乌拉尔甘草茎叶粉替代混播牧草干草粉对绵羊瘤胃体外发酵特性的影响

王永力，哈丽代·热合木江，刘 晨，万江春，艾比布拉·伊马木

(新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆草地资源与生态重点实验室，新疆乌鲁木齐 830052)

乌拉尔甘草茎叶粉替代混播牧草干草粉对绵羊瘤胃体外发酵特性的影响

王永力，哈丽代·热合木江，刘 晨，万江春，艾比布拉·伊马木*

(新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆草地资源与生态重点实验室，新疆乌鲁木齐 830052)

本试验采用体外产气法研究了不同比例乌拉尔甘草茎叶粉替代混播牧草干草粉对绵羊瘤胃体外产气和发酵特性的影响，探讨甘草茎叶饲料添加的适宜比例。乌拉尔甘草(Glycyrrhiza nralensis)茎叶粉替代混播牧草干草粉按0∶100(G0)、20∶80(G20)、40∶60(G40)、60∶40(G60)、80∶20(G80)与100∶0(G100)的比例组合进行体外发酵试验，分别培养2、4、8、12、24、36、48 h，研究体外培养发酵48 h后其对绵羊瘤胃发酵参数(产气量、体外干物质消化率、发酵液pH、挥发性脂肪酸浓度)的影响。结果表明:累积产气量及产气速率随着乌拉尔甘草茎叶粉在发酵底物中比例的增加而减少，甘草茎叶粉占60%以上的试验组与G0、G20和G40处理间差异显著(P＜0.05);G0、G20、G40试验组间的体外干物质消化率极显著高于G60、G80、G100(P＜0.01);随着甘草茎叶粉添加比例的增加，发酵液的总挥发性脂肪酸浓度下降而pH值上升。结果显示，本试验条件下，乌拉尔甘草茎叶替代一般牧干草的比例超过60%时，对绵羊瘤胃发酵具有一定抑制作用，按20%～40%比例添加则无负面影响。

甘草茎叶;产气量;瘤胃发酵;绵羊

甘草(Glycyrrhiza uralensis Fisch.)是新疆荒漠区最主要的植被资源之一,野生甘草有153.3万多公顷,主要有乌拉尔甘草(Glycyrrhiza uralensis)、光果甘草(G.glabra)、胀果甘草(G.inflata)等［1］。截止2009年,新疆野生甘草遭到过度开采,甘草资源退化严重,已引起各方关注。为保护甘草资源,稳定甘草产量,新疆正大力发展人工规模化种植甘草,种植面积已达数十万公顷;种植区域分布基本呈北疆种植乌拉尔甘草为主,南疆围栏护育胀果甘草为主［2］。甘草地上部分茎叶繁茂,随着甘草种植面积逐年扩大,若能将其作为饲料开发则对新疆饲草短缺瓶颈问题具有重大现实意义。张继等［3］对乌拉尔甘草、光果甘草和胀果甘草茎叶中各类营养成分进行了比较分析研究。郭雪峰等［4］研究发现,添加一定比例的甘草提取物有利于瘤胃体外发酵。另外,用甘草茎叶饲喂羔羊及其替代苜蓿饲喂奶牛或用等量的甘草茎叶草粉与紫花苜蓿草粉配合饲喂等研究报告均说明甘草茎叶具有类似于苜蓿的饲喂效果。如上所述,甘草茎叶的饲料化利用主要集中在营养成分分析及其饲喂试验,但甘草茎叶饲料对绵羊瘤胃发酵特性的影响以及合理添加比例方面鲜有研究报道。本试验旨在通过体外产气法评定乌拉尔甘草茎叶按不同比例替代混播牧草时的发酵产气特性,探讨甘草茎叶饲料添加的适宜比例,为开发甘草茎叶资源作为反刍动物饲料提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及营养水平分析表 本试验用乌拉尔甘草茎叶取自新疆康隆农业科技发展有限公司, 2011年种植(2年生),2013年8月刈割其地上部分;牧干草来源为新疆伊犁昭苏马场混播人工草地,选用鸭 茅 (Dactylis glomerata)、 无 芒 雀 麦(Bromus innermis)、猫尾草(Phleum pratense)等禾本科牧草和红豆草(Onobrychis viciaefolia)、紫花苜蓿(Medicago sativa)、红三叶(Trifolium oratense)等豆科牧草进行混播。每份草样均粉碎过40目筛,备用。供试甘草茎叶和混播牧草的粗蛋白质(CP)、粗灰分(Ash)、中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤纤维(ADF)等营养成分相对接近(表1)。

