不同精粗比日粮添加α-亚麻酸对瘤胃体外发酵参数及生物氢化代谢产物的影响
2016-12-10于伽周薇陈娜高青山严昌国李香子
于伽,周薇,陈娜,高青山,严昌国,李香子
(延边大学农学院,吉林延吉133000)
不同精粗比日粮添加α-亚麻酸对瘤胃体外发酵参数及生物氢化代谢产物的影响
于伽,周薇,陈娜,高青山,严昌国,李香子*
(延边大学农学院,吉林延吉133000)
本试验通过体外培养法,研究在不同精粗比日粮中添加α-亚麻酸,对延边黄牛体外瘤胃发酵模式及α-亚麻酸(ALA)氢化过程的影响。试验设5个底物精粗比,即精料∶粗料分别为2∶8、4∶6、5∶5、6∶4和8∶2,各组均添加3.0% 的α-亚麻酸,每组3个重复。体外培养12 h,取3、6、9、12 h时间点培养液测定体外瘤胃发酵参数和脂肪酸含量。结果显示∶在各时间点,随着精料比例的增加,pH值呈上升趋势,且8∶2组与其他4组比,分别高(3 h)3%、4%、4%、3%,(6 h)9%、6%、4%、3%,(12 h)5%、4%、3%、2%(P<0.05)。添加α-亚麻酸条件下,不同粗精比对总挥发性脂肪酸(TUFA)无显著影响。6 h和12 h,乙酸浓度与精料添加比例呈反比。6∶4组丙酸浓度分别比其他4组高(6 h)29%、24%、19%、15%,(12 h)19%、17%、4%、4%(P<0.01)。8∶2组NH3-N浓度在各时间点分别比4∶6组高43%、30%、37%(P<0.01)。随精料比例升高,各时间点的CH4、CO2和产气量均呈上升趋势,CH4产量一直低于CO2的产量。t11-C18∶1浓度在整个培养时间内随粗料比例的下降而减少,在6 h时2∶8组比8∶2组高64%(P<0.01)。6 h、12 h,各组共轭亚油酸(CLA)浓度无显著差异。各时间点,c9,c12-C18∶2浓度随粗料添加量下降而减少,在6 h、12 h,2∶8组比8∶2组分别高81%、93%(P<0.01);总ClnA的变化趋势与之相同,各时间点2∶8组比8∶2组分别高32%(P<0.05)、87%(P<0.01)、119%(P<0.01)。由此可见,不同精粗比日粮和α-亚麻酸影响体外瘤胃发酵参数,高精料日粮可以提高总产气量和CO2产量,同时抑制CH4的生成。高精料日粮通过降低TVFA含量增加瘤胃pH值。试验中添加α-亚麻酸,促进了氢化微生物对亚麻酸的氢化作用,同时抑制了亚油酸的氢化过程。
日粮配比;α-亚麻酸;生物氢化;体外发酵
瘤胃内环境的改变是影响反刍动物瘤胃不饱和脂肪酸代谢的主要因素之一。瘤胃pH改变会引起微生物的菌群变化,从而导致瘤胃发酵模式改变(Van,1994)。Kopecny(1982)研究表明,随着精饲料比率的增加,当pH值不低于6.0时,脂类分解和游离脂肪酸含量增加;日粮引起瘤胃微生态变化,从而会改变饲料中亚油酸、亚麻酸等代谢终产物(Polan等,1964)。大量研究表明,日粮精粗比可以影响瘤胃中亚油酸的生物氢化效率,从而影响共轭亚油酸(CLA)及t11-C18∶1等脂肪酸在瘤胃中的积累。日粮精料比例高,会使瘤胃pH值降低,从而引起瘤胃CLA的积累变化(Wang等,2002)。Wang等(2002)研究表明,瘤胃pH在6.1~6.9时,c9,t11-CLA生成量增加。
α-亚麻酸(ALA;c9,c12,c15-C18∶3)是一种含有3个双键的长链不饱和脂肪酸(Lourenco等,2010),主要从紫苏籽、亚麻籽等的籽类及植物性油脂中获取,是一种动物体不能合成的高级多不饱和全顺式脂肪酸(李艳玲等,2006)。在反刍动物瘤胃中,α-亚麻酸在瘤胃微生物作用下,第一步cis-12双键被异构化为trans-11双键,产生α-亚麻酸的异构体cis-9,trans-11,cis-15,C18∶3 (CLnA);第二步经过微生物加氢作用,先被还原成反11,顺15-亚油酸(t11,c15-C18∶2),再被还原为反11-油酸(t11-C18∶1)和硬脂酸(C18∶0)等代谢产物(Hafoot等,1998)。CLA具有抗癌、减轻动脉硬化、减肥、增强免疫力等作用(孙攀峰等,2007),是维持机体细胞构成所必需的营养物质。Choi等(2005)研究发现,ClnA对肿瘤细胞的毒性要比CLA更强。但是α-亚麻酸在瘤胃微生物作用下生成CLnA等代谢中间产物时,是否受到日粮影响尚不清楚,相关报道较少。因此,本试验在不同精粗比日粮中添加α-亚麻酸,旨在研究其对瘤胃体外发酵参数及瘤胃微生物氢化对α-亚麻酸代谢产物的影响。
