不同比例青贮玉米和甜高粱组合对体外瘤胃发酵产气量、甲烷、氢气和挥发性脂肪酸生成的影响

童殷迪 ， 徐志鹏 ， 玉 霞 ， 侯振平 ， 张雪蕾 ， 刘大林 ， 吴端钦

（1.扬州大学动物科学与技术学院，江苏扬州 225009；2.中国农业科学院麻类研究所，湖南长沙 410205）

青贮玉米是畜牧生产中广泛使用的饲料之一，其生物产量大，营养价值丰富，易被瘤胃微生物消化吸收， 是反刍动物饲粮中的重要能量来源（崔大为，2020）。 随着国家粮改饲政策的实施以及畜禽养殖规模的日益扩大， 其需求量稳步上升，进口需求大。 但是玉米生长期内需水量大，耐旱能力较差（杨大盛等，2019），因此产量波动大， 在中等地力条件下， 亩产量一般在7 t左右（王运涛等，2018）。 有研究表明，将甜高粱作为饲料饲喂奶牛，效果显著，相比饲喂象草与青贮玉米，饲喂甜高粱奶牛增重可以提高29.5%和 9.5%（王楠等，2018）。 与玉米相比，甜高粱适应性强，亩产量高达10 t 左右，并且茎秆糖锤度可达到20%左右， 因此适口性更优 （梁欣等，2011），同时，甜高粱较青贮玉米在价格上更便宜。 王宏博等（2018）用饲用甜高粱替代不同比例玉米秸秆饲喂奶羔羊发现， 用甜高粱秸秆代替50%玉米秸秆对羔羊育肥具有显著效果。 新型饲草的开发以及饲草间组合效应的研究是减轻饲粮需求压力， 提高饲草利用价值的重要途经（张吉鹍等，2003）。 甜高粱和青贮玉米组合对家畜生长发育效果显著， 且能够降低生产成本（Babu 等，2015；Qu 等，2014）。 但是，两种饲草的组合在瘤胃发酵方面的研究较少。 因此，本试验旨在利用体外瘤胃发酵的方法， 研究不同比例下甜高粱和青贮玉米组合对体外瘤胃发酵甲烷、氢气和挥发性脂肪酸生成的影响，为合理利用甜高粱和青贮玉米以及降低反刍动物饲养成本提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验动物及饲养管理 本试验选用3只年龄为三年、体重为（25.0±2.0）kg 的安装永久性瘤胃管的健康成年公湘东黑山羊。采用单栏饲养，日粮为600 g/头（干物质基础），精粗比为1:1，粗饲料采用稻草，精料组成为玉米47%、豆粕24%、麸皮22%、食盐0.77%、石粉 2.23%、预混料4%，饲料原料的营养水平见表1。 分别于08:30 和18:00等量饲喂，自由饮水。

表1 饲料原料的营养水平（干物质基础）

1.2 发酵底物 本试验以青贮玉米和甜高粱为发酵底物，分为5组，青贮玉米和甜高粱的比例分别为 1:9（QY组 ）、3:7（QS组 ）、5:5（QW组）、7:3（QQ组）和 9:1（QJ组），将 5组混合均匀后 65 ℃烘干，再用粉碎机进行处理，直到颗粒直径能通过筛孔直径为1 mm 的筛后， 密封保存后作为体外瘤胃发酵底物。 每次使用不同羊的瘤胃液将每个发酵底物以相同步骤进行试验，重复3 次。

1.3 体外瘤胃发酵试验 晨饲前将3只试验羊的瘤胃液通过瘤胃瘘管采集，迅速装入充满CO2的保温瓶带回实验室。 参照Menke 等（1979）方法配制人工瘤胃营养液。 取纱布过滤后的瘤胃液，在不断充满CO2以保持厌氧环境的试剂瓶中，与前者两倍量的人工瘤胃营养液混合，制成混合人工瘤胃培养液。 称取0.6000 g 的发酵底物加入厌氧发酵瓶中，与60 mL 制备好的培养液混匀， 全程保持39.5 ℃恒温，最后的体外发酵步骤使用全自动体外模拟瘤胃发酵系统， 时长 48 h， 该系统参考 Wang 等（2016）的方法。 最后甲烷、氢气的产气量可以通过计算发酵瓶顶部空间大小、压力与气体体积的转化系数得出（Wang 等，2013）。