表1 甘草茎叶与混播牧草的基本营养成分(风干基础)%

1.2 瘤胃液采集与培养液配制 于晨饲前分别从3只绵羊的瘤胃中采集瘤胃内容物混合,4层纱布过滤,取得瘤胃液,灌入经预热达39℃的保温瓶中,盖严瓶口,迅速回到实验室,与预先准备好的人工唾液按照1∶2比例混合作为瘤胃微生物培养液,持续通入CO2,置于39℃的水浴槽中,直至培养液的颜色先变成粉红色,最终变成无色后即可使用。人工唾液参照Menke等［5］的方法配制。

1.3 试验设计 对乌拉尔甘草茎叶粉(以下简称甘草)与混播牧草干草粉(以下简称混播草)分别以0∶100、20∶80、40∶60、60∶40、80∶20、100∶0的比例组合进行体外发酵试验,以评定其营养价值。准确称取(400±10)mg已按要求粉碎的待发酵底物于已经升温至39℃发酵瓶中,然后加入上述配好的混合培养液30 mL,再向产气瓶中通入CO2气体至饱和,发酵瓶用橡胶塞和铝盖封口后,置于39℃恒温培养箱中培养48 h。每个处理设3个重复,同时设1个空白对照组。

1.4 样品采集 分别在体外培养2、4、8、12、24、36、 48 h时测定产气量(GP),48 h后终止发酵,收集发酵液,4层纱布过滤,即时测定pH,随后于-20℃冻存并在1周内完成挥发性脂肪酸(VFA)的测定。将过滤后的发酵残留物冲洗后烘干,待测发酵底物的体外干物质消化率(IVDMD)。

1.5 测定指标及方法 GP∶分别在发酵的2、4、8、12、24、36、48 h观察记录注射器活塞刻度值。每次产气试验至少3个空白对照做校正用,至少在不同时间重复测定2次,如每次测定结果标准差大于0.8 mL,再重复测定。某一时间段培养管净产气量计算公式∶

式中,GPT为样品在t时刻的产气量(mL);Vt为样品发酵t后,培养管刻度读数;V0为样品在开始培养时,空白培养管刻度读数;W为样品干物质重(mg)。

取10 mL发酵液3 500 r/min离心10 min,取上清液,采用D-51pH测定仪测定其pH值。VFA测定采用LC9811型高效液相色谱仪进行测定。色谱柱∶Kromnsil C18 S-DVB gel Column,检测器∶SPDM10AVP,流动相∶3 mmol/L高氯酸,流速∶1 mL/min,柱温30℃,检测波长210 nm,进样量∶20 μL。IVDMD测定,瘤胃体外发酵结束后将全部发酵液用尼龙袋过滤,保留残渣,60℃烘干48 h称重,记录数值。

1.6 产气动力学 将所有发酵底物在2、4、8、12、24、36、48 h各时间点的产气量代入产气模型公式Φrskov。计算公式∶

式中,p为t时间的产气量(mL);a为快速发酵部分的瞬时产气量(mL);b为慢速发酵部分的产气量(mL);c为每小时潜在可消化组分的消失率(%/h); a+b为潜在产气量,t为发酵时间,即自开始发酵至记录产气的时间,本研究中为0～48 h。根据非线性最小二乘法原理,求出a、b、c值。

1.7 统计分析 数据采用Excel 2003和SPSS17.0进行数据整理与统计分析。

2 结果与分析

2.1 累积产气量、产气参数 由图1可知,各试验组的产气量随着发酵时间的延长均呈上升趋势,其中发酵初期增长较快,后期趋于平缓。在同一时间点,产气初级阶段混播草含量高的组合产气量高于混播草含量低的组合,即G20＞G0＞G40＞G60＞G80＞G100,说明混播草在产气速率上快于甘草。产气参数方面,快速产气a与产气速率c则随甘草在整个混合发酵底物中比例的增加而降低,G20和G40组间快速产气参数a差异不显著(＞0.05),但显著高于G80、G100(＜0.05)。各组间产气速率(c)差异显著(＜0.05)。G20组慢速产气b与潜在产气量(a+b)显著高于G60、G80、G100组(＜0.05)。

