不同粒度玉米在泌乳奶牛瘤胃中降解规律的预测

邹 杨 杨占山 李胜利 曹志军

(中国农业大学动物科技学院，动物营养国家重点实验室，北京 100193)

在我国，玉米占精料中很大比例，是奶牛饲粮中最主要的能量来源［1］。反刍动物可消化淀粉主要由瘤胃可降解部分和小肠可消化部分组成，因此，瘤胃淀粉降解率与总肠道淀粉消化率高度相关［2］。我们所关注的不仅是玉米的瘤胃降解率，同时还有过瘤胃降解转化为葡萄糖、被小肠吸收并转运至所需器官的那部分。饲粮瘤胃可降解淀粉(RDS)比例也决定了其在小肠消化的过瘤胃淀粉的比例，瘤胃和小肠消化淀粉的平衡对产奶量、乳脂校正乳产量和干物质采食量起到了很大的作用［3－4］。由于粉碎或者破碎引起的快速可利用非结构性碳水化合物的差异在玉米消化过程起到重要的作用，特别是影响 RDS［5］。前人的研究主要针对于玉米的全肠道消化率［6－9］。Moe 等［10］研究发现 54.5%精料的奶牛饲粮中使用细粉玉米(68.3%)比使用玉米粒(59.1%)的全肠道消化率要高。同样地，还有一些试验用半体内法测定了相同处理方法，如相同粒度的不同谷物的消化率，结果表明，瘤胃降解率由于不同谷物的粒度分布和物理结构的不同而不同［11－12］。然而，关于泌乳奶牛对不同粒度的玉米干物质和淀粉降解率的信息是很匮乏的。同时，在牛场用半体内法也不是一种测定奶牛的玉米降解率的很实际的方法。到目前为止，还没有一种利用玉米的不同粒度来评估瘤胃降解率的模型。实际上，饲料厂粉碎的玉米不像在科学研究中一样是粒度均一的。本试验利用尼龙袋法来研究玉米粒度(300～6 000μm)分布对荷斯坦泌乳奶牛干物质和淀粉的降解规律的影响，旨在通过粒度来预测玉米的降解规律。

1 材料与方法

1.1 试验动物

选取5头体况良好、带有瘤胃瘘管的荷斯坦二胎奶牛，泌乳天数为(248±46)d，产奶量为(15.80±3.0)kg/d，体重为(617±63)kg。试验在中国农业大学延庆试验基地进行。试验牛采用全混合日粮饲喂，全混合日粮组成及营养水平见表1。

表1 全混合日粮组成及营养水平(干物质基础)Table 1 Composition and nutrient levels of the total mixed ration(DM basis) %

1.2 饲养管理

试验动物在铺有橡胶垫的牛舍内栓系式饲养，每天07:30和19:30饲喂，07:00和19:00挤奶，1 h自由活动，自由饮水。奶牛福利参照FASS(2010)［13］标准。

1.3 试验样品制备与分析

1.3.1 玉米样品的制备

在中国农业大学延庆奶牛试验基地采取同一批玉米进行样品制备，玉米粉碎后用筛孔分别为300、450、600、2 360、6 000 μm 的标准检验筛振荡15 min，直到筛底的重量恒定。

1.3.2 降解率的测定

降解率根据 Herrera-Saldana等［14］的描述进行。分别准确称取5 g左右的待测玉米样品，装入已称重的10 cm×19 cm尼龙袋(孔径40μm)中。每头牛每个待测样品均设置2个重复，每个重复1个尼龙袋，将2个重复的尼龙袋口交叉夹于半软塑料管(50 cm)的夹缝中，用橡皮筋缠绕固定结实。

本试验采用“同时放入，分次取出”的方法，将所有塑料管(连同上面所系尼龙袋)放入瘤胃，分别在瘤胃内培养 0、2、4、8、12、24 和 48 h 后，将塑料管(连同上面所系尼龙袋)从瘤胃中取出。将取出的尼龙袋浸泡在冰水中，并立即用自来水冲洗，在冲洗过程中可用手轻轻挤压，直至水清为止。将冲洗过的尼龙袋放在65℃烘箱内烘至恒重，用分析天平称重。计算瘤胃对饲料营养物质的降解率。袋中的剩余样品混合均匀，用研钵粉碎过1 mm筛，装入密封容器内待测。