1.4 样品采集及测定 对饲粮样品中干物质（DM）、有机物（OM）、粗蛋白质（CP）含量的测定采用 AOAC（1984）方法；对中性洗涤纤维（NDF）和酸性洗涤纤维 （ADF） 含量的测定采用Van Soest 等（1991）的方法；测定总能使用等温式全自动热量仪（5E-AC8018，长沙开元仪器有限公司）。

取2 mL 体外发酵试验结束后的发酵液离心，参考 Xu 等（2015）使用气相色谱仪（Agilent 7890A）测定上清液中挥发性脂肪酸（VFA）浓度。用Watherburn（1967）的步骤使用分光光度计，得出上清液中氨态氮含量。 用300 目纱布过滤剩余的发酵内容物，105 ℃烘干至恒重，得出前后的干物质重量差算出干物质降解率（DMO）。

1.5 数据统计分析

1.5.1 产气拟合曲线 在NLREG 软件里， 采用计算公式（Wang 等，2016）如下：

式中：GPt为t 时间点底物的累计产量，mL；VF 为潜在最大产气量，mL；k 为产气速率，h-1；b为曲线形状参数。

1.5.2 数据处理 利用Excel 2010 对试验数据进行初步整理和计算， 采用SPSS 21.0 统计软件对处理结果进行单因素方差分析（one-way ANOVA），并用 Duncan’s 法进行多重比较，P ＜ 0.05 为差异显著，P ＜0.01 为差异极显著。

2 结果与分析

2.1 不同比例青贮玉米和甜高粱组合48 h 体外瘤胃发酵气体生成参数的差异 由图1 可知，不同比例青贮玉米和甜高粱体外瘤胃发酵产气量、产气速率曲线总体变化趋势相同但数值略有差异。 由表2 可知，各组间的产气量差异极显著（P ＜0.01），其中 QJ组最高，分别比 QQ、QW、QS、QY组高 11.5%、19.8%、25.1%、45.5%。 各组间的产气速率差异显著 （P ＜ 0.01），QJ组最高， 较 QQ、QW、QS、QY组分别高出28%、33%、72%、106%。各组间干物质降解率和潜在最大产气量无显著差异 （P ＞0.05）。 起始底物降解速率 QJ、QQ 和 QW组间无显著差异，但极显著高于QS组和 QY组（P ＜ 0.01）。

表2 不同比例的青贮玉米和甜高粱组合体外瘤胃发酵干物质降解率和气体生成参数的差异

图1 不同比例青贮玉米和甜高粱组合体外瘤胃发酵产气量和产气速率曲线的差异

2.2 不同比例青贮玉米和甜高粱组合48 h 体外瘤胃发酵氢气和甲烷生成的差异 由图2 和图3可知，QJ组的氢气产量、 甲烷产量和甲烷产气速率在整个体外发酵过程中始终高于其他各组，QQ组的氢气产气速率在发酵起始时最高， 随后各组的氢气产气速率迅速降低，在体外发酵20 h 后各组间无明显差异， 但甲烷产气速率均为先升后降的规律，且在10 h 左右时，速率最高。 由表3 可知，各组间的氢气产气量、氢气潜在最大产气量、降解每克底物产气量和氢气产气速率差异不显著（P ＞ 0.05）。 各组甲烷的产气量差异极显著 （P ＜0.01）其中 QJ组最高，分别比 QQ、QW、QS 和 QY组高出7.3%、16.1%、21.2%和45.3%。

表3 不同比例青贮玉米和甜高粱组合体外瘤胃发酵48 h 氢气和甲烷生成的差异

图2 不同比例青贮玉米和甜高粱组合瘤胃发酵48 h 氢气产量和产气速率曲线的差异

图3 不同比例青贮玉米和甜高粱组合瘤胃发酵甲烷产量和产气速率曲线的差异

2.3 不同比例青贮玉米和甜高粱组合对体外瘤胃发酵氨态氮和挥发性脂肪酸浓度的影响 由表4 可知， 各组的氨态氮浓度、pH 以及挥发性脂肪酸浓度没有显著差异（P ＞ 0.05）。