图1 不同比例组合甘草和混播草体外发酵48 h的GP动态变化曲线

2.2 IVDMD 从图2可以看出,在整个混合发酵底物中IVDMD基本随着甘草比例的增加而逐渐下降。发酵48 h后,横向比较中G0的IVDMD最高,G0、G20、G40极显著高于其他组合(＜0.01)。

图2 不同比例组合甘草和混播草体外发酵48 h的IVDMD

2.3 发酵液的pH值和VFA浓度 由表3可知,试验组体外发酵液pH值都在6.03～6.23,没有明显差异,属于瘤胃微生物特别是纤维分解菌生长较为适宜的环境。随着发酵时间的延长到培养结束后48 h,pH值随着甘草含量的增加而随之变高;总VFA浓度基本随着甘草比例的增加呈下降趋势,乙酸浓度以及丙酸浓度纵向变化规律基本相似;甘草和混播草不同比例乙酸/丙酸比值基本保持在2.94～3.34,随着甘草替换比例的增加而增加,各试验组间差异不显著(＞0.05)。另外,发现挥发性脂肪酸浓度高的试验组则相应的pH值低。

表3 不同比例组合甘草和混播草体外发酵48 h的pH和VFA

3 讨 论

有研究表明,NDF代表着饲草容积,决定着动物的饱腹度,与家畜的采食量呈负相关;ADF很难被动物消化,与消化率呈负相关,其含量越高,消化率越低［6］。目前,国内外关于乌拉尔甘草茎叶营养成分分析的研究表明,乌拉尔甘草茎叶中糖、蛋白质、脂肪含量较高,并且含有丰富的矿质元素［3］。本试验中,乌拉尔甘草茎叶中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维含量高于混播牧草,但其粗蛋白含量接近混播牧草,适合替代一定比例牧草作为饲料供给家畜。

反刍动物对饲料营养物质的消化以瘤胃消化为主,瘤胃消化实质上是碳水化合物在瘤胃微生物的作用下发酵分解为VFA和气体的过程。瘤胃内GP、IVDMD、pH和VFA是反映瘤胃微生物的生长和其对饲料的利用程度的重要参数。一定时间体内发酵产气量可综合反映底物被分解利用的程度,许多学者报道体外产气量与体内干物质降解率呈高度正相关,其可以说明饲料的整体降解情况。胡伟莲等［7］报道,纤维素、半纤维素在瘤胃内经过挥发性脂肪酸代谢被降解为VFA,其是反刍动物能量的重要来源,占反刍动物吸收能量的70%～80%,其中最多的为乙酸,说明VFA在反刍动物能量代谢过程中发挥着重要的作用。因此,通过各项发酵指标可以相对反映瘤胃发酵状况正常与否,同时可作为体外发酵试验的评价体系。从试验中可以看出,各试验组在发酵48 h后产气量有所不同,G20、G40组的产气量相对较高,与对照组(G0)之间差异不显著,而其他试验组出现显著降低。本试验结果显示,添加不同比例甘草一定程度上抑制了产气量的升高,影响了饲料碳水化合物的消化。这可能是由于甘草茎叶中有效成分抑制了发酵液中细菌、酵母菌、真菌等瘤胃微生物的生长［8］,影响到发酵底物的消化,降低产气量。Liu等［9］、张吉鹍等［10-11］研究发现,不同比例组合的禾本科牧草与稻草、碳酸氢铵处理的稻草与稻草或苜蓿与玉米秸秆混合发酵时,产气量与产气速率均随前者在混合发酵基质中比例的增加而增加,这与本研究结论相反,说明甘草与混播草混合发酵时可减少最大产气量。Schofield等［12］发现,产气参数与用原位技术(瘤胃尼龙袋技术)及体外干物质消化率法测得的消化率高度相关,其他学者亦证明产气量与体内表观消化率高度相关［13］。因此,本研究中体外发酵的潜在产气量(a+b)可以看作相应组合的消化率参数。从本研究的结果看,产气量高的组合相应的IVDMD也高,进一步证明了饲料体外发酵产气量与IVDMD存在高度正相关［14］,值得注意的是G20的潜在产气量(a+b)高于其他试验组。试验说明混播草添补40%的甘草就可以使之达到与纯混播草相近的消化率,当甘草添加比例为20%时,两者可能存在正组合效应。

