玉米芯与苜蓿、精料配比对饲粮组合效应的影响

2019-07-17唐德富袁玖王彦乾王燕娜王娟丽刘自强寇伟崔仲勇张泽岩赵祥民万欣杰

草业学报 2019年6期

唐德富，袁玖*，王彦乾，王燕娜，王娟丽，刘自强，寇伟，崔仲勇，张泽岩，赵祥民，万欣杰，2

(1.甘肃农业大学动物科学技术学院，甘肃兰州730070;2.甘肃正合生物科技有限公司，甘肃兰州730060)

玉米(Zea mays)穗轴，俗称“玉米棒子”或“玉米芯”(corn cob，CC)是全球最常见的粮食作物副产品，资源丰富。但将玉米芯用作动物饲料的研究报道很少。生产实践中，玉米芯未被有效利用，一般是直接烧掉或丢弃。然而，玉米芯消化率低、适口性差，单独饲喂不能满足动物的营养需要。这些限制可以通过补饲优质饲料获得正组合效应来克服[1]。混合饲料或日粮的可利用能或消化率不等于混合饲料中各个饲料的可利用能或消化率的加权值，这意味着“组合效应”(associative effects，AE)产生[2-3]。这些相互作用可以改变反刍动物胃肠道(尤其是瘤胃)的代谢过程。豆科牧草的蛋白质含量高于其他牧草和低质粗饲料，且已证明豆科牧草可以提高这些饲料的利用率[4]。苜蓿(Medicago sativa)的营养价值高于其他草本植物，且价格相对便宜。实践证明，添加苜蓿可以提高低质粗饲料的利用率[5-6]。然而，对于饲草基础日粮，要想获得理想的生产性能必须同时配合饲喂精料，精料的补充量取决于基础饲料和动物的特性[7]。通过将优质牧草[苹果(Malus pumila)渣和柑橘(Citrus reticulata)浆]与低质饲草[皇冠雏菊(Bellis perennis)和奶蓟(Silybum Marianum)]配合，低质牧草的体外发酵性能显著提高[8]。波尔奶山羊的日粮精料水平和干草来源可作为预测饲粮负AE的方法，发现低水平精料和中等水平的生长期杂草能准确预测代谢能摄入量[9]。研究发现，在高精料日粮中，为了显著提高生长羔羊的生产性能和饲料效率，需要用玉米代替至少20%[干物质(dry matter，DM)基础]的大麦(Hordeum vulgare)日粮[10]。

有关饲料组合效应的报道很多，但将玉米芯作为饲料，与苜蓿、精料配比后对产气量和瘤胃发酵参数的AE的影响方面报道甚少。因此，本研究旨在用体外产气法评价精粗比40∶60和30∶70下，玉米芯与苜蓿、精料不同配比后对各饲粮组合的各单项指标组合效应和综合组合效应的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

精料购自兰州联邦饲料有限公司，玉米、苜蓿来自甘肃省临洮县，玉米晒干脱籽获得玉米芯。精料、玉米芯、苜蓿通过干燥、粉碎、过1 mm标准筛。精料的配方:玉米85.17%，豆粕7.22%，棉籽粕3.46%，食盐1.65%，预混料2.50%。

体外产气管为德国生产的玻璃注射器，容积100 m L，最小刻度1 m L。产气管与径口一致的橡皮胶管配套连接，胶管另一端折叠，夹子夹紧，产气管内部形成封闭的环境，进行产气试验。

1.2 试验设计

精粗比(concentrate∶roughage，C∶R)为40∶60和30∶70，精料占40%和30%，玉米芯、苜蓿占60%和70%。具体为:精料(concentrate，C)∶玉米芯(corn cob，CC)∶苜蓿(alfalfa，A)分别为40∶60∶0，40∶45∶15，40∶30∶30，40∶15∶45，40∶0∶60和30∶70∶0，30∶55∶15，30∶40∶30，30∶25∶45，30∶10∶60，30∶0∶70。3种单独饲料和11种组合，每组设3个重复，3个空白管，共(14×3)+3=45种饲粮组合。

