不同纤维原料在生长猪的有效能和营养物质表观全肠道消化率的测定

2021-12-08赵金标宋孝明李忠超臧建军倪寿清

动物营养学报 2021年11期

赵金标宋孝明李忠超臧建军倪寿清刘岭,*

(1.中国农业大学动物科学技术学院，动物营养学国家重点实验室，北京 100193；2.北京同力兴科农业科技有限公司，北京 100193；3.山东大学环境科学与工程学院，青岛 266273)

近年来，随着畜牧业的高速发展，作为能量和蛋白质来源的饲料原料的需求急剧增加，比如玉米、小麦和豆粕等[1]，进而导致饲料成本增加和饲料原料短缺。为了解决这一问题，饲料行业正在寻找可替代常规饲料原料的非常规饲料原料，以维持猪的生长性能并缓解饲料匮乏的现状。农作物副产品的加工利用已成为一种实现畜牧业可持续发展的解决方案，但农作物副产品通常含有较高水平的膳食纤维，这直接影响其在养猪生产中的应用。一般来说，膳食纤维不能在猪的小肠被消化酶降解，但可以部分或完全被肠道微生物利用并生成挥发性脂肪酸。研究已经证实挥发性脂肪酸参与调节宿主正常的生理功能并提高机体的免疫力[2-3]。挥发性脂肪酸作为信号分子，除参与调节与宿主健康和营养供应有关的代谢反应，如刺激胃肠道运动，降低血液中胆固醇、葡萄糖和胰岛素的含量[4-5]，还可以刺激肠道有益菌群的生长和活性[6]。膳食纤维还可以通过平衡肠道微生物组成、刺激微生物分泌细菌素和增强肠道屏障的完整性和功能来改善肠道健康[7-8]。

大豆是畜禽生产中蛋白质的主要来源，世界每年大豆产量近3.5亿t，中国每年大豆产量为2 000万t。豆粕是由大豆加工而成的一种重要的蛋白质原料，一直作为动物提供平衡氨基酸的优质饲料原料之一[9]。大豆油、大豆皮和豆腐渣等大豆加工副产品种类繁多。大豆皮常常作为一种纤维原料饲喂母猪和生长育肥猪，但是其他副产物如豆腐渣在养猪生产中应用较少，缺少其营养价值相关数据。另外，果渣中含有丰富的可溶性膳食纤维，如柑橘果皮、苹果渣等。苹果渣中的可溶性膳食纤维主要由葡聚糖和果糖组成，其常常被用来饲喂生长猪以调节肠道菌群的平衡和宿主肠道的健康[10-11]。然而，苹果渣在生长猪的营养价值尚未明确，需要进一步研究以促进其在养猪生产中的应用。为了促进更多的农作物加工副产品在养猪生产中的应用，本试验测定了大豆皮、豆腐渣、苹果渣和发酵苹果渣4种纤维原料在生长猪的消化能、代谢能以及能量和营养物质消化率。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验中大豆皮、豆腐渣和苹果渣从北京某牧业有限公司购买。枯草芽孢杆菌M139(菌种保藏号CGMCC No.7.5)为本实验室从中草药根茎中筛选分离，用来发酵苹果渣。发酵苹果渣制作过程如下：首先，枯草芽孢杆菌M139在37 ℃下用LB液体培养基孵化12 h；然后，每10 kg苹果渣添加100 mL枯草芽孢杆菌M139(1.5×1010CFU/mL)进行固体有氧发酵，发酵时间为72 h，发酵温度为30 ℃；最后，发酵后的苹果渣在室外晾干备用。

1.2 试验动物

试验共选用30头健康的“杜×长×大”三元杂交去势公猪，平均初始体重为(45.0±2.1)kg。每个试验猪饲喂于代谢笼(1.4 m×0.7 m×0.6 m)内。10个代谢笼放置于同一个猪舍内，共30个代谢笼放置于3个猪舍内，每个猪舍的温度保持在(25±2)℃，相对湿度保持在(60±5)%。每个代谢笼的底部放置1个可移动的粪样收集盘，粪样收集盘下面放置1个尿液收集桶。所有试验猪每天自由饮水。

1.3 试验设计和饲粮

本试验在农业农村部饲料工业中心丰宁动物试验基地(河北承德九运农牧有限公司院士工作站)进行，按照农业农村部饲料效价与安全监督检验测试中心(北京)的猪饲料营养价值评价技术规程进行所有试验操作。所有试验设计及试验操作符合中国农业大学实验动物福利的伦理的规章制度。

