基于主成分分析的精料、构树和全株玉米青贮的组合效应评价

张丹丹， 张元庆*， 梁 圆， 程 景， 王栋才， 李 博， 孙锐锋， 靳 光， 徐 芳

(1. 山西农业大学动物科学学院， 山西 太原 030032； 2. 山西农业大学动物医学学院， 山西 太原 030031)

节粮型畜牧业，是指充分利用牧草、农副产品、轻工副产品等非粮饲料资源，在减少粮食消耗的同时达到高效畜产品产出的畜牧产业，主要包括奶牛、肉牛、肉羊、绒毛羊、兔和鹅等。农业农村部印发的《全国节粮型畜牧业发展规划(2011—2020年)》中提到，发展节粮型畜牧业是保障畜产品有效供给、缓解粮食供求矛盾、丰富居民膳食结构的重要途径[1]。我国非粮饲料资源主要有农作物副产物类(秸秆类、非主食的茎叶)、糟渣类、饼粕类、林业副产品类和其他饲草料资源[2]。加大对非粮饲料资源的开发利用研究，是草食畜牧业发展的重要方向，也是缓解我国肉牛饲料资源不足、提高养殖效益的有效途径，对于促进饲料业和畜牧业的可持续发展具有重要意义[3]。

构树(Broussonetiapapyrifera)粗蛋白含量(29.41% DM)较高(苜蓿18.3% DM)[4]，是目前极具开发价值的蛋白饲料资源之一。且也因其营养价值高(中性洗涤纤维42.94% DM，水溶性碳水化合物7.98% DM)[4]，具有抗氧化等生物活性成分，如香豆素、木酚素、1,3-二苯基丙烷、查尔酮、黄酮或黄酮醇等[5]，被广泛研究。有研究证明构树青贮可以作为新型饲料资源用于畜牧生产中，低蛋白质饲粮中添加10%构树全株发酵饲料可提高育肥猪肌肉中游离氨基酸和肌内脂肪含量，改善肉的风味和营养价值[6]。日粮中添加15%构树青贮可以提高肉牛生长性能以及抗氧化性能，通过降低肉质pH提高多不饱和脂肪酸进而改善肉质[7]。10%～15%的构树青贮能够提高奶牛的免疫和抗氧化能力，以及牛奶中的多不饱和脂肪酸[8]。为促进构树作为反刍动物饲料利用，孔凡林等[9]比较了构树不同部位的瘤胃降解特性，其中，构树叶可以作为蛋白质饲料资源利用，去叶枝条和全株构树可作为优质粗饲料利用。

本试验设计不同精粗比的日粮，研究以全株玉米青贮为主要粗饲料的日粮中添加不同比例的全株构树对晋南牛瘤胃发酵性能的影响，通过主成分分析综合评价组合效应，筛选适宜组合比例。一方面为构树在肉牛饲料中的利用提供数据基础，推动非粮饲料资源的开发利用，另一方面促进晋南牛的优质高效生产技术研究，为缓解中国因牛肉产量不足产生的供需矛盾提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

全株野生构树采自山西省平遥县，全株玉米青贮和精料取自山西省和顺县大友牛场，65℃烘干后，粉碎制成风干试样。精料配方及构树、全株玉米青贮常规营养成分见表1，表2。

表1 构树、全株玉米青贮和精料常规营养成分(风干基础)Table 1 Nutrient levels of Broussonetia papyrifera,whole plant corn silage and Concentrate (Air dry base)

表2 精料组成表(风干基础)Table 2 Composition of concentrate (Air dry base)

1.2 试验设计

以精粗比40∶60,50∶50,60∶40，设置15个混合饲料，每个处理中精料、构树和全株玉米青贮比例见表3。每个处理设置3个重复，通过体外模拟瘤胃发酵试验评价各组合的瘤胃发酵性能。

表3 试验设计Table 3 Experimental design

1.3 试验方法

1.3.1瘤胃液采集 晨饲前利用瘤胃瘘管从2头晋南牛瘤胃中采集瘤胃液1 000 mL，混匀后，用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。