1.3 瘤胃液供体动物及其饲养

3只装有永久性瘤胃瘘管的荷斯坦奶牛，饲喂的日粮:干草自由采食，精料4 kg·d-1·头-1，每日喂2次，自由饮水。试验当日，早饲前采集3只瘘管牛的瘤胃液，混合后经4层纱布过滤至预热过的保温瓶中，连续通入CO2，保证瘤胃液内的厌氧环境，迅速转移至实验室，待用。

1.4 体外发酵培养程序

准确称取11种饲粮组合和3种单独的饲料(0.2000±0.0010)g(DM基础)，装入2.0 cm×3.0 cm尼龙袋(50μm)，送入产气管底部，加入预热(39±0.5)℃的体外发酵培养液30 m L(10 m L瘤胃液+20 m L缓冲液，缓冲液参照Menke等[11]方法配制)。迅速排出管内空气，用胶管和夹子密封产气管，记录初始刻度(m L)。将产气管置39℃恒温水浴摇床中培养2，4，6，9，12，24，36，48 h时，记录各时间点产气量(gas production，GP)(m L)。某时间点GP=该段时间样品GP-该段时间空白GP。

1.5 上清液及残渣的采集

48 h培养结束后，将尼龙袋迅速放入冰水中使其停止发酵，蒸馏水清洗干净，自然晾干后，将尼龙袋转移至65℃烘箱烘干48 h至恒重后，测定干物质降解率(dry matter digestibility，DMD)。残渣测定粗灰分，计算有机物降解率(organic matter digestibility，OMD)。然后，将培养液装入离心管，3000 r·min-1离心10 min，将上清液转移至5 m L离心管，盖紧管口，编号记录，-20℃冰柜保存，待测乙酸、丙酸、丁酸等各种挥发性脂肪酸(volatile fatty acids，VFA)和氨态氮(NH3-N)含量。

1.6 测定指标及方法

1.6.1 饲料常规营养水平美国分析化学家协会(Association of Official Analytical Chemists，AOAC)[12]概略养分法测定玉米芯、苜蓿、精料的干物质(dry matter，DM)、粗蛋白质(crude protein，CP)、粗脂肪(ether extract，EE)、粗纤维(crude fiber，CF)和粗灰分(Ash)含量。

1.6.2 产气数据的计算 1)GP测定GPt=200×(Vt-V0)/W式中，t为发酵开始后某一时间(h);GPt为样品t时刻产气量(m L);Vt为样品发酵t h后产气管读数;Vo为开始培养时空白管读数;W为样品干物质重(mg)。2)产气参数计算利用“fit curve”软件，Ørskov等[13]产气模型公式GP=a+b(1-e-ct)，将各样品在2、4、6、9、12、24、36、48 h时的GP代入，计算消化动力参数。式中，t为发酵开始后某一时间(h);a为快速产气部分(m L);b为缓慢产气部分(m L);c为b的产气速度常数(%·h-1);a+b为潜在产气量(m L)。

1.6.3 瘤胃发酵参数、DMD、OMD的测定采用梅特勒-托利多FE20型酸度计测定p H;采用冯宗慈等[14]比色法测定NH3-N浓度;采用王加启[15]研究中气相色谱法利用岛津GC-2010气相色谱仪测定VFA浓度。干物质降解率(DMD，%)=(原样品重量×原DM含量-残渣样品重量×残渣DM含量)/原样品重量×原DM含量×100%;有机物降解率(OMD，%)=(原样品重量×原OM含量-残渣样品重量×残渣有机物含量)/原样品重量×原有机物含量×100%

1.6.4 组合效应的计算单项组合效应指数(single-factor associative effects index，SFAEI)和综合组合效应指数(multiple-factors associative effects index，MFAEI)参照王加启[15]的方法。SFAEI=(各组合实测值-加权估算值)×100/加权估算值。式中，实测值为各组合的实际测定值，加权估算值=玉米芯的实际测定值×玉米芯配比(%)+精料的实际测定值×精料配比(%)+苜蓿的实际测定值×苜蓿配比(%)。