全混合日粮和尼龙袋剩余样品干物质和淀粉含量的测定按照AOAC［15－16］的方法进行测定。测定方法如下:干物质，100～105℃烘箱干燥法测定;淀粉，耐热α－淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶法。

1.4 降解率的计算

干物质和淀粉的降解率计算公式如下:

降解率(%)=100×(A－B)/A。

式中:A为尼龙袋中待测样品干物质或淀粉的质量(mg)，B为瘤胃降解后尼龙袋中剩余样品的干物质或淀粉的质量(mg)。

干物质和淀粉的半体内法降解率曲线符合如下模型:

降解率(%)=a+b×(1－e－Kd×t)［17］。

式中:a为快速降解部分(%)，b为慢速降解部分(%)，Kd为慢速降解部分的降解速率(%/h)，t为降解时间(h)。

瘤胃可降解干物质(RDDM)和RDS含量计算公式如下:

RDDM 或 RDS=a+b×Kd/(Kd+Kp)。

式中:Kp为外流速率(%/h)，本试验取0.06。

1.5 数据统计分析

数据统计过程使用SAS 8.1，玉米粒度的影响采用GLM方差分析程序进行分析，同时采用线性和二次回归来分析玉米粒度增加的影响。试验数据统计结果以P＜0.05表示差异显著。对半体内法测定的干物质和淀粉的降解率以及降解参数与玉米粒度之间进行线性回归。

2 结果与分析

2.1 不同粒度对玉米干物质和淀粉瘤胃实时降解率的影响

由表2和表3可见，各时间点玉米的干物质和淀粉降解率均随着粒度的减小而增加，同时，各粒度玉米的干物质和淀粉降解率也随着降解时间的延长而增加。各粒度中，玉米最小的粒度300μm的干物质和淀粉的48 h降解率最高，分别为98.22%和 97.30%，而最大的粒度 6 000 μm 的最低，分别为69.24%和 70.96%。这提示，当表面积增大约20倍时，玉米干物质和淀粉的降解率分别提高 1.44 和 1.37 倍。

以玉米粒度为自变量，对各时间点干物质和淀粉降解率进行线性回归可以看出，除了0 h的淀粉(P=0.328，R2=0.311 3)以及培养后 2 h 的干物质(P=0.086，R2=0.679 0)和淀粉(P=0.059，R2=0.746 7)降解率，其他各时间点的干物质和淀粉的降解率均表现出了很强的线性相关(P＜0.05，干物质:R2为 0.831 2～0.933 4，淀粉:R2为 0.820 3～0.993 1)，同时2 h的干物质和淀粉的降解率也可观察到线性相关的趋势(0.05＜P＜0.10)。

表2 不同粒度对玉米干物质瘤胃实时降解率的影响(干物质基础)Table 2 Effects of different particle sizes on real-time ruminal degradation rate of dry matter of corn(DM basis) %

表3 不同粒度对玉米淀粉瘤胃实时降解率的影响(干物质基础)Table 3 Effects of different particle sizes on real-time ruminal degradation rate of starch of corn(DM basis) %

续表3

2.2 不同粒度对玉米干物质和淀粉瘤胃降解参数的影响

由表4和表5可见，随着粒度的降低，玉米的干物质的快速降解部分和慢速降解部分的降解速率以及淀粉的快速降解部分均升高，淀粉的慢速降解部分的降解速率先升高后降低。300μm时的瘤胃可降解部分(干物质和淀粉)约为6 000μm时的2倍。瘤胃培养48 h，各粒度玉米的干物质的慢速降解部分的降解速率在2.2 9%/h～6.62%/h，淀粉的在 2.28%/h～9.14%/h。