1 材料与方法
1.1试验动物及瘤胃液采集选择4头安装有永久性瘤胃瘘管的成年健康延边黄牛为瘤胃液供体动物,平均体重为(350±12)kg,饲喂的羊草及精料比例为4∶6,每天饲喂两次(7∶00和17∶30),自由饮水。在晨饲(7∶30)后2 h采集瘤胃内容物,混合后通过4层及12层纱布过滤,收集在经过预热的保温瓶内,恒温39℃,通入饱和CO2。
1.2试验设计本试验采用单因素试验设计,根据培养底物精粗比不同分为5个处理组,每组3个重复,底物精粗比分别为2∶8、4∶6、5∶5、6∶4和8∶2 (m/m),在每组都添加3.0%的α-亚麻酸(m/m)。在培养12 h时间内的各时间点3、6、12 h分别测定以下指标:pH值、产气量、氨态氮(NH3-N)、挥发性脂肪酸(VFA)、长链脂肪酸含量及氢气、甲烷和二氧化碳含量。
1.3培养方法采用体外批次培养法,分别准确称取0.4 g精料、1.6 g粗料;0.8 g精料、1.2 g粗料;1 g粗料、1 g精料;1.2 g精料、0.8 g粗料;1.6 g精料、0.4 g粗料,混合均匀后分别加入各组培养瓶中;在晨饲后2 h从4头牛瘤胃采集足量瘤胃内容物,混合后依次通过4层和12层纱布过滤,收集至经过预热的收集瓶中,39.0℃水浴下通入饱和CO2,待用。将乳化后的亚麻酸液按相应设定比例加入培养瓶;向培养瓶内加入缓冲液(Mc-Dougall,1984)和瘤胃液各45 mL混匀,通入CO2,用胶塞及铝盖密封;放在39℃恒温振荡培养箱(VS-8480SR)培养12 h,转速为135 r/min。
1.4测定指标及方法用雷磁pHS-3 CpH计测定培养液pH值。参照Li等(2009)方法,使用安捷伦GC-7890A气相色谱仪,采用外标法测定挥发性脂肪酸(VFA)浓度,FID检测器,进样温度170℃,柱温120℃,检测器温度200℃,毛细管柱为Agilent 19091F-112(25 m×320 μm×0.5 μm)。在培养3、6、12 h分别取体外培养液1 mL,用靛酚蓝比色法测定氨态氮含量。根据产气压力转换成气体体积,并通过空白对照校正,计算产气量。使用4 mL采气管采集气体,参照T.R.Callaway等(1996)方法,采用外标法,使用岛津GC-2014C气相色谱仪测定H2、CO2和CH4含量,TCD检测器,色谱柱型号:Hayesep Q 2 m×4 mm。
培养液脂肪提取参照Folch等(1957)的方法;脂肪酸甲基化参照Lepage等(1986)的方法,内标为十三碳酸(C13∶0,美国Sigma公司);使用安捷伦气相色谱仪(GC-7890A)测定脂肪酸含量,毛细管柱(Supelco SPTM-2560,100 m×0.25 mm× 0.2 μm,film thickness,USA),进样口温度240℃,检测器温度250℃,分流比1∶100,初始温度140℃,运行2 min,4℃/min阶升至240℃,运行40 min。CLA异构体采用c9,t11-CLA(91396 Fluka,美国)、t10,c12-CLA(美国Fluka公司)标准品进行定量分析;其他脂肪酸标准品均购自美国Supelco公司。c9,t11,c15-ClnA(75%)标准品由Chouinard教授(STELA:INAF-Université Laval,加拿大)赠送。
1.5统计分析基本数据采用Excel 2007处理,然后采用SPSS 17.0中的方差、线性分析和多重比较法进行分析。结果以“平均值±标准差”表示。
2 结果