1.7 数据处理与统计分析

采用Excel 2013处理计算试验数据后，采用SPSS 16.0软件对数据进行单因子方差分析，结果以平均值和平均标准误(standard error of mean，SEM)表示，以P＜0.05为差异显著判断标准，以P＜0.01为差异极显著判断标准，以0.05＜P＜0.1为有变化趋势标准。差异显著时，采用Tukey氏法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 饲料营养水平及产气参数

表1可见，精料(19.2%)CP高于苜蓿(18.5%)和玉米芯(4.3%);在CF上，玉米芯为21.0%，苜蓿是29.4%，精料7.9%。

玉米芯、精料、苜蓿的快速产气部分a分别是4.9、-10.5和-2.9，说明精料和苜蓿存在产气滞后效应，玉米芯产气不滞后。缓慢产气部分b，玉米芯(56.5)与精料(56.1)接近，高于苜蓿(29.6)。潜在产气量(a+b)和24 h产气量(GP24h)，玉米芯(61.4和47.5)高于精料(45.5和42.5)和苜蓿(26.7和15.8)。b的产气速度常数c，精料(0.121)高于玉米芯(0.064)和苜蓿(0.056)。

表1 饲料营养水平及体外产气参数(风干基础)Table 1 Nutrient levels and in vitro gas parameters of experimental diets(air-dry basis)

2.2 各饲粮组合的产气参数

表2可见，C∶R为40∶60时，玉米芯所占比例为15的组(简称“15组”，下同)和30组的a显著高于0组(P＜0.05)，60组的a有大于0组的趋势(P=0.060);15、30、60组的(a+b)极显著高于0组 (P＜0.01)，45组的(a+b)有大于0组的趋势(P=0.056);15、30、45、60组的GP24h极显著高于0组 (P＜0.01)。C∶R为30∶70时，10、70组的a显著高于0组(P＜0.05)，40组的a有大于0组的趋势(P=0.063);10组的b值有大于0组的趋势(P=0.054);10组的(a+b)值显著高于0组(P＜0.05);10、25、70组的GP24h极显著高于0组 (P＜0.01)。各组b、c值，无显著差异(P＞0.05)。

表2 玉米芯与苜蓿、精料体外混合培养48 h后的产气及发酵参数Table 2 GP and fermentation parameters at 48 h when corn cob shell was incubated with alfalfa and concentrate in vitro

2.3 各饲粮组合的瘤胃p H、DMD、OMD和NH 3-N浓度

表2可见，C∶R为40∶60时，0、60、45组的瘤胃p H显著高于15组(P＜0.05)。30、15组的DMD和OMD显著高于0组(P＜0.05);30、15组NH3-N显著高于0、60组(P＜0.05)。

C∶R为30∶70时，0、70、55和40组的瘤胃p H显著高于25和10组(P＜0.05)。10、25、40、55组的DMD极显著高于0组(P＜0.01)，10组的DMD有大于70组的趋势(P=0.052);10、25、40、55组的OMD极显著高于0、70组(P＜0.01);25组NH3-N极显著高于0、55、70组(P＜0.01)。

2.4 各饲粮组合VFA浓度

由表3可见，C∶R为40∶60时，45、30、15组的TVFA(total volatile fatty acids)显著高于60、0组(P＜0.05)。C∶R为30∶70时，55、40、25和10组的TVFA显著高于70、0组(P＜0.05)。6种单一VFA和乙/丙，各组间差异不显著(P＞0.05)。

表3 玉米芯与苜蓿、精料体外混合培养48 h后的挥发性脂肪酸Table 3 VFA at 48 h when corn cob was incubated with alfalfa and concentrate in vitro

2.5 各饲粮组合的AE值

表4可见，C∶R为40∶60时，在GP24h的AE上，30组极显著高于45、60、0组(P＜0.01)，15组极显著高于60组(P＜0.01)、显著高于0和45组(P＜0.05);DMD的AE，15、30组极显著高于其他组(P＜0.01)，45组极显著高于0、60组(P＜0.01);OMD的AE，15、30组极显著高于0、60组(P＜0.01);TVFA和NH3-N的AE，45、30、15组均显著高于60、0组(P＜0.05)。在 MFAEI上，30组(249.18%)极显著高于其他各组(P＜0.01)，15组 (213.23%)极显著高于45(135.77%)、60(85.19%)、0(92.90%)组(P＜0.01)，15组极显著高于60、0组(P＜0.01)。