以玉米粒度为自变量，对瘤胃培养48 h后干物质和淀粉降解参数进行线性回归可以看出，干物质的快速降解部分(P=0.025，R2=0.854 0)和慢速降解部分(P=0.014，R2=0.901 0)及 RDDM(P=0.019，R2=0.879 9)，淀粉的慢速降解部分(P=0.023，R2=0.862 0)和 RDS(P=0.008，R2=0.929 0)均表现出了很强的线性相关。

表4 不同粒度对玉米干物质瘤胃降解参数的影响(干物质基础)Table 4 Effects of different particle sizes on ruminal degradation parameters of DM of corn(DM basis)

表5 不同粒度对玉米淀粉瘤胃降解参数的影响(干物质基础)Table 5 Effects of different particle sizes on ruminal degradation parameters of starch of corn(DM basis)

3 讨 论

由于粉碎过程并未破坏玉米的分子键，试验中5种粒度的玉米干物质(86.6%～88.4%)和淀粉(62.2%～64.3%)含量差异不大。瘤胃降解率受到很多因素的影响，如粉碎处理、颗粒大小、原料来源［18－19］、尼龙袋孔径［20］和动物饲粮［21］。然而，关于选择较大范围的玉米粒度对泌乳奶牛干物质和淀粉瘤胃降解率影响的研究较少。本试验表明，粒度对玉米干物质和淀粉的影响不仅表现在瘤胃培养的早期，也同样表现在培养的后期。粉碎只是降低了玉米的粒度，增加了与瘤胃微生物接触的表面积，并未造成玉米中分子键的断裂，因此，5种粒度玉米样品的营养成分无差异。而5种粒度的玉米干物质和淀粉瘤胃降解率的变异可能是由于物理结构和化学成分的不同，同时淀粉和干物质的降解率变化是一致的［22］。尽管粒度分布由于谷物、处理方法、化学组成、物理结构和每一部分粒度降解率的变化而变化，本试验着重于300～6 000μm的粒度对玉米瘤胃降解率的影响。

本试验采用的尼龙袋孔径为40μm，国外尼龙袋降解试验样品一般是过3 mm筛，本试验中300μm的快速降解部分很高可能是由于粒度太细，有一部分透过尼龙袋渗透出来，而未被消化，这部分是由于尼龙袋方法的局限性造成的，而由粉碎造成的损失根据Ørskov等［17］的方法也是不可测的。本试验中最小的玉米粒度为300μm，远大于尼龙袋的孔径(40μm)，因此尼龙袋中干物质的损失是可以被忽略的。

Rémond 等［23］对 粒 度 为 730、1 807 和3 668μm的玉米的瘤胃快速降解部分和慢速降解部分的研究结果表明，粒度的减小使瘤胃快速降解部分从1.5%增加到18.4%，而慢速降解部分从98.1%降低到81.6%，这与本试验结果是一致的。本试验中RDDM和RDS的增加主要是由于快速降解部分的变大［5，14，24］。Ewing 等［25］同样指出玉米粒度从8 mm降低至1 mm加速了肉牛的玉米过瘤胃速率。然而，玉米粒度为450μm时的淀粉快速降解部分为25.55%，比600μm时高，慢速降解部分的降解速率高于300μm，慢速降解部分的降解速率与玉米粒度不呈线性相关。不同粒度之间的变异可能是由于玉米样品粉碎后的物理结构和化学组成不同造成的［26］。粉状或角状胚乳或胚芽在特定的粒度下更集中［26］，当玉米粉碎的较细时，玉米粒被破坏，淀粉的结晶度降低［27－28］，粉碎后的粉状胚乳产生了较高的淀粉含量。

将与玉米干物质和淀粉瘤胃降解率有关文献［14，29－36］中的粒度的数值代入本试验的预测公式，所得的降解率的预测值与文献中的实测值进行比较，可以看出预测值与实测值之间平均有10%的偏差，但是 Herrera-Saldana等［14］用肉牛测定的玉米瘤胃降解率与用本试验中的预测公式所得的计算值仅相差4.62%。由于瘤胃降解率会受到动物的品种、奶牛的泌乳阶段、玉米的种类和加工方法的影响，而本试验着重关注泌乳后期奶牛对不同粒度的同一种玉米的瘤胃降解率的影响，因此本试验所提供的回归公式在一定范围内是有效的，同时也具有一定的局限性。关于瘤胃降解率与不同品种和阶段的动物、不同种类和加工方法的玉米之间的关系还需要进一步研究。

