粗饲料粒度对反刍动物体外发酵机制的研究

■仇慧静 沈维军 赵 渊 朱 媚 殷 磊 宋 阳 陈 东

（湖南农业大学动物科学技术学院，湖南长沙410128）

粗饲料是反刍动物的基本日粮，而其粒度大小是影响反刍动物采食和消化的重要指标之一。适当的粗饲料长度，可以提高其消化率[1]。近年来关于粗饲料粒度在反刍动物体内的研究较多，如粗饲料可以刺激咀嚼行为[2-3]、增加瘤胃容积[4]、促进瘤胃肌肉层的发育和维持表皮的完整性[4]，还能提高生产性能[3，5-8]。

瘤胃模拟技术是利用体外法研究动物营养与代谢的一项重要技术，主要分为批次培养法和连续培养法，在瘤胃发酵机制研究方面发挥了重要的作用，该技术的标准化对其研究结果的准确性及相关研究的可比性具有重要意义[9]。根据体外研究结果表明，粗饲料粒度大小可对人工瘤胃试验的结果造成影响，在前人研究中，所选用的粗饲料其粒度大小也不尽一致，其中依此包括0.45[10，15]、1[11-12，14]、3[13]、4 mm[14，16]及5[15]、9 mm[16]等，颗粒大小相差较大，因此本文重点阐述近年来粗饲料粒度大小对反刍动物体外发酵机制的研究进行了综述。

1 粗饲料概述

反刍动物营养中的粗饲料是指干物质中粗纤维含量在高于18%的饲料，或者细胞壁含量为35%以上的饲料，常见的粗饲料包括青干草、农作物秸秆、青贮饲料、酒糟类饲料以及树叶等，粗纤维、粗蛋白、无氮浸出物、粗脂肪等是其主要营养成分，粗饲料最显著的营养特点是粗纤维含量高，是反刍动物能量需要的重要来源[17]。

2 瘤胃模拟技术

2.1 批次培养法

批次培养法是一种短期的瘤胃模拟培养法，主要包括两阶段法和产气法。两阶段法又称为两步法，由Tilly和Terry于1963年在“一级离体消化法”的基础上改进后提出[18]，两步法可评定反刍动物饲料消化率，但不能反映饲料降解的动态信息，而且需通过大量体内数据来进行校正。产气法由德国霍恩海姆大学动物营养研究所Menke 于1979 年提出[19]。主要原理是通过离体产气装置来模拟瘤胃发酵，饲料样品与瘤胃液在体外共同培养，在固定的时间内结束培养，观察其动态及总产气量、挥发性脂肪酸、氨氮和营养物质的消失率等指标，具有试验周期短、操作简便、成本低廉、一次测定的样品数量多等优点，但由于存在不能排出发酵产物的缺陷，因而在应用上受到一定的限制[20]。

2.2 连续培养法

连续培养法又称为长期人工瘤胃模拟技术，它是利用体外发酵装置模拟瘤胃，通过发酵底物和人工唾液动态的流入、发酵产物连续排出，实现持续发酵的一种方法。根据发酵罐内固相和液相外流是否一致而分为单外流连续培养系统和双外流连续培养系统，双外流连续培养系统是单外流连续培养系统的改进版。连续培养法能准确地模拟瘤胃内环境，具有稳定性好、能实时观察试验动态信息的优点[21]。

3 粗饲料粒度对瘤胃发酵特征的影响

在配制反刍动物日粮过程中，需要提供足够的纤维以及适宜的粗饲料粒度,来提高日粮中物理有效中性洗涤纤维（peNDF）的含量,进而有效改善瘤胃发酵功能。动物瘤胃内微生物能将其纤维等碳水化合物质分解为挥发性脂肪酸（VFA），从而为瘤胃提供酸性内环境，也能将饲料中的蛋白质成分降解为氨氮（NH3-N）和氨基酸等发酵产物，并合成蛋白酶。瘤胃微生物菌群的活性取决于瘤胃内环境的稳态，而瘤胃内环境受诸多因素所影响，常用的评价瘤胃内环境的指标主要有瘤胃pH值、VFA含量和NH3-N浓度等，这些指标能够为碳水化合物消化率、蛋白消化利用水平和瘤胃平衡状态的研究提供重要依据[22]。据大量研究发现，粗饲料不同粒度大小对反刍动物瘤胃pH值、VFA含量和NH3-N浓度具有不同程度的影响，但结果不一。