根据初始体重采用完全随机设计将试验猪分为5组，每组6个重复，每个重复1头猪。各组分别饲喂5种饲粮。5种饲粮为1个含97.4%玉米的基础饲粮以及分别含29.22%大豆皮、豆腐渣、发酵苹果渣和苹果渣的4种纤维饲粮，额外添加含有维生素和矿物质的预混料以满足25～50 kg生长猪的营养需要[12]。试验饲粮的原料组成见表1。试验饲粮能量和营养水平见表2。

表1 试验饲粮的原料组成(饲喂基础)Table 1 Ingredient composition of experimental diets (as-fed basis) %

表2 试验饲粮能量和营养水平(饲喂基础)Table 2 Energy and nutrient levels of experimental diets (as-fed basis) %

本试验共22 d，包括7 d代谢笼适应期，10 d饲粮适应期和5 d粪尿收集期。在代谢笼适应期，生长猪采食玉米-豆粕型饲粮。试验开始时，对猪进行称重，确定每天采食量，采食量按照初始体重的4%计算[13]。试验饲粮以粉料的形式进行饲喂，分别在每天09：00和17：00各饲喂1次，每次饲喂量相等。每天收集剩料量及撒料量，计算每种饲粮的实际摄食量。

1.4 样品收集

在粪尿收集期间，将每头试验猪排出的粪便及时用塑料袋收集，每次收集后将塑料袋保存在-20 ℃冷藏柜中。试验结束后，将同一头猪的粪便样品汇集在一起，称重并记录粪便样品的重量。混合均匀后，从每头猪的粪样中取350 g，在65 ℃鼓风式烘箱中干燥72 h。烘干后的粪便经过粉碎过直径为1 mm的筛子，最后放入-20 ℃的冰箱中保存。在整个收集过程中，将每头猪的尿液收集到附在笼下漏盘上的塑料桶中。在桶中加入50 mL的6 mol/L盐酸，以抵抗微生物的生长同时减少尿液中氨的挥发。每天收集每头猪排泄尿液的10%，并保存在-20 ℃冷藏柜中。最后，将每天收集每头猪的尿液样品进行混合，留下45 mL的样品用于分析能量。

1.5 检测方法

饲料原料和饲粮的干物质(方法930.15)、粗蛋白质(方法984.13)、粗脂肪(方法920.39)和粗灰分含量(方法942.05)的测定方法参照AOAC(2006)[14]。总膳食纤维含量为可溶性膳食纤维和不可溶性膳食纤维含量的总和，可溶性膳食纤维和不可溶性膳食纤维含量(方法991.43)的测定方法参考Adeola[13]。中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量的测定方法参考Van Soest等[15]。总能按照国际标准ISO 9831:1998推荐的方法使用氧弹式测热仪测定。

1.6 计算公式

猪饲粮消化能和代谢能的计算方法参照以下公式[13]：

饲粮消化能(MJ/kg)=[食入的总能(MJ)-排粪总能(MJ)]/采食量(kg)；饲粮代谢能(MJ/kg)=[食入的总能(MJ)-排粪总能(MJ)-尿能(MJ)]/采食量(kg)。

猪饲粮营养物质表观全肠道消化率的计算方法参照以下公式[9]：

某营养物质表观全肠道消化率(%)=100×[该营养物质摄入量(g)-该营养物质排出量(g)]/该营养物质摄入量(g)。

猪饲粮消化能和代谢能的计算方法参照以下公式[15]：

基础饲粮校正消化能(MJ/kg)=基础饲粮消化能(MJ/kg)/97.4%；原料消化能(MJ/kg)=[试验饲粮消化能(MJ/kg)-基础饲粮校正消化能(MJ/kg)×68.18%]/29.22%。基础饲粮校正代谢能(MJ/kg)=基础饲粮代谢能(MJ/kg)/97.40%。原料代谢能(MJ/kg，饲喂基础)=[试验饲粮代谢能(MJ/kg)-基础饲粮校正代谢能(MJ/kg)×68.18%]/29.22%。

式中：97.40%为玉米在玉米基础饲粮中的添加比例；68.18%为玉米在大豆皮、豆腐渣、苹果渣和发酵苹果渣饲粮中的添加比例；29.22%为大豆皮、豆腐渣、苹果渣和发酵苹果渣分别在其饲粮中的添加比例。