4 结论

本试验建立了通过粒度(x，μm)分布预测RDDM(y1，%)和 RDS 含量(y2，%)的回归公式:y1=67.96－0.005 4 8x，R2=0.88，P=0.019;y2=70.12－0.005 36x，R2=0.93，P=0.008。

［1］ TRIFUNOVIC V，李维鼎.玉米——食物和能量的来源［J］.新疆农业科学，1984，5:23－25.

［2］ THEURER C B，HUBER J T，DELGADO-ELORDUY A，et al.Invited review:summary of steam-flaking corn or sorghum grain for lactating dairy cows［J］.Journal of Dairy Science，1999，82(9):1950－1959.

［3］ EHLE F R，MURPHY M R，CLARK JH.In situ particle size reduction and the effect of particle size on degradation of crude protein and dry matter in the rumen of dairy steers［J］.Journal of Dairy Science，1982，65(6):963－971.

［4］ NOCEK J E，TAMMINGA S.Site of digestion of starch in the gastrointestinal tract of dairy cows and its effect on milk yield and composition［J］.Journal of Dairy Science，1991，74(10):3598－3629.

［5］ KNOWLTON K F，ALLEN M S，ERICKSON P S.Lasalocid and particle size of corn grain for dairy cows in early lactation.1.Effect on performance，serum metabolites，and nutrient digestibility［J］.Journal of Dairy Science，1996，79(4):557－564.

［6］ GOELEMA J O，SPREEUWENBERG M A M，HOF G，et al.Effect of pressure toasting on the rumen degradability and intestinal digestibility of whole and broken peas，lupins and faba beans and a mixture of these feedstuffs［J］.Animal Feed Science and Technology，1998，76(1/2):35－50.

［7］ GOELEMA J O，SMITS A，VAESSEN L M，et al.Effects of pressure toasting，expander treatment and pelleting on in vitro and in situ parameters of protein and starch in a mixture of broken peas，lupins and faba beans［J］.Animal Feed Science and Technology，1999，78(1/2):109－126.

［8］ T RˇINÁCT Y'J，HOMOLKA P，ZEMAN L，et al.Whole tract and post ruminal digestibility determined by in situ ruminal，intestinal mobile nylon bag and whole tract nylon capsule methods［J］.Animal Feed Science and Technology，2003，106(1/2/3/4):59－67.

［9］ NORBERG E，VOLDEN H，HARSTAD O M.Technical note:assessment of recovery site of mobile nylon bags for measuring ileal digestibility of starch in dairy cows［J］.Journal of Dairy Science，2007，90(1):418－421.

［10］ MOE P W，TYRRELL H F，HOOVEN N W.Physical form and energy value of corn grain［J］.Journal of Dairy Science，1973，56(10):1298－1304.

［11］ FIGROID W，HALE W H，THEURER B.An evaluation of the nylon bag technique for estimating rumen utilization of grains［J］.Journal of Animal Science，1972，35(1):113－120.

［12］ ERDMAN R A，VANDERSALL J H，RUSSEK-COHEN E，et al.Simultaneous measures of rates of ruminal digestion and passage of feeds for prediction of ruminal nitrogen and dry matter digestion in lactating dairy cows［J］.Journal of Animal Science，1987，64(2):565－577.

［13］ FASS.Guide for the care and use of agricultural animals in research and teaching［S］.3rd ed.Champaign:The Federation of Animal Science Societies，2010.

［14］ HERRERA-SALDANA R E，HUBER J T，POORE M H.Dry matter，crude protein，and starch degradability of five cereal grains［J］.Journal of Dairy Science，1990，73(9):2386－2393.

［15］ AOAC.Official methods of analysis of AOAC International［S］.Maryland:AOAC International，2005.

［16］ AOAC.Official methods of analysis of AOAC International［S］.Maryland:AOAC International，2000.