3.1 pH值

瘤胃pH值是反映瘤胃发酵生理的一项最基本的指标。近几年研究学者就不同粗饲料粒度大小对瘤胃pH 值影响机理做了相关研究，但结论尚不一致。韩海珠等[15]应用Rusitec 系统研究了以苜蓿干草为粗饲料所制作的不同粒度（0.45 mm 和5 mm）混合日粮对绵羊瘤胃发酵特性的影响，发现给料后6 h 大颗粒组的pH 值极显著高于小颗粒组，其他采样时间均无显著差异，且pH 值维持在7.21～7.30 之间，分析原因可能是由于粉碎长度短的粗饲料在瘤胃发酵过程中产酸迅速，导致pH 值降低，而随着培养时间的延长，不断注入的人工唾液与瘤胃液中产生的VFA 产生了中和反应，故pH值继而上升，但也有研究证明不同粒度大小的粗饲料对瘤胃液pH 值并无影响，如王芳等[11]利用产气法研究3 种粗饲料（苜蓿草粉、苜蓿干草、玉米秸秆）对瘤胃发酵的影响，提出不同粗饲料及其粉碎粒度对pH 值无显著影响，但均处于正常范围内，有学者分析了粗饲料粒度与瘤胃pH 值关系研究结果出现差异的原因，认为是由于粗饲料对瘤胃pH值的影响存在一个临界粉碎粒度，只有当粗饲料粒度范围在某临界值以下，才会对瘤胃pH值水平造成影响，反之，当粗饲料粒度范围超过了临界值，则对动物瘤胃液pH 值水平无显著性影响[22]，其临界值与日粮中peNDF含量有关，这些研究均证明粗饲料的粒度大小对维持适宜瘤胃液pH值具有重要作用。

3.2 VFA浓度

目前普遍认为，不同粗饲料及不同粉碎粒度在影响各种VFA 含量的同时，还受到碳水化合物消化率、瘤胃壁吸收速率和瘤胃排出速度等因素的共同影响[23-25]。这种观点被大多研究结果所认同，但仍与一些研究结果不一致，有学者利用体外法试验验证粗饲料粒度对各种VFA含量的影响，M.Rodríguez-Prado等[26]应用双外流连续培养系统研究了1 mm 和3 mm苜蓿干草颗粒日粮对瘤胃内VFA浓度的影响，结果发现，3 mm 日粮组乙酸、丁酸和乙丙比含量显著高于1 mm 日粮组，Hildebrand等[16]的研究也得到了相应的结果，韩海珠等[15]也利用此法研究发现大颗粒组其乙酸、异丁酸、乙丙比及总挥发性脂肪酸均显著或极显著大于小颗粒组，这三个试验在个别时间点上VFA含量均有所差异，原因可能是这些试验测定的时间点不同，韩海珠等测定的时间点为给料后0、3、6、9 h 和12 h，而M.Rodríguez-Prado 等和Hildebrand 等分别测定的是3 h 和1 d 累积发酵液中的VFA 含量，其次是由于三者之间所采用的粗饲料来源不同所导致的结果。王志军等[27]指出秸秆类饲草相对于精料来说，其可溶性碳水化合物含量少，在体外培养过程中产生乙酸浓度会较低，Chaji M 等[28]通过进一步研究发现，指出其原因可能是日粮中细粉碎的粗饲料能够改变纤维素分解菌的数量和活性，从而说明大颗粒日粮更有益于瘤胃内纤维分解菌的生长，以上结论均表明，影响瘤胃液VFA 的产量因素还有很多，如测定时间点、粗饲料来源、瘤胃微生物活性，以及这些因素与粗饲料粒度之间的互作效应。