pH值是最直观和最基本的反映瘤胃发酵是否正常的生理指标,而VFA是反刍动物能量吸收的重要来源,二者呈负相关。这与随着发酵时间延长,瘤胃微生物不断地分解发酵底物生成的VFA会进一步加剧酸性环境有关。反刍动物VFA的产量与其能量代谢密切相关,乙酸/丙酸的大小又与能量利用效率成线性相关。总VFA的降低表明饲料的消化率下降,而若总挥发性脂肪酸中丙酸的比例下降,则表明消化后能量的利用率也会下降。本研究发现,总挥发性脂肪酸、乙酸和丙酸浓度随着甘草替换比例的增加而降低,因此添加甘草降低了总挥发性脂肪酸、乙酸和丙酸浓度。刘俊峰等［15］试验结果证明,添加不同水平甘草提取物在一定程度上降低了VFA的酸度,与本研究结果一致,这可能也是由于甘草茎叶中有效成分对瘤胃微生物有抑制作用,影响到发酵底物的分解,降低总挥发性脂肪酸浓度。当甘草100%替代混播草时,总VFA浓度显著降低,表明其瘤胃发酵劣于混播草。同时,乙酸/丙酸比值随着甘草替换比例的增加而增加,表明各试验组的能量利用率均随甘草替换比例的增加而减少,但当甘草替换比例达到60%后下降明显。这可能与用甘草替代混播草可抑制瘤胃微生物对发酵底物的利用率,而超过一定替代比例就会发生瘤胃微生物优先利用甘草的取代效应,而减少对混播草中结构性碳水化合物的利用有关。这与张吉鹍等［16］体外试验得出的结果基本相似。本研究结果表明,替代比例的升高一定程度上抑制了瘤胃发酵,降低了产气量、体外干物质消化率和总挥发性脂肪酸浓度,因此可以通过各项发酵指标探寻一个较为合适的添加比例。

综上所述,甘草作为中草药之王,茎叶中含有甘草酸等三萜皂贰类化合物和甘草素、异甘草素等黄酮类化合物等有效成分,其中抗菌成分较多,具有其他牧草所不具有的双重作用。亦有学者发现,在动物试验中,甘草茎叶的有效成分对肾炎有治疗作用及提高动物体免疫力等诸多功效。所以,若动物饲料中添加甘草茎叶产品必将会影响绵羊瘤胃发酵性状,从而影响动物生产,其确切机制有待进一步研究。

4 结 论

从甘草茎叶的营养成分来看,其品质介于禾本科牧草和豆科牧草之间,可作为饲草利用。体外产气试验结果表明,甘草茎叶添加比例过大将会影响绵羊瘤胃发酵,一般甘草茎叶牧草的合理替代比例为20%～40%,但此结果有待于动物试验予以论证。

［1］李学禹.中国甘草属(Glycyrrhiza L.)植物种质资源［A］.第二届中国甘草学术研讨会暨第二届新疆植物资源开发、利用与保护学术研讨会论文摘要集［C］.2004:1-5.

［2］ 吴敬峰,贾晓光,李珺珂,等.新疆甘草规模化种植与现代农业技术的应用［J］.中国现代中药,2011,13(7):15-16.

［3］张继,姚健,丁兰,等.甘草的利用研究进展［J］.草原与草坪, 2000,(2):12-17.

［4］郭雪峰,刘俊峰,孙丽斌,等.甘草提取物对绵羊瘤胃体外发酵及甲烷产量的影响［J］.动物营养学报,2012,24(8):165-173.

［5］Menke K H,Steingass H.Estimation of the energetic feed value obtained from chemical analysis and in vitro gas production using rumen fluid［J］.Anim Res Dev,1988,28:7-55.

［6］张新平,李向林,万里强.正交设计在苜蓿青贮添加剂试验中的应用研究［J］.草原与草坪,2006,114(1):28-32.

［7］胡伟莲.皂甙对瘤胃发酵与甲烷产量及动物生产性能影响的研究［D］.杭州:浙江大学,2005.