2.1不同精粗比日粮添加α-亚麻酸对pH和NH3-N的影响从表1可以看出,各时间点随精料比例增加,pH值呈上升趋势,8∶2组与其他4组比分别高(3 h)3%、4%、4%、3%,(6 h)9%、6%、4%、3%,(12 h)5%、4%、3%、2%(P<0.05)。在3~6 h,随精料比例增加,各组pH值下降幅度逐渐变小;在6~12 h,随精料比例增加,各组pH值下降幅度逐渐增大。在各时间点,8∶2组NH3-N浓度比2∶8组分别高34%、43%、48%(P<0.01),比4∶6组分别高43%、30%、37%(P<0.01);在3 h,6∶4组比2∶8组、4∶6组分别高19%、27.6%(P<0.05),在6 h比2∶8组、4∶6组分别高28%、16%(P<0.05)。
表1不同精粗比日粮添加α-亚麻酸对pH和NH3-N的影响
2.2不同精粗比日粮添加α-亚麻酸对VFA的影响由表2看出,各时间点TVFA含量随精料比例增加而下降。3 h,2∶8组乙酸浓度比4∶6组高17%(P<0.05),比其他3组分别高23%、44%、86%(P<0.01);6 h和12 h,乙酸浓度一直与精料添加量呈反比。各组丙酸浓度随时间变化迟缓;6∶4组丙酸浓度比其他组分别高(3 h)14%、12%、7%、6%,(6 h)29%、24%、19%、15%,(12 h)19%、17%、4%、4%(P<0.01)。6 h和12 h,6∶4组乙酸/丙酸最低;各时间点乙酸/丙酸变化趋势与乙酸变化趋势相同。
表2不同粗精比日粮添加α-亚麻酸对VFA的影响mmol/mL
2.3不同粗精日粮比添加α-亚麻酸对产气参数的影响从表3可以看出,随精料比例增加,各时间点产气量均呈增加趋势。8∶2组比其他4组分别高(3 h)38%、27%、21%、15%,(9 h)36%、18%、14%、12%,(12 h)36%、20%、14%、11%(P<0.01);在6 h,比2∶8、4∶6、5∶5组分别高29%、17%、7%(P<0.01)。各时间点6∶4组比2∶8组分别高19%、24%、22%、23%(P<0.01)。2∶8组H2含量比其他4组分别高(9 h)83%、77%、89%、61%,(12 h)241%、241%、191%、168%(P<0.01)。各时间点,CO2含量随精料比例增加呈上升趋势,且8∶2组比2∶8、4∶6、5∶5组分别高(3 h)46%、31%、27%,(6 h)77%、25%、17%,(9 h)62%、26%、13%(P<0.05)。各时间点随精料比例增加CH4含量也不断增加,其中2∶8组比其他4组分别低(9 h)57%、65%、67%、63%,(12 h)43%、56%、54%、73%(P<0.01);在6 h比4∶6组低56%(P<0.05),比其他3组分别低71%、73%、78% (P<0.01);在3 h,比5∶5、6∶4、8∶2组分别低45%、57%、71%(P<0.01)。
表3不同粗精比日粮添加α-亚麻酸对产气参数的影响
2.4不同粗精比日粮添加α-亚麻酸对瘤胃微生物生物氢化的影响由表4看出,2∶8组C18∶0 在3 h比其他4组分别高23%、32%、30%、29% (P<0.01);在6 h,比6∶4、8∶2组分别高22%、29%(P<0.01),4∶6组比6∶4、8∶2组分别高14%、21%(P<0.05),5∶5组比6∶4、8∶2组分别高9%、16%(P<0.05)。各时间点t11-C18∶1随粗料添加量降低而减少,2∶8组在6 h比5∶5、6∶4、8∶2组分别高33%、54%、64%(P<0.01);在12 h,2∶8、4∶6组比8∶2组分别高40%、23%(P<0.01),5∶5、6∶4组比8∶2组分别高15%、4%(P<0.05)。各组t9-C18∶1在6 h、12 h两个时间点随精料比例升高而增加。c9-C18∶1在各时间点随精料比例升高而增加。在3 h,2∶8组和4∶6组c9,t11-CLA比其他3组分别高(2∶8)17%、42%、29%,(4∶6)4%、26%、14%(P<0.05);t10,c12-CLA比其他3组分别高(2∶8)5%、25%、33%,(4∶6)5%、25%、33%(P<0.05)。c9,c12-C18∶2浓度随粗料比例下降而减少,在6 h、12 h,2∶8比8∶2组分别高81%、93% (P<0.01)。C18∶3n3浓度与粗料添加量呈正比,C18∶3n6与粗料添加量呈反比。随粗料比例下降总ClnA浓度显著降低,各时间点2∶8组浓度比8∶2组分别高32%(P<0.05)、87%(P<0.01)、119%(P<0.01)。