1.3.2体外发酵试验 按照Menke等[12]介绍的方法配制缓冲液后，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的比例混合后制成人工瘤胃培养液。准确称量0.22 g发酵底物，加入30 mL人工瘤胃培养液后，在水浴恒温摇床中反应72 h后，终止发酵。将培养管中发酵液离心(4℃，5 400 r·min-1，15 min)，所得上清液于-80℃保存，用于挥发性脂肪酸(volatile fatty acid，VFA)、氨态氮(NH3-N)以及微生物蛋白(microbial protein，MCP)等指标测定。多次清洗残渣后，烘干，测定体外干物质降解率(in vitro dry 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 记录72 h产气量，按下式计算：

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，t时刻样品培养管的刻度；V0样，开始发酵时样品培养管刻度；Vt空，t时刻空白管的刻度；V0空，开始发酵时空白管的刻度。

1.4.2发酵液pH测定 用便携式pH计(雷磁S-25，上海仪电科学仪器股份有限公司)测定终止发酵的体外发酵液的pH值。

1.4.3发酵液氨态氮(NH3-N)测定 将发酵液解冻后，利用次氯酸钠法在630 nm波长处比色(T2602分光光度计，上海)测定氨态氮[13]。

1.4.4发酵液微生物蛋白(MCP)测定 考马斯亮蓝法测定瘤胃液中的微生物蛋白，在波长595 nm处比色(T2602分光光度计，上海)[14]。

1.4.5发酵液挥发性脂肪酸(VFA)测定 用气相色谱仪(Aglient 7890A，美国)测定乙酸(acetate，AA)、丙酸(propionate，PA)、丁酸(butyrate，BA)、异丁酸(isobutyrate，IBA)、戊酸(valerate，VA)和异戊酸(isovalerate，IVA)，TVFA=AA+PA+BA+IBA+VA+IVA。以2-乙基丁酸(2EB)作为内标物。

1.4.6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

1.5 数据处理与分析

用Excel 2016整理数据，采用SPSS 21.0进行数据分析。对选取的13个与瘤胃发酵性能相关的指标进行单因素方差分析，采用Duncan’s进行多重比较。P<0.05为差异显著，P≥0.05为差异不显著。对13个瘤胃发酵指标进行相关性分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 不同精粗比日粮中构树比例对体外发酵指标的影响

由表4可知，精粗比40∶60时，GP72和IVDMD均表现出相同趋势，以40∶0∶60组显著高于其他各组(P<0.05)，NH3-N则为40∶60∶0和40∶45∶15组较高，两组间差异不显著(P>0.05)。精粗比50∶50时，50∶0∶50，50∶12.5∶37.5和50∶25∶25组的GP72较高，且各组间差异不显著(P>0.05)，50∶50∶0组的IVDMD显著低于其他各组(P<0.05)，50∶25∶25组的NH3-N含量最高，与50∶50∶0和50∶37.5∶12.5组差异不显著(P>0.05)。精粗比60∶40时，60∶0∶40组的GP72显著高于其他各组(P<0.05)。

表4 不同精粗比日粮中构树比例对体外发酵指标的影响Table 4 Effects of BP levels in diet with different concentrate to forage ratio on in vitro fermentation parameters

2.2 不同精粗比日粮中构树比例对体外发酵挥发性脂肪酸的影响

由表5可知，当精粗比为40∶60时，乙酸、异丁酸、异戊酸、戊酸和TVFA的浓度随着构树比例降低呈降低的趋势(P<0.05)。精粗比50∶50时，50∶50∶0和50∶25∶25组的异丁酸浓度显著高于50∶37.5∶12.5和50∶12.5∶37.5组(P<0.05)，与50∶0∶50组差异不显著(P>0.05)。50∶0∶50组丁酸的浓度显著高于其他各组(P<0.05)，戊酸浓度则以50∶50∶0和50∶25∶25组显著高于其他各组(P<0.05)。精粗比60∶40时，60∶10∶30组的乙酸、丙酸和TVFA浓度显著高于其他各组(P<0.05)。

2.3 不同组合饲料各项指标的相关性分析

对15个组合的13个瘤胃发酵指标进行相关性分析(表6)。有20对指标间呈极显著相关(P<0.01)，18对指标呈显著相关(P<0.05)。GP72与丁酸浓度呈显著的相关(P<0.05)，相关系数为0.462。IVDMD与乙酸、丁酸、异戊酸、戊酸、TVFA、乙丙比呈显著的正相关(P<0.05)，与异丁酸呈极显著相关(P<0.01)。在所有指标中，乙酸与TVFA的相关系数最大，为0.993(P<0.01)，其次为丙酸与TVFA的相关系数，为0.901(P<0.01)。

