基于康奈尔净碳水化合物-蛋白质体系法和尼龙袋法评价工业大麻副产物的营养价值

2021-12-08王一强吕静仪程传腾张永根

动物营养学报 2021年11期

王一强吕静仪程传腾周爽李洋张永根

(东北农业大学动物科学技术学院，哈尔滨 150030)

随着我国奶牛存栏数由降转增，生产效益日趋向好，优质粗饲料短缺的问题也日渐突出，饲料的短缺无法满足家畜日益增长的需求，每年需要从国外大量的进口优质的饲草产品，因此需要迫切寻找优质的饲料资源[1]。工业大麻(industrial hemp)是指花、种子、茎叶和根部的四氢大麻酚(tetrahydrocannabinol，THC)含量小于0.3%的大麻科(Cannabinaceae)大麻属(CannabisL.)的一年生草本植物(又称汉麻、火麻)及其加工产品[2]。我国是工业大麻种植面积最大的国家，同时也是世界上最大的工业大麻生产国和出口国[3]。有研究表明，工业大麻具有丰富的营养价值，特别是大麻籽中含有25%～35%的脂肪、20%～25%的粗蛋白质(CP)、20%～30%的碳水化合物(CHO)、10%～15%的不溶性纤维和丰富的矿物质磷、钾、镁、钙、铁和锌等[4]，此外工业大麻副产物也普遍具有较高的营养和应用价值。据报道，在蛋鸡的饲粮中分别添加12%和20%的大麻籽和大麻籽油，不会对蛋鸡的性能产生不利影响，并可增加鸡蛋中脂肪酸含量[5]；在生长育肥猪饲粮中添加一定量的大麻籽粕，在平均日增重、平均日采食量、饲料利用率及肉品质方面与饲喂豆粕相比较均无显著差异，且屠宰后测得四氢大麻酚、大麻二酚和大麻酚含量极低，安全性较好[6]。

由此可见，工业大麻及其副产物可以开发为畜禽饲料，但目前在反刍动物上应用较少，我国对反刍动物高效利用工业大麻副产物作为动物饲料尚缺乏系统的研究。因此，本试验旨在应用康奈尔净碳水化合物-蛋白质体系(CNCPS)法、尼龙袋法和改进三步体外法通过对比工业大麻副产物与玉米秸秆和苜蓿干草的常规营养成分含量、CHO和蛋白质组成、瘤胃降解特性和小肠消化率，弥补相关数据上的空白，丰富我国的非常规饲料资源数据库，为工业大麻及其副产物在奶牛生产中的应用提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验中玉米秸秆(完熟期后，n=3)和苜蓿干草(美国安德森Anderson，一级牧草，n=3)取自黑龙江省哈尔滨市阿城区，工业大麻副产物(火麻一号，花叶∶糠皮=1∶1，n=3)收集于黑龙江省黑河市孙吴县，以上样品均经过初步粉碎后通过四分法取样。样品收集后在60 ℃烘箱烘干置恒重，制成风干样品，用微型粉碎机粉碎后过筛待测。

1.2 常规营养成分测定

3种样品的干物质(DM)、CP、粗脂肪(EE)、粗灰分(Ash)和淀粉(Starch)含量按照AOAC(2000)[7]的方法测定；中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)、酸性洗涤木质素(ADL)、中性洗涤不溶蛋白质(NDIP)和酸性洗涤不溶蛋白质(ADIP)的含量参照Van Soest等[8]的方法测定；可溶性蛋白质(SCP)含量参照周荣等[9]的方法测定；非蛋白氮(NPN)含量按照Licitra等[10]的方法测定；非纤维性碳水化合物(NFC)含量通过公式计算得出，计算公式如下:

NFC(% DM)=100-NDF(% DM)-CP(% DM)-EE(% DM)-Ash(% DM)。

1.3 CNCPS组分计算

CNCPS将饲料的蛋白质分为非蛋白氮(PA)、快速降解蛋白质(PB1)、中速降解蛋白质(PB2)、慢速降解蛋白质(PB3)和不可降解氮(PC)；将CHO分为快速降解碳水化合物(CA，大部分糖类)、中速降解碳水化合物(CB1，Starch和果胶)、慢速降解碳水化合物(CB2，可利用纤维)和不可降解碳水化合物(CC，不可利用纤维)[11]。相关组分计算公式[12]如下：