表4不同粗精比日粮添加α-亚麻酸对瘤胃体外发酵十八碳脂肪酸浓度的影响mg/dL
3 讨论
3.1不同粗精比日粮添加α-亚麻酸对瘤胃发酵
参数的影响Nocek等(1991)认为,日粮淀粉比例大时,淀粉分解菌在微生物群落中占主要优势,使得丙酸含量增加;反之,粗料比例大时纤维分解菌含量更大,使得乙酸增加。本试验中TVFA含量随培养时间延长不断增加,可以看出乙酸控制着TVFA的变化趋势。试验中,随精料比例增加,乙酸浓度逐渐降低,丙酸浓度逐渐增大,说明高精料情况下瘤胃发酵模式主要是丙酸型,而低精料情况下瘤胃发酵模式为乙酸型。而各时间点乙丙比也随精料比例增加而下降,验证了上面的结论。但6、12 h,2∶8组与4∶6组相比丙酸浓度略有下降,可能是由于精料含量过高引起瘤胃内微生物发酵抑制。试验中丙酸趋势与TVFA变化趋势相反,而乙酸与之相同,说明TVFA变化主要受乙酸影响。
随培养时间延长,pH下降可能是由于TVFA在培养液内累积,以及缓冲液的缓冲能力随时间不断减弱造成的。Bargo等(2002)认为,在日粮粗饲料比例高时,纤维素、半纤维素含量较高,难以发酵,pH较高;与之相比日粮中淀粉含量高时,日粮可以被快速发酵,pH则较低。而魏宏阳等(2004)在体外法研究添加不饱和游离脂肪酸混合物和植物油对pH的调控试验中发现,亚麻油组pH上升,进而认为在添加亚麻油情况下,pH变化主要受VFA产量影响。从本试验结果中可以看出,pH变化趋势与精料比例呈正比,TVFA变化与之相同,说明在添加α-亚麻酸条件下pH变化主要受TVFA累积影响,与魏宏阳等(2004)结论相符。
日粮中的蛋白质,多肽及非蛋白氮在瘤胃中可以降解为NH3-N。而NH3-N是瘤胃微生物生长繁殖的主要氮源,是合成菌体蛋白的主要原料(Nolan,1975)。瘤胃中的NH3-N浓度反映了微生物分解含氮物质产生NH3-N与瘤胃微生物对其利用的情况(刘宗柱等,1998)。本试验中高精料组NH3-N浓度比低精料组浓度高,随精料比例提升NH3-N浓度增加,这可能是由于精料含有比粗料更多的可溶性蛋白,瘤胃降解速度快,使得饲料蛋白中分解NH3-N的速率大于其利用速率,NH3-N在培养液中累积。
3.2不同粗精比日粮添加α-亚麻酸对产气参数的影响反刍动物可以利用单胃动物不能利用的纤维素、半纤维素等结构性碳水化合物,瘤胃微生物将碳水化合物分解为可用能量物质的同时产生了大量的CO2和H2。本试验中,产气量随精料添加量升高而增加,这可能是由于高精料组中含有较多的瘤胃微生物需要的营养物质,有益于微生物的生长和繁殖,使得发酵作用更剧烈(王满红等,2012)。CO2产量随精料添加量升高而增加,可能是由于高精料中含有大量的可溶性淀粉,微生物对其代谢速率远大于纤维素和半纤维素,使得高精料培养液中的CO2累积量在同一时间点大于低精料组含量。H2的含量并不与CO2和CH4呈现正相关,这可能是由于添加了α-亚麻酸,其生物氢化作用竞争消耗了氢,而且氢化程度与粗精比例也有一定关系。Getachew等(2005)认为,CH4的产生与日粮(结构性碳水化合物)的缓慢消化代谢有很大关系。Van等(1996)认为,日粮粗精比对CH4产量的影响主要是通过改变发酵模式使之向丙酸模式转变,以及瘤胃pH对甲烷菌的影响。Russell(1998)研究表明,在体外培养时,培养液pH值低于6.3,CH4产量急剧下降。本试验中CH4产量与丙酸含量没有呈现负相关,而与瘤胃pH呈现正相关,可能是低pH对甲烷菌产生抑制作用。因此认为在添加α-亚麻酸的情况下粗精比例变化时,CH4产生主要受培养液pH的影响,低pH可以抑制CH4产生。