2.4 主成分分析不同精粗比日粮中全株玉米青贮与构树的组合效应

将特征值≥1作为判别条件，可提取3项主成分因子(表7)。主成分1的特征值为6.119，贡献率为47.068%；主成分2的特征值为2.968，贡献率为22.834%；主成分3的特征值为1.274，贡献率为9.802%。前3个主成分累计贡献率达79.704%，具有较好的代表性，可用于评价不同饲料组合的瘤胃发酵性能。

表5 不同精粗比日粮中构树比例对体外发酵挥发性脂肪酸的影响Table 5 Effects of BP levels in diet with different concentrate to forage ratio on VFA content in vitro fermentation

表6 饲料组合的各项指标间的相关系数Table 6 Correlation analysis of various indicators of combination

表7 各指标系数及贡献率Table 7 Coefficients and proportion rates of various comprehensive indicators

本研究选取了前3个主成分，将得到的特征向量与标准化后的数据相乘，然后就可以得出主成分表达式。依据主成分所对应的特征值占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重得出主成分综合模型：

F=-0.0894p1+0.2117p2+0.0193p3+0.2218p4+0.1435p5+0.1710p6+0.0928p7+0.2421p8+0.1240p9+0.2477p10+0.2691p11+0.1704p12+0.2107p13。

将标准化后的数据代入，可以得出根据主成分综合模型计算出的综合主成分值，并对其按综合主成分值进行排序。各组合的标准化主成分值、组合效果的综合值(F值)及排序见表8。在15个组合中，精料∶构树∶全株玉米青贮比例为60∶10∶30，组合效果最佳。

表8 标准化主成分值及组合效果评价排序Table 8 Standard values of principal component and evaluated ranking of combination

3 讨论

3.1 不同精粗比日粮中构树比例对体外发酵指标的影响

构树，桑科落叶乔木，具有适应性强，生长快，生物产量高的优势，目前已经作为一种新型的饲料资源而被广泛种植。构树不仅富含粗蛋白及高度易消化的纤维和矿物质，另外其含有的多种生物活性成分能提高反刍动物的抗氧化和抗炎症的能力，这些优点使得构树应用于畜禽饲料中有很大的发展潜力。Li等[15]用构树代替部分苜蓿制作青贮，减少了青贮过程中的氮损失。张生伟等[16-17]在饲料中利用青贮杂交构树替代部分豆粕可提高杜湖杂交肉羊的增重和免疫力，改善肉品质。构树的树叶、茎秆的抗氧化物质含量较高，且灌木和乔木的总抗氧化能力要高于精料、牧草和干草，饲料中补充构树可以促进肉牛提高抗氧化能力[18-19]，可以考虑在日粮中补充构树缓解饲料短缺的问题。

本试验设计了不同精粗比的日粮，研究以全株玉米青贮为主要粗饲料的日粮中添加不同比例的全株构树对晋南牛瘤胃发酵性能的影响。体外常用来评价瘤胃发酵性能的指标有产气量、体外干物质降解率、氨态氮、挥发性脂肪酸等。产气量的差异很大程度上取决于日粮的化学成分、降解速率和程度。日粮经过发酵后产生气体主要由于日粮中的可发酵成分在微生物的作用下生成挥发性脂肪酸的同时产生甲烷和二氧化碳等，所以日粮中成分的差异会导致气体产生量的不同。与碳水化合物发酵相比，蛋白质和脂肪发酵产生的气体产量相对较少。本研究中构树比例提高了日粮中的蛋白比例，相应的产气量呈降低的趋势；日粮的精粗比增加，日粮中快速发酵的非结构性碳水化合物增加，瘤胃微生物活力增强，导致产气量改变[14,20]。IVDMD通常会被用来衡量日粮营养价值，Unnawong[21]认为日粮蛋白水平与日粮的降解率呈正相关，Silva等[22]则认为日粮中的蛋白水平对营养成分降解率影响不大，主要是蛋白组成的影响。本研究中构树比例的增加，并未增加日粮的IVDMD。分析原因，日粮中蛋白比例增加，碳水化合物比例减少，碳氮比降低，瘤胃微生物增殖需要的碳源受到限制，导致IVDMD降低。