表4 不同比例青贮玉米和甜高粱组合对体外瘤胃48 h 发酵氨态氮和挥发性脂肪酸浓度的影响

3 讨论

产气量和消化率是判断饲粮在瘤胃中可发酵程度的重要指标， 直接反映了其营养价值的高低（陈攀亮等，2019）。饲粮中如果含有丰富的非结构性碳水化合物，并且能快速参与发酵，那么这种饲料在被瘤胃微生物降解时，其降解速率更快，气体产生更多（Hatew 等，2015）。 研究表明，青贮玉米中富含易发酵的非结构性碳水化合物， 其中淀粉的快速降解部分高达 40%（Laresen 等，2009），这会导致饲粮的降解速率升高并且气体体积增多（郑立鑫，2020）， 是反刍动物瘤胃迅速胀满的诱因，会对瘤胃壁血管产生压迫，从而减弱机体的气体吸收能力，不仅使饲粮能量损失，严重时可导致原生性瘤胃胀气，影响动物健康甚至威胁生命（王铁，2017）。在本试验中，提高的甜高粱比例显著降低了瘤胃48 h 产气量和产气速率，这可能是由于甜高粱中中性和酸性洗涤纤维含量相对较高，因而降低饲粮的发酵速率（王荣等，2019），试验还发现，各组合的潜在最大产气量无显著差异，说明瘤胃对各组合的利用程度较接近。

反刍动物瘤胃的液相和固相食糜滞留时间分别小于14 h 和22 h，因此，体外模拟瘤胃发酵的起始底物降解速率（ ＜12 h）可以反映反刍动物对饲粮的消化降解情况。 较高的起始底物降解速率能促进反刍动物对饲粮的消化吸收（Oshita 等，2008）。 茹彩霞等（2006）试验指出，起始底物降解速率与饲粮CP 含量呈显著正相关，与NDF 含量呈显著负相关。 在本试验中， 当青贮玉米比例在50%以下时， 起始底物降解速率的变化符合该规律，但是随着组合中青贮玉米比例进一步提高，饲粮的CP 和NDF 含量差距进一步变大，但起始底物降解速率却未观察到显著变化。 这可能是由于当两者的组合比例达到一个平衡点时， 反刍动物瘤胃微生物对组合饲粮的消化降解能力达到了极限，CP 和NDF 的含量不再能够显著影响到起始底物的降解速率。

甲烷作为瘤胃发酵产物的一种，既是造成温室效应加重的原因之一（Devisscher 等，2003），也是对饲料利用的一种浪费（Jhnson 等，1995）。 因此， 减少反刍动物甲烷生成能够帮助实现生态养殖和有效降低饲养成本。 研究表明，易消化的非结构性碳水化合物在瘤胃中发酵过程中，会伴生甲烷菌合成甲烷的主要前体物质——溶解态氢气（Czerkawaski 等，1972）。 同时，甲烷的合成还与甲烷菌的数量和活性有关， 较高的纤维含量对甲烷菌的繁殖与活性均有抑制作用（Tuyen 等，2013）。 在本试验中，随着甜高粱比例提高，易消化的非结构性碳水化合物含量降低，但氢气产量并没有发生显著变化。 这可能是组合中的较高的纤维含量抑制了甲烷菌的活性，导致甲烷菌对溶解态氢气的利用率降低， 最终冗余的溶解态氢气状态发生改变， 变成气态氢气，与原有的气态氢气混合排除，从而导致氢气产量变化不显著， 但也可能是由于甲烷菌的活性受到抑制，同时饲粮中CP 含量降低，氮源减少，因而甲烷产量降低。

挥发性脂肪酸是瘤胃代谢中最为关键的一环， 能够满足动物机体80%左右的能量需要，其中丙酸是葡萄糖合成的前体物质， 而乙酸则是合成乳脂的主要成分， 二者可占总挥发性脂肪酸90%以上（葛翠翠等，2018）。乙酸主要由植物细胞壁中的纤维素和半纤维素被瘤胃中的纤维分解菌降解而成（Iwamoto 等，2001），在本试验中，各组合的乙酸浓度较高且没有显著差异， 说明青贮玉米和甜高粱的植物纤维都易于被瘤胃消化利用。 同时，各组合丙酸的浓度也较为接近。这可能是因为丙酸属于耗氢产物， 其生成与氢气的累积有密切关系（Demeyer，1981），而本试验中各组合的氢气产量没有显著差异。

4 结论

本试验条件下，提高组合中青贮玉米的比例，能够提高瘤胃产气量、 产气速率和起始底物降解速率，从而提高发酵强度，而提高组合中甜高粱的比例，能够降低饲养成本，降低瘤胃甲烷的生成，减少能量损失。 推荐青贮玉米与甜高粱组合的比例为5:5，在此比例下，瘤胃起始底物降解速率较高，饲粮的吸收效果较好，甲烷产量较低，能量损失较少，在环保与经济效益之间取得一个平衡。