［8］ Odaka K,Tamura Y,Yamamoto M,et al.Identification of antimicrobial and antioxidant on constituents from licorice of Russian and Xinjiang Origi［J］.Chem Pharm Bul,1987,37(9): 25-28.

［9］ Liu J X,Susenbeth A,Sudekum K H.In vitro gas production measurements to evaluate interactions between untreated and chemically treated rice straws,grass hay and mulberry leaves［J］. J Anim Sci,2002,80:517-524.

［10］张吉鹍,刘建新.用压力传感器产气技术评定玉米秸秆添补苜蓿的组合效应［J］.中国畜牧杂志,2007,43(21):40-43.

［11］张吉鹍,肖海红,邹志恒,等.用体外产气量评定稻草添补矮象草的组合效应研究［J］.中国饲料,2008,(6):15-18.

［12］Schofield P,Pitt R E,Pell A N.Kinetics of fiber digestion from in vitro gas production［J］.J Anim Sci,1995,72:2980-2991.

［13］Blummel M,Becker K.The degradability characteristic of 54 roughages and neutral detergent fiber as described by gas production and their relationship to voluntary feed intake［J］.Br J Nutr,1997,77:757-768.

［14］字学娟,李茂,周汉林,等.应用体外产气法研究香蕉茎叶的饲用价值［J］.家畜生态学报,2010,31(5):57-60.

［15］刘俊峰,郭雪峰,刘永宏.甘草提取物对卡拉库尔羊体外瘤胃发酵参数的影响［J］.中国畜牧兽医,2012,39(12):79-83.

［16］张吉鹍,吴文旋,李龙瑞,等.稻草补饲不同水平苜蓿对反刍动物瘤胃发酵的组合效应研究 ［J］.中国奶牛,2013,20: 12-17.

Effects of Mixed Swards Meal Replaced by the Aerial Parts of Ural Licorice Meal on in Vitro Rumenal Fermentation Characteristics in Sheep

WANG Yong-li,HALIDAI·Rehemujiang,LIU Chen,WAN Jiang-chun,AIBIBULA·Yimamu*
(Key Laboratory of Grassland Resources and Ecology of Xinjiang,College of Grassland and Environmental Sciences, Xinjiang Agricultural University,Xinjiang Urumqi 830052,China)

This experiment using in vitro gas production technique was to investigate the effects of mixed swards meal replaced by the aerial parts of ural licorice (Glycyrrhiza uralensis)meal on rumen in vitro fermentation characteristics in sheep,and to obtain the optimal replacement ratio in ration.The in vitro fermentation experiment was incubated with mixed swards meal replaced by the aerial parts of ural licorice meal at ratios of 0:100(G0),20:80(G20),40:60 (G40),60:40(G60),80:20(G80)and 100:0(G100)for 2,4,8,12,24,36 and 48 h,respectively,observation and assessment of rumen fermentation parameters including gas production,in vitro dry matter digestibility,pH and volatile fatty acid concentration of fermentation liquid for 48 h fermentation in sheep.The results showed that gas volume and rate of gas production were decreased with increasing levels of the aerial parts of ural licorice meal inclusion,and significantly decreased when 60%mixed swards meal replaced by the aerial parts of ural licorice meal compared with G0,G20 and G40 (P＜0.05);the in vitro dry matter digestibility of G0,G20 and G40 was extremely higher than those of G60,G80,G100 (P＜0.01);the pH value increased and total volatile fatty acids concentration decreased in the fermentation liquid with increasing of the aerial parts of ural licorice meal.The results indicated that when exceed 60%mixed swards meal replaced by the aerial parts of ural licorice meal was added,it had some inhibitory effects on rumen fermentation,while it had no bad affection that replacement ratio was 20%～40%in sheep under conditions in this study.

the aerial parts of licorice;gas production;rumen fermentation;sheep

S826.5

A文献标识码:0258-7033(2015)11-0055-05

2014-07-12;

2014-10-31

王永力(1987-),男,河南人,硕士研究生,从事饲料与反刍动物营养的研究,E-mail:wang951236@sina.com

*通讯作者:艾比布拉·伊马木(1965-),男,新疆阿图什人,博士,教授,博士生导师,主要从事饲料与反刍家畜营养代谢研究, E-mail:aibibnla@sina.com