pH是反映瘤胃发酵水平的综合性指标之一，pH过高过低都会影响瘤胃的发酵性能。瘤胃液pH的变化与发酵日粮中营养成分以及组成比例有关，不同日粮配方导致的pH变化范围在5.6～7.5[23]，一般常用瘤胃液pH的变化来评价瘤胃内部环境及瘤胃微生物区系。本试验中，日粮精粗比和构树比例对体外发酵液的pH影响不显著，均保持在5.98～6.12，略低于Wang和曾钰等[23-24]的研究结果(6.60～6.62和6.16～6.31)，但均处在瘤胃正常发酵所需的pH范围内(5.5～7.0)[25]。随着精粗比增加，非结构性碳水化合物含量增加，产生的VFA和乳酸增加，导致pH降低，但是由于体外发酵装置的密闭系统，瘤胃pH低于6.2时抑制了对酸碱度敏感的纤维分解菌的生长繁殖，所以对于纤维素降解能力下降，各组间pH变化不大[25]。

瘤胃内的NH3-N主要是微生物降解日粮蛋白质和内源含氮物质的产物，一部分用于合成MCP，一部分溶解在发酵液中。随着构树比例增加，NH3-N浓度显著提高，各组的NH3-N浓度变化范围24.51～34.00 mg·100 mL-1，满足瘤胃微生物生长的最佳浓度(15～30 mg·100 mL-1)[26]，同时也能提供合成MCP所需的NH3-N(5～30 mg·100 mL-1)[20]，全株玉米青贮比例大的组，其可溶性碳水化合物比例也高，能够促进微生物生长，瘤胃微生物利用氮合成MCP增加，导致NH3-N浓度降低[27]，本研究中微生物蛋白含量差异不显著，但基本符合这个规律。

VFA主要来源于瘤胃微生物对日粮碳水化合物的降解，一般可以用来是反映瘤胃微生物的活性，有维持瘤胃内环境稳定以及为动物机体提供能量等作用[28]。VFA浓度受到NDF和ADF降解率的影响，因为瘤胃微生物降解纤维主要产生VFA[27]，在各精粗比日粮中，都表现出构树比例为100组的乙酸和TVFA浓度较高，但是干物质降解率较低，与Castro M等[29]研究结果TVFA的含量与日粮的DM降解率正相关相反，这个可能与构树纤维含量有关系。VFA的积累可以抑制引起破坏的微生物的生长，构树比例增加有提高乙酸比例的趋势，表明添加构树趋使瘤胃发酵模式向乙酸型发酵模式变化，这可能是因为本次所采集为野生构树，其纤维含量相对要高[30]，相对来说，野生构树更合适作为粗饲料应用于肉牛养殖中。随着精粗比增加，组合的乙酸、丙酸比例都呈显著增加，这与通常的研究结果不一致，这可能与精粗比和粗饲料比例对乙酸、丙酸有极显著的互作效应有关。杨艳等[31]结果表明随着发酵底物精料比例的增加，乙酸含量降低，而丙酸、丁酸、总VFA含量升高。但也有研究结果为高精料日粮乙酸和丙酸都略高于高粗料饲粮[32-33]。

3.3 主成分分析精料、构树和全株玉米青贮的组合效应

对于饲料的瘤胃发酵性能，一般我们会用产气量、体外干物质降解率以及挥发性脂肪酸等来评价。本研究选取了13个指标，对15个不同比例的精料、构树和全株玉米青贮组合进行了瘤胃发酵性能评价。通过相关性分析，发现有20对指标呈极显著相关(P<0.01)，有研究表明，各指标间呈高度相关会造成不同指标所反映结果因为重复而导致结果的不准确。利用主成分分析将多个复杂的单项指标转化为几个综合指标，可以确保在原有信息不损失的前提下降低了单一指标的片面性，提高评价的准确性[34]。主成分分析结果为精料∶构树∶全株玉米青贮比例60∶10∶30，符合实际生产中肉牛育肥中后期日粮能量水平提高。

4 结论

构树蛋白含量相对较高，在本试验条件下，日粮中添加构树可以改善肉牛瘤胃发酵性能。利用主成分分析，精料∶构树∶全株玉米青贮比例为60∶10∶30，组合效果最佳。生产中可以考虑将构树作为晋南牛的粗饲料来源，但适宜的添加比例仍需动物试验进一步验证。