦秸秆纤维结构性碳水化合物含量高，属于慢速发酵饲草类型，但发酵潜力略高于苜蓿青贮。

3.2 不同比例全株玉米青贮、小麦秸秆和苜蓿青贮对发酵指标的影响

瘤胃液pH 的变化可以反映瘤胃内部环境与微生物的发酵水平。瘤胃微生物最适生长pH 在6.6～7.0［14］。本试验中，饲料组合比例对pH 影响极显著，但是饲料单样和各比例组合的体外发酵培养液的pH 均保持在6.68～6.89，适合瘤胃微生物生长。

氨态氮的变化范围为 14.31～26.01 mg·100 mL−1，与吴璇等［15］的研究结果一致（19.21～29.77 mg·100 mL−1），在瘤胃微生物最适生长范围之内（6.30～27.50 mg·100 mL−1）［16−17］。体外发酵产生的氨态氮主要来源是微生物对含氮物质的降解，生成的氨态氮一部分用于合成微生物蛋白，一部分溶解在发酵液中。苜蓿青贮的氨态氮含量显著高于全株玉米青贮和小麦秸秆。且当全株玉米青贮比例固定时，苜蓿青贮比例增加，氨态氮含量增加，这与苜蓿青贮蛋白含量（19.41%）远高于小麦秸秆（5.45%）有关。70∶20∶10 组氨态氮含量略高于苜蓿青贮，说明饲料组合之间发生互作效应。非结构性碳水化合物的含量会影响瘤胃微生物对氨态氮的利用，饲料单样中全株玉米青贮的氨态氮含量最低，组合后氨态氮含量增加，组合相应降低了非结构性碳水化合物含量，影响了其对氨态氮的利用，这与涂瑞等［18］的研究结果一致。

除去全株玉米青贮，当全株玉米青贮、小麦秸秆和苜蓿青贮的比例为70∶20∶10 时，其IVDMD 最高。IVDMD 可反映饲料的可利用性，同时也可用来衡量饲料的营养价值。全株玉米青贮的IVDMD 显著高于苜蓿青贮和小麦秸秆，同全株玉米青贮中非结构性碳水化合物含量较高，可发酵成分含量高的规律一致。小麦秸秆和苜蓿青贮的IVDMD 显著低于其他组合，而当组合中全株玉米青贮比例为60 和50 时，苜蓿青贮比例增加也会增加组合的IVDMD。全株玉米青贮和苜蓿青贮组合后，组合中非结构性碳水化合物含量相应提高，碳氮比趋于最佳，更容易被微生物利用。

反刍动物瘤胃发酵产生的挥发性脂肪酸（VFA）主要来源于日粮中碳水化合物的降解，其是瘤胃微生物维持和生长的主要能量来源。挥发性脂肪酸浓度的高低反映了饲料碳水化合物的降解程度，挥发性脂肪酸的含量及比例也是反映瘤胃发酵类型的重要指标之一。底物中粗饲料比例越高，发酵产生乙酸含量越高，乙酸/丙酸越高［11］。本试验中各组合结果都为乙酸含量高于丙酸，以粗饲料发酵类型为主。有研究表明，乙酸/丙酸范围应为2.0～3.6，其比值变化会受到动物、饲料及饲养条件等因素的影响［19］。本试验乙酸/丙酸在2.76～3.20，饲料以不同比例组合后，营养结构发生变化同时降低了乙酸/丙酸的比值。

3.3 不同比例全株玉米青贮、小麦秸秆和苜蓿青贮组合效应分析

本试验中，单一组合效应值结果与综合组合效应值结果略有差异，多项研究表明，结合多项指标对组合效应进行综合评定，结果更为客观准确［11，19−21］。结合产气量、体外干物质降解率、pH、氨态氮、总挥发性脂肪酸计算的综合组合效应值各组均为正值，说明组合后各饲料间发生正组合效应，提高了组合的整体发酵能力，促进了饲料利用［20，22］。在本试验条件下，全株玉米青贮、小麦秸秆和苜蓿青贮以70∶20∶10 组合时，其综合组合效应值（0.9343）最高。

4 结论

本试验条件下，当全株玉米青贮、小麦秸秆和苜蓿青贮比例为70∶20∶10 时，组合效应最佳。