3.3不同粗精比日粮添加α-亚麻酸对瘤胃微生物生物氢化的影响Fuentes等(2009)研究表明,日粮中的脂肪酸氢化为饱和脂肪酸主要是日粮中粗饲料的作用。本研究中高粗料组与其他组相比产生了更多的饱和脂肪酸。这可能由于瘤胃微生物的氢化作用中起主要作用的是纤维分解菌类,粗料中含有更多的纤维素和半纤维素,有益于此类微生物的繁殖,使得氢化速率更快(Hafoot等,1998)。此外高粗日粮可以为微生物提供更多的食糜微粒,有利于氢化微生物附着,为生物氢化提供场所。t11-C18∶1是亚麻酸和亚油酸氢化过程中产出的主要单不饱和脂肪酸。Harfoot等(1998)认为,在瘤胃功能正常时,c9,c12-C18∶2的主要氢化中间体是单不饱和脂肪酸t11-C18∶1。瘤胃pH值下降可以抑制生物加氢的最后一步,导致t-C18∶1脂肪酸积累。然而,这种抑制程度要比他们对水解的抑制程度低得多。Kalscheur等(1997)认为,瘤胃中低pH的条件下,可以抑制t-C18∶1的生成。本试验中高精料日粮通过降低TVFA含量使瘤胃pH值升高,进而增加了c9-C18∶1浓度,同时降低t11-C18∶1浓度,这与Kalscheur等(1997)得出的结论相似。
本试验中c9,c12-C18∶2(亚油酸)和α-亚麻酸的浓度与粗料添加量呈正比,其原因是试验所用的粗料中含有丰富的α-亚麻酸和亚油酸,二者可以从粗料中不断消化水解产生,使得培养液中浓度不断升高。亚油酸在氢化第一步可以生成两种CLA(c9,t11-CLA、t10,c12-CLA),试验中两种CLA组间基本无差异,且整个培养过程中浓度无明显变化,可能是由于培养底物中添加了α-亚麻酸,促进了大部分氢化微生物对亚麻酸的氢化,余下较少部分的氢化微生物氢化亚油酸,从而抑制了对亚油酸的氢化过程。同时本试验结果可以看出,日粮组成对总CLA浓度无显著影响。α-亚麻酸随粗料比例上升而增加,可能是羊草不断水解产生的。同时总ClnA变化趋势也与之相似,在0~6 h浓度快速升高,在6~12 h小幅度降低,说明在添加α-亚麻酸的情况下,有利于亚麻酸异构为CLnA,并且与日粮组成有密切关系。
4 结论
在添加α-亚麻酸条件下,日粮中粗料比例升高可以使瘤胃发酵向乙酸型发酵转变,降低丙酸和NH3-N含量,pH变化主要受TVFA累积影响。精料比例升高可以提高体外瘤胃产气参数,在添加α-亚麻酸条件下,抑制了CH4的生成,其产量约为CO2的1/2。添加3.0%α-亚麻酸,可以促进氢化微生物对亚麻酸的氢化作用,并降低氢化微生物对亚油酸的氢化过程。
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DOI∶10.15906/j.cnki.cn11-2975/s.20162005
This study was conduced to determine the effects of different diets added α-linolenic acid on rumen fermentation patterns and α-linolenic acid hydrogenation process,in vitro culture was applied.The trial were allocated to5 groups,the ratio of concentrate:roughage were 8∶2,6∶4,5∶5,4∶6 and 2∶8(m/m)respectively,each group added 3.0%αlinolenic acid(m/m).Each group had three replicates.Culture for 12 h in vitro,take 3,6,9 and 12 h sample to measure rumenal fermentation parameters and fatty acid contents.The results showed that:at each time