表4可见，C∶R为30∶70时，GP24h的AE，10组极显著高于70、55组(P＜0.01)，显著高于0、40组(P＜0.05)，25组显著高于55组(P＜0.05);DMD的AE，25、10组显著高于其他各组(P＜0.05)，0、40组显著高于55、70组(P＜0.05);OMD的AE，25、10组显著高于55、40、0组(P＜0.05)，0、55和40组显著高于70组(P＜0.05);TVFA的AE，10、25组显著高于其他各组(P＜0.05)，40组显著高于0、55、70组(P＜0.05);NH3-N的AE，10、25组显著高于其他各组(P＜0.05)，40、0组显著高于55、70组(P＜0.05)。在 MFAEI上，10组(264.27)极显著高于其他各组(P＜0.01)，25组(217.80)极显著高于40(127.29%)、55(69.18%)、70(57.30%)、0(79.32%)组(P＜0.01)，40组极显著高于0、55、70组(P＜0.01)。

表4 玉米芯与苜蓿、精料体外混合培养48 h后的SFAEI和MFAEITable 4 SFAEI and MFAEI at 48 h when corn cob was incubated with alfalfa and concentrate in vitro

3 讨论

3.1 饲料的产气参数

本试验中，玉米芯的a为4.9，不存在产气滞后，精料(-10.5)比苜蓿(-2.9)有更长的产气滞后时间。研究表明，玉米比大麦有更长的产气滞后时间[16]，Aye等[17]证实了此报道。本研究中，玉米占精料的85.17%，因此，本试验中精料有更长的产气滞后时间，与前人的研究结果一致[16-17]。精料的c较高，但玉米芯的a、GP24h和(a+b)均较高，表明玉米芯比苜蓿、精料有更好的产气性能。

3.2 各饲料组合的产气量

本试验中，精料∶玉米芯∶苜蓿为40∶30∶30、40∶15∶45、30∶25∶45和30∶10∶60的产气参数和大多数发酵参数均极显著高于其他组。产气量是预测饲料在反刍动物瘤胃消化率的重要指标[18]。设计混合饲料和单一饲料进行体外产气试验，是研究和确定混合饲料AE的有用工具，研究发现，饲草树叶与精料体外培养时在产气量上有正AE[19]。小麦(Triticum)秸秆与苜蓿混合在产气参数上有正AE[20]。豆科牧草与秸秆混合使用的优势是多种因素综合作用的结果，进一步证实了豆科牧草能提高秸秆的利用率[21]。体外法将两种慢速发酵纤维(奶蓟草;纯纤维素)和3种快速发酵纤维[无籽番茄(Solanum);柑橘渣;果胶]单独或以75∶25或25∶75混合培养发现，无籽番茄、柑橘渣、果胶的产气量均显著提高[22]。本研究中，牧草和精料之间的AE与前人研究结果一致[4]。本试验结果与这些报道一致。

3.3 各饲料组合的瘤胃pH

瘤胃pH是一个综合反应瘤胃环境发酵和变化的重要指标。瘤胃内pH的正常范围为6～7，过高或过低都会影响瘤胃的正常发酵。本试验发现，饲粮组合中随着苜蓿比例的增加，pH显著下降。TVFA与pH有一定的相关性，TVFA会降低瘤胃pH[23]。当VFA的产生速度快于瘤胃对其吸收的速度时，瘤胃pH下降。因此，pH的降低与易发酵碳水化合物的摄入水平呈线性相关[3，24]。本研究中pH变化趋势与上述报道一致。