1.7 数据统计分析

通过SAS 9.2分析软件中UNIVARIATE程序分析试验数据的模型残差和等方差的正态分布，从而检测数据异常值，本次试验未观察到异常值。另外，采用MIXED程序模型分析不同饲粮之间的差异。每头试验猪作为试验数据的重复单位。饲粮处理和动物状况分别被作为固定效应和随机效应。P<0.05为差异显著，0.05≤P<0.10为有趋势。

2 结果

2.1 大豆皮、豆腐渣、苹果渣和发酵苹果渣的能量和营养水平

由表3可见，与大豆皮和豆腐渣相比，苹果渣和发酵苹果渣的粗蛋白质含量较低，酸性洗涤纤维含量较高。大豆皮、豆腐渣、苹果渣和发酵苹果渣的总膳食纤维含量(60.14%～66.70%)相近，但是与大豆皮、苹果渣和发酵苹果渣相比，豆腐渣的可溶性膳食纤维含量较低，不可溶性膳食纤维含量较高。

表3 大豆皮、豆腐渣、苹果渣和发酵苹果渣的能量和营养水平(饲喂基础)Table 3 Energy and nutrient levels of soybean hull,soybean residue,fermented apple pomace and apple pomace (as-fed basis) %

2.2 不同纤维饲粮饲喂生长猪的能量和营养物质表观全肠道消化率

由表4可见，与玉米基础饲粮相比，饲喂大豆皮、豆腐渣、苹果渣和发酵苹果渣饲粮生长猪的总能、粗蛋白质和粗脂肪的表观全肠道消化率显著降低(P<0.05)，总膳食纤维、不可溶性膳食纤维、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维的表观全肠道消化率显著升高(P<0.05)。与豆腐渣和大豆皮饲粮相比，饲喂苹果渣和发酵苹果渣饲粮生长猪的总能、粗蛋白质和酸性洗涤纤维的表观全肠道消化率显著降低(P<0.05)，饲喂苹果渣饲粮生长猪的总膳食纤维、不可溶性膳食纤维和中性洗涤纤维的表观全肠道消化率显著降低(P<0.05)。

表4 不同纤维饲粮饲喂生长猪的能量和营养物质表观全肠道消化率 Table 4 Energy and nutrient apparent total tract digestibility of growing pigs fed different fibrous diets %

2.3 不同纤维饲粮饲喂生长猪的能量和能量利用效率

由表5可见，与玉米基础饲粮相比，饲喂大豆皮、豆腐渣、苹果渣和发酵苹果渣饲粮生长猪的代谢能/总能显著降低(P<0.05)，饲喂发酵苹果渣饲粮生长猪的消化能、代谢能、消化能/总能和代谢能/消化能显著降低(P<0.05)。与大豆皮、豆腐渣和苹果渣饲粮相比，饲喂发酵苹果渣饲粮生长猪的消化能/总能和代谢能/总能显著降低(P<0.05)。

表5 不同纤维饲粮饲喂生长猪的能量和能量利用效率Table 5 Energy and energy utilization efficiency of growing pigs fed different fibrous diets

2.4 不同纤维原料的能量和营养物质表观全肠道消化率

由表6可见，豆腐渣的酸性洗涤纤维的表观全肠道消化率显著高于苹果渣和发酵苹果渣(P<0.05)。豆腐渣的可溶性膳食纤维的表观全肠道消化率显著高于大豆皮、苹果渣和发酵苹果渣(P<0.05)。大豆皮和豆腐渣的总能的表观全肠道消化率显著高于苹果渣和发酵苹果渣(P<0.05)。

表6 不同纤维原料的能量和营养物质表观全肠道消化率Table 6 Energy and nutrient apparent total tract digestibility of different fibrous ingredients %

2.5 不同纤维原料的能量和能量利用效率

由表7可见，大豆皮的消化能和代谢能显著高于豆腐渣、苹果渣和发酵苹果渣(P<0.05)。大豆皮和豆腐渣的消化能/总能和代谢能/总能显著高于苹果渣和发酵苹果渣(P<0.05)，但代谢能/消化能显著低于苹果渣和发酵苹果渣(P<0.05)。

表7 不同纤维原料的能量和能量利用效率Table 7 Energy and energy utilization efficiency of different fibrous ingredients