3.3 NH3-N浓度

据大量体内研究发现，粗饲料粒度大小、蛋白质消化率以及瘤胃外流速度都会对NH3-N 产量产生一定影响，饲喂较长的粗饲料会减少饲料颗粒与微生物的接触面积，从而导致蛋白质消化率降低，进而影响了NH3-N的浓度，而饲喂较短的粗饲料提高了饲料瘤胃外流速度，减少了蛋白质分解，进而导致瘤胃中NH3-N产量减少，故饲喂长度适宜的粗饲料能够维持消化速率和外流速度的平衡，从而能提高瘤胃液NH3-N 浓度日粮中的蛋白质和非蛋白氮在瘤胃中被微生物分解成NH3-N[24-26]。目前，有一些学者应用了体外法研究粗饲料粒度大小对NH3-N 浓度的影响，Hildebrand 等[16]研究发现大颗粒组中所测得瘤胃液NH3-N含量显著高于小颗粒组，韩海珠等[15]研究发现不同粒度日粮对NH3-N浓度并无显著影响，究其原因可能是采用的方法以及饲料组成不同，使其结果有所差异。上述结果均说明瘤胃液中粗饲料以及微生物的差异，都会引起体外培养发酵后的NH3-N浓度的差异。

4 粗饲料粒度对体外发酵产气量的影响

体外发酵产气量是反映饲料可发酵程度的指标，其与瘤胃微生物种类和数量有关[29]。目前，国内外学者通过体外法，研究了不同粗饲料粒度大小对产气量的影响，结果不一。如Metzler-Zebeli 等[30]利用产气法研究了TMR 日粮中牧草青贮的粒度大小（5.5、11 mm和25 mm）对体外发酵产气量的影响，结果发现在体外培养24、32 h 以及48 h 时，粒度为11 mm组的产气量显著高于其他两组，Kiran等[31]则利用此法对12 个品种的稻草等粗饲料对瘤胃发酵特征的影响，发现1 mm 颗粒组除8 h 和12 h 时产气量差异显著外，其他时间点均无明显变化，Hildebrand等[16]应用瘤胃模拟系统研究了1 mm 和4 mm 粒度日粮对瘤胃产气量的影响，发现随着粗饲料粒度的增加，总产气量也随之升高。韩海珠等[15]也应用了此方法对不同粒度日粮的瘤胃产气量进行了比较研究发现，大颗粒组的总产气量极显著高于小颗粒组，均得到了类似的结果，Tafaj等[32]认为饲料粒度大小能影响瘤胃微生物种群的组成和活性，以及接种物中可发酵底物的量，因此说明饲喂大颗粒日粮不仅有利于有机物的发酵，而且更适合瘤胃微生物的生存。

5 粗饲料粒度对瘤胃养分消化率的影响

国内外许多试验证明，反刍动物粗饲料粒度大小能够影响其在瘤胃以及全消化道的养分消化率与吸收率，并且随着粗饲料长度的逐渐增加,日粮中营养物质的消化率呈线性降低[33]，韩海珠等[15]研究发现大颗粒组干物质、粗蛋白质、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维的降解率均大于小颗粒组。Hans-Joachim G Jung等[34]在研究不同粒度（5.60、2.36、1.18、0.60、0.30 mm和0.15 mm）苜蓿干草对瘤胃养分消化率的影响时，发现对于所有干草样品组成成分来说，中性糖残留物是代表纤维的主要成分，且所有粒径的酯化酚类含量相似。张金吉等[35]应用体内法对不同长度粗饲料的TMR 对绵羊消化率的影响做了相关研究，发现随着粗饲料长度的增加饲料的营养物质消化率是呈现明显升高趋势的，与体外法研究结果一致。Zebeli 等[36]认为适当降低粗饲料长度(约为10～15 mm)，能够增加粗纤维的消化率，对于该结果所作出的解释是由于日粮中纤维成分与瘤胃内细胞菌和原生生物接触的面积增加所导致。上述研究均表明养分消化率受到诸多因素的综合作用，其作用机理还需进行深入研究。

6 小结

综上所述，体外法研究证实不同粒度大小的粗饲料对反刍动物瘤胃发酵特征以及养分消化率方面均具有不同程度的影响，反刍动物需要足够的日粮纤维来维持正常的瘤胃发酵，提高日粮peNDF含量和粗饲料颗粒大小可以提高瘤胃pH 值、乙/丙酸比例，但粗饲料粒度过长会限制动物的干物质采食量和消化率，从而影响动物的能量平衡。