3.4 各饲料组合的DMD和OMD

随着产气量的增加，瘤胃内微生物的发酵活性越来越强烈，饲料的消化率也在增加[12]。DMD和OMD指示了反刍动物中有机物的可利用性，也是衡量饲料营养价值的重要指标。本试验中，随着苜蓿比例的降低，DMD和OMD呈下降的趋势，且40∶60∶0和30∶70∶0组最低。原因是苜蓿具有相对高的有效降解率，苜蓿的碳氮比(C/N)更有利于微生物的生长繁殖[25]。据报道，苜蓿日粮中瘤胃真菌孢子的数量显著增加[26]。豆科植物可通过促进纤维素分解菌的生长来增加瘤胃纤维的消化率[27]。用苜蓿补饲劣质饲料对消化率、采食量和饲料利用率的AE的报道很常见[21]。用体外发酵法研究苜蓿添加到低质牧草中在产气量[28]、干物质采食量和NDF消化率[29-30]、动物日增重[31]上均产生了正AE。Wang等[32]报道，在小尾寒羊玉米秸秆基础日粮中每天每只羊补饲苜蓿150～300 g对采食量、消化率、氮代谢、瘤胃环境和血液学参数产生了最佳AE。随着在泌乳奶牛波斯苜蓿基础日粮中粉碎小麦的增加，瘤胃的p H和日粮纤维消化率逐步下降[33]。红三叶草(Trifolium pratense)和基库尤牧草青贮混合体外培养发生了AE，蛋白水解减少和OMD发挥了协同组合作用[34]。本试验与上述报道相一致。当春季牧草仅与玉米混合培养时，在GP、DMD、OMD、OMED上均产生了正AE，而秋季牧草跟玉米或大麦混合培养时，在GP、OMD、OMED上发生了正AE[17]。青干草和全燕麦(Avena sativa)不同比例组合饲喂马后，DM、OM和能量消化率随燕麦比例的增加呈曲线形上升[35]。枣椰树(Phoenix Spp)叶与三芒草属(Aristida)尖刺及黄芪属(Astragalus)植物混合饲喂小反刍动物后，瘤胃微生物群发生了AE，随着枣椰树叶比例的增加，体外有机物降解率线性降低[36]。稻草(Oryza sativa)基础日粮添加玉米淀粉饲喂湖州羔羊后发现，高水平的玉米淀粉降低了纤维素酶的活性、纤维素分解菌群和饲料的消化率;适量添加淀粉能有效提高羔羊生长性能[37]。不加玉米胚芽粕时，紫花苜蓿干草与小麦秸秆组合后表现出负AE，然而，能量和粗蛋白质的消化率都得到了提高[38]。Niderkorn等[39]报道，使动物采食量和消化率达到最优的鲜白三叶(Trifolium repens)与多年生黑麦草(Lolium perenne)的最佳配比在0.25～0.50。2种禾本科牧草[鸭茅(Dactylis glomerata);黑麦草]与4种豆科牧草[紫花苜蓿;白三叶;红三叶;红豆草(Onobrychis viciaefolia)]单独培养或按1∶1混合培养发现，豆科牧草中仅红豆草与禾本科牧草配比后降低了蛋白质降解率和甲烷产生量，对纤维的消化有短暂的负面影响[40]。上述报道表明，添加苜蓿可改善低质粗饲料的利用率，本试验中苜蓿改善玉米芯的利用率与此一致。

3.5 各饲料组合的NH 3-N浓度

NH3-N浓度是反映饲料在瘤胃中氮代谢、微生物蛋白质合成和蛋白质分解的一个重要指标。维持合适的NH3-N浓度是保证瘤胃微生物蛋白质合成的前提。瘤胃中适宜的NH3-N浓度为6.3～27.5 mg·d L-1[41]。本试验中，各组的NH3-N浓度均分布在此范围内，且30、15、25组的NH3-N浓度显著或极显著高于其他组。原因可能是这些组合促进了瘤胃内能量和氨气的同步释放和微生物蛋白的合成[42]，即增加苜蓿的量会导致NH3-N水平升高。瘤胃发酵的最终产物是VFA、NH3-N、甲烷、二氧化碳等[43-44]。瘤胃中蛋白质水解脱氨形成的氨基酸和NH3-N是微生物生长的氮源[45]。在瘤胃中50%～80%的微生物N是由NH3-N合成的[46]。采食量水平直接影响瘤胃发酵的终产物[47]。瘤胃NH3-N浓度取决于总氮摄入量[48]。因此，30、15、25组的高NH3-N浓度也可能是这些饲粮组合的营养水平高(CP含量高)，其他组合营养水平低造成的。因为瘤胃中NH3-N水平与饲粮中蛋白质含量密切相关。