［17］ ØRSKOV ER，MCDONALD I.The estimation of protein degradability in the rumen from incubation measurements weighted according to rate of passage［J］.The Journal of Agricultural Science，1979，92(2):499－503.

［18］ WALDO D R.Extent and partition of cereal grain starch digestion in ruminants［J］.Journal of Dairy Science，1973，37(4):1062－1074.

［19］ GALYEAN M L，WAGNER D G，OWENS F N.Dry matter and starch disappearance of corn and sorghum as influenced by particle size and processing［J］.Journal of Dairy Science，1981，64(9):1804－1812.

［20］ NOCEK J E，ENGLISH J E.In situ degradation kinetics:evaluation of rate determination procedure［J］.Journal of Dairy Science，1986，69(1):77－87.

［21］ LOERCH S C，BERGER L L，GIANOLA D，et al.Effects of dietary protein source and energy level on in situ nitrogen disappearance of various protein sources［J］.Journal of Animal Science，1983，56:206－216.

［22］ GALYEAN M L，WAGNER D G，JOHNSON R R.Site and extent of starch digestion in steers fed processed corn rations［J］.Journal of Animal Science，1976，43(5):1088－1094.

［23］ RÉMOND D，CABRERA-ESTRADA J I，CHAMPION M，et al.Effect of corn particle size on site and extent of starch digestion in lactating dairy cows［J］.Journal of Dairy Science，2004，87(5):1389－1399.

［24］ CALLISON S L，FIRKINS J L，EASTRIDGE M L，et al.Site of nutrient digestion by dairy cows fed corn of different particle sizes or steam-rolled［J］.Journal of Dairy Science，2001，84(6):1458－1467.

［25］ EWING D L，JOHNSON D E.Corn particle starch digestion，passage and size reduction in beef steers:a dynamic model［J］.Journal of Animal Science，1987，64:1194－1204.

［26］ GALYEAN M L，WAGNER D G，OWENS F N.Corn particle size and site and extent of digestion by steers［J］.Journal of Animal Science，1979，49:204－210.

［27］ EWING D L，JOHNSON D E.Corn particle starch digestion，passage and size reduction in beef steers:a dynamic model［J］.Journal of Animal Science，1987，64:1194－1204.

［28］ 吴俊，李斌，苏喜生，等.玉米淀粉的粒度效应与其微观形貌和性能关系研究［J］.中国粮油学报，2004，19(5):23－26.

［29］ CERNEAU P，MICHALET-DOREAU B.In situ starch degradation of different feeds in the rumen［J］.Reproduction Nutrition Development，1991，31(1):65－72.

［30］ LYKOS T，VARGA G A.Effects of processing method on degradation characteristics of protein and carbohydrate sources in situ［J］.Journal of Dairy Science，1995，78(8):1789－1801.

［31］ PHILIPPEAU C，LE D D M F，MICHALET-DOREAU B.Relationship between ruminal starch degradation and the physical characteristics of corn grain［J］.Journal of Animal Science，1999，77(1):238－243.

［32］ DI MARCO O N，AELLO M S，NOMDEDEU M，et al.Effect of maize crop maturity on silage chemical composition and digestibility(in vivo，in situ and in vitro)［J］.Animal Feed Science and Technology，2002，99(1):37－43.

［33］ 任莹，赵胜军，卢德勋，等.瘤胃尼龙袋法测定常用饲料过瘤胃淀粉量及淀粉瘤胃降解率［J］.动物营养学报，2004，16(1):42－46.

［34］ 李瑞丽，刘建新.不同淀粉源饲料的瘤胃降解特性研究初探［J］.饲料工业，2006，27(15):22－24.

［35］ 齐智利，嘎尔迪，金曙光，等.奶牛常用饲料瘤胃干物质和淀粉降解规律的研究［J］.草业科学，2006，23(6):63－68.

［36］ 谢春元，杨红建，么学博，等.瘤胃尼龙袋法和体外产气法评定反刍动物饲料的营养价值的比较［J］.中国畜牧杂志，2007，43(17):39－42.