3 讨论

3.1 不同纤维饲粮饲喂生长猪的消化能、代谢能和营养物质表观全肠道消化率

猪自身无法分泌内源性纤维酶来降解饲粮纤维，但饲粮纤维可被后肠内的肠道微生物分解，产生挥发性脂肪酸。挥发性脂肪酸已被证实可调节肠道内环境的稳态，并且可以被肠道上皮细胞吸收提供能量[16]。膳食纤维可分为可溶性膳食纤维和不可溶性膳食纤维。与不可溶性膳食纤维相比，可溶性膳食纤维更易被肠道微生物降解[17]。不同纤维成分对饲粮营养物质消化率、挥发性脂肪酸产量和肠道微生物群落组成的影响具有很大差异[18]。在本试验中，与玉米基础饲粮相比，在饲粮中添加不同纤维成分降低了饲粮中总能、粗蛋白质和粗脂肪的表观全肠道消化率，但增加了总膳食纤维、不可溶性膳食纤维、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维的表观全肠道消化率。这些结果与先前报道的结果一致，随着饲粮中甜菜粕添加水平的增加，饲粮能量和粗蛋白质消化率下降，而纤维消化率逐渐增加[19]。能量和粗蛋白质消化率下降的原因是原料提供的纤维成分抑制了消化酶活性以及消化酶与肠道食糜内营养物质的酶促反应[20-21]。饲粮中添加的富含纤维的原料增加了纤维成分的消化率，这主要是由于更多的纤维成分从小肠远端流入大肠被肠道微生物降解[19]。在生长猪饲粮中添加富含纤维的原料降低了饲粮粗蛋白质消化率的另一个原因可能与内源氮的合成分泌有关。随着饲粮中纤维水平的增加，来源于微生物蛋白和脱落黏膜的内源氮逐渐增多[22]。不同的纤维成分对猪内源氮的分泌存在较大差异，从而导致饲粮粗蛋白质和氨基酸消化率的不同[23]。此外，虽然苹果渣和发酵苹果渣的可溶性膳食纤维含量高于大豆皮和豆腐渣，但是大豆皮和豆腐渣饲粮的总能、干物质、粗蛋白质、总膳食纤维、不可溶性膳食纤维、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维的表观全肠道消化率高于苹果渣和发酵苹果渣饲粮。这一结果应该与大豆加工副产物中富含易于发酵的低聚糖有关[24]。

此外，饲喂大豆皮和豆腐渣饲粮生长猪的消化能、代谢能、消化能/总能以及代谢能/总能均高于苹果渣和发酵苹果渣饲粮，但是代谢能/消化能低于苹果渣和发酵苹果渣饲粮。饲粮中添加大豆皮和豆腐渣提高了能量的利用效率，这可能与大豆加工副产物中易发酵低聚糖含量较高有关。然而，饲喂大豆皮和豆腐渣饲粮降低了生长猪的代谢能/消化能，其原因是饲粮粗蛋白质含量较高，导致尿中氮排泄量增加[25-27]。

3.2 不同纤维原料的生长猪消化能、代谢能和营养物质表观全肠道消化率

为了进一步推广非常规纤维原料的应用，采用套算法测定了大豆皮、豆腐渣、苹果渣和发酵苹果渣的消化能、代谢能和营养物质表观全肠道消化率。与大豆皮、苹果渣和发酵苹果渣相比，豆腐渣具有较高的酸性洗涤纤维和可溶性膳食纤维的表观全肠道消化率，这是由于豆腐渣中含有较高含量的低聚半乳糖，其容易被肠道微生物降解[24]。大豆皮和豆腐渣的消化能、代谢能和总能的表观全肠道消化率高于苹果渣和发酵苹果渣，这是由于大豆皮和豆腐渣含有较多含量和更高质量的粗蛋白质，被内源性蛋白酶在小肠消化生成小肽和游离氨基酸，然后被肠细胞吸收并提供能量。虽然苹果渣和发酵苹果渣含有较多的可溶性膳食纤维，其可被肠道菌群发酵产生挥发性脂肪酸，然后被肠上皮细胞部分吸收提供能量，但是在猪体内，通过挥发性脂肪酸提供能量的效率远远低于单糖和游离氨基酸[28-30]。另外，大豆皮和豆腐渣的消化能/总能和代谢能/总能均高于苹果渣和发酵苹果渣，但是代谢能/消化能低于苹果渣和发酵苹果渣，这也与大豆皮和豆腐渣具有较高能量表观全肠道消化率和粗蛋白质含量有关。总体而言，基于能量水平、能量利用效率和营养物质表观全肠道消化率，大豆皮和豆腐渣作为非常规纤维原料饲喂生长猪的效果优于苹果渣和发酵苹果渣。