point,with the increase of concentrate,pH value is on the rise,and 8∶2 group was higher than the other four groups for(3 h)3%,4%,4%,3%,(6 h)9%,6%,4%,3%,(12 h)5%,4%,3%,2%(P<0.05)respectively.On condition that add α-linolenic acid,the effects of different diets on TVFA were not significant.At 6h and 12 h,the concentration of acetic acid has been inversely proportional to the concentrate,propionate concentrations of 6∶4 group were higher than other groups for(6 h)29%,24%,19%,15%,(12 h)19%,17%,4%,4%(P<0.01).NH3-N concentration of 8∶2 group were higher than 4∶6 group 43%,30%,37%(P<0.01).With the increase of concentrate,CH4,CO2and gas production showed an increasing trend at each time point,CH4production has been lower than CO2.The concentration of t11-C18:1 in the whole culture process decreased with coarse reduced.At 6 h,2∶8 group were higher than 8∶2 group 64%(P<0.01).6 h,12 h,the CLA concentration had no significant difference.At each time point,c9,c12-C18∶2 concentrations decreased with coarse reduced,at 6 h and 12 h,2∶8 group were higher than 8∶2 group 81%,93%(P<0.01);total ClnA have the same change trend,at each time point 2:8 group were higher than 8∶2 group 32%(P<0.05),87%(P<0.01),119%(P<0.01).Thus different diets added α-linolenic acid hasinfluenced rumen fermentation parameters in vitro,high concentrate could increase the total gas production and CO2production,while inhibit the CH4production.High concentrate increased pH value by reducing TVFA.Add α-linolenic acid could promote the hydrogenation of linolenic acid and inhibit the hydrogenation of linoleate.
different diets;α-linolenic acid;bio-hydrogenation;in vitro fermentation
S816.7
A
1004-3314(2016)20-0017-06
吉林省科技发展计划项目(20140414056GH)