3.6 各饲料组合VFA浓度

反刍动物瘤胃发酵产生VFA的原因主要是日粮中碳水化合物的降解，它是瘤胃微生物维持和生长的主要能量来源。在本试验中，C∶R为40∶60时，15、30和45组的乙酸、丙酸、丁酸和TVFA显著高于60、0组。C∶R为30∶70时，10、25、40、55组的乙酸、丙酸和TVFA显著高于70、0组。这与GP的变化趋势基本一致。饲料中可消化碳水化合物的发酵产生VFA，TVFA浓度与GP之间呈正相关。GP随乙酸产量的增加而增加。本研究结果与此相一致。乙/丙反映了瘤胃发酵的类型。本试验中，乙/丙均大于3，在瘤胃发酵的类型属于乙酸发酵型，有利于提高反刍动物的乳脂率。给成熟的高羊茅(Festuca elata)干草补饲能量饲料后，发现与大豆皮相比，补饲玉米在OMD产生了更大的负AE，降低了瘤胃 NH3-N浓度，但未影响瘤胃p H、TVFA浓度和乙/丙[49]。在TVFA浓度和p H之间有显著的相关性，VFA降低瘤胃的p H[23]。本试验中，15、30、45、10、25、40和55组的乙酸、丙酸和TVFA显著高于其他组，15、30、10和25组的p H最低。在p H的变化规律上，本研究与上述研究结果一致。在本试验中，不同饲料组合中乙酸的浓度高于丙酸，原因是反刍动物吸收VFA的速度与丁酸、丙酸和乙酸的速度一致，且VFA在瘤胃中的浓度不受日粮类型的影响。这与Copani等[50]研究结果一致。

3.7 各饲料组合的组合效应值

卢德勋[51]根据人工瘤胃GP法不同时间点测定的各项指标，提出了饲料AE综合评价指标体系——综合组合效应指数(MFAEI)。韩肖敏等[52]研究发现，玉米秸秆∶稻草为60∶40、玉米秸秆∶稻草∶玉米秸秆青贮为24∶16∶60、玉米秸秆∶稻草∶玉米秸秆青贮∶精料为9.6∶6.4∶24.0∶60.0的MFAEI最优。

本试验中，C∶R为40∶60和30∶70时，30和10组的MFAEI极显著高于其他组。因为AE机制的复杂性，仅通过某一指标或若干指标进行评价，易造成评价不准确。AE指标包括动物的养分消化率、利用率、生长性能和采食量。其中，能量或消化率是评价AE最常用的指标。体外GP与OMD有高度相关性[18]。体外产气量与有机物的表观降解率和真降解率高度相关[53]。利用体外发酵GP法评价饲料AE的报道很多[54-57]。因此，单独用GP指标评定饲料的营养价值可能不准确。饲料营养价值的评价应采用综合指标或数学模型进行全面、科学的评价。当评价AE时，在确定评价参数和评价指标后，数学模型的选择尤为重要。数学模型应能真实、客观地反映各种因素的影响程度，并能包含多种参数，具有开放性的特点，以便能方便快捷地检验模型。

单项组合效应指数(SFAEI)能在某一个指标上评价饲料的AE。但是，仅仅从某一个指标来判断，缺乏代表性[58]。本试验中，评价玉米芯、苜蓿和精料之间的AE是通过结合GP、DMD、OMD、VFA、NH3-N等指标进行多因素综合评价的，且准确客观地反映了不同因素对饲料AE的影响，本试验中，30和10组的MFAEI是最优的，其次，15、45和25、40组的MFAEI分别高于200或100，可能是由于这些组中不同比例饲料中营养物质的相互补充，提高了底物的发酵速率，从而促进饲料的消化率。因此，30、10组的SFAEI(GP、DMD、OMD、TVFA的AE)和 MFAEI均最优。综上所述，精料∶玉米芯∶苜蓿为40∶30∶30和30∶10∶60的组，最能有效地改善GP特性，提高瘤胃发酵水平和体外发酵48 h后的饲料利用率。因此，将玉米芯用作反刍动物粗饲料资源，可以节约常规饲料资源，减轻环境污染，缓解人畜争粮矛盾。