PA(% CP)=NPN(% SCP)×0.01×SCP(% CP)；PB1(% CP)=SCP(% CP)-PA(% CP)；PB2(% CP)=100-PA(% CP)-PB1(% CP)-PB3(% CP)-PC(% CP)；PB3(% CP)=NDIP(% CP)-ADIP(% CP)；PC(% CP)=ADIP(% CP)；CHO(% DM)=100-CP(% DM)-EE(% DM)-Ash(% DM)；CC(% CHO)=100×[NDF(% DM)×0.01×ADL(% NDF)×2.4]/CHO(% DM)；CB2(% CHO)=100×[(NDF(% DM)-NDIP(% CP)×0.01×CP(% DM)-NDF(% DM)×0.01×ADL(% NDF)×2.4)]/CHO(% DM)；非结构性碳水化合物(NSC，% CHO)=100-CB2(% CHO)-CC(% CHO)；CB1(% CHO)=Starch(% NSC)×[100-CB2(% CHO)-CC(% CHO)]/100；CA(% CHO)=[100-Starch(% NSC)]×[100-CB2(% CHO)-CC(% CHO)]/100。

1.4 瘤胃降解试验

1.4.1 试验动物及饲养管理

选用3头体况良好的荷斯坦瘤胃瘘管奶牛作为3个重复。试验于2020年11月在东北农业大学阿城试验基地进行，试验牛单圈饲养，每日于06:00和18:00各饲喂1次，自由饮水，试验饲粮组成及营养水平见表1。

表1 试验饲粮组成及营养水平(干物质基础)Table 1 Composition and nutrient levels of the experimental diet (DM basis) %

1.4.2 试验设计

向已知重量的孔径为50 μm、大小为10 cm×20 cm的尼龙袋中放入称取的7 g样品并用橡胶皮筋扎紧袋口。每头牛的每个样品在每个时间点设置3个平行，采用“分次放入，同时取出”的方法。将分别装有玉米秸秆、苜蓿干草和工业大麻副产物的尼龙袋绑定在先前准备的网袋中，然后放入瘤胃内并将网袋上端绳固定在瘤胃瘘管外侧，于72 h同时取出，使得尼龙袋在瘤胃内降解时间为0、4、8、12、16、24、36、48、72 h，其中0 h的尼龙袋为空白组。用冷水冲洗所有尼龙袋至水澄清，将洗净后的尼龙袋于60 ℃的烘箱中烘48 h至恒重，回潮24 h后称重。取出尼龙袋中的残余物，过1 mm孔筛后装入自封袋，于4 ℃保存备用。

1.4.3 测定指标及方法

按照1.2测定方法，测定每个时间点样品的DM、CP、NDF含量。参照Фrskov等[14]提出的瘤胃动力学数学模型计算瘤胃降解参数，公式如下：

p=a+b(1-e-ct)。

式中：p为待测饲料的营养成分在瘤胃t培养时间内的降解率(%)；a为快速降解部分(%)；b为慢速降解部分(%)；c为慢速降解部分的降解速率(%/h)；t为瘤胃内培养时间(h)。

有效降解率(ED)计算公式如下：

ED=a+b[c/(c+Kp)]。

式中：a、b、c同上，Kp为外流速度，Kp=0.04 h-1[15]。

1.5 小肠消化率的计算

将瘤胃培养16 h的样品残渣，参照Gargallo等[16]改进三步体外法的原理和方法测定过瘤胃粗蛋白质(RUP)和过瘤胃干物质(RUDM)的小肠消化率(Idg)。将取出的小肠尼龙袋用冷水洗至水清后，在55 ℃烘箱内烘48 h至恒重，回潮后称重，并测定CP的含量，计算公式[17]如下:

Idg=[(瘤胃降解16 h后残渣养分含量-小肠消化后残渣养分含量)/瘤胃降解16 h后残渣养分含量×]100。

1.6 数据分析

本试验所有数据采用Excel 2016进行初步整理后，用SAS 9.4分析软件中NLIN程序来确定样品的降解参数a、b和c值，使用GLM过程进行试验数据方差分析，采用Duncan氏法进行多重比较，以P<0.05为差异显著。

2 结果与分析

2.1 常规营养成分

由表2可知，3种饲料营养成分差异很大，工业大麻副产物的Ash、CP、EE、NDIP和ADIP含量均显著高于玉米秸秆和苜蓿干草(P<0.05)；工业大麻副产物的NDF、ADF和Starch含量显著低于玉米秸秆和苜蓿干草(P<0.05)；工业大麻副产物的NPN和SCP含量显著低于苜蓿干草但高于玉米秸秆(P<0.05)；工业大麻副产物和苜蓿干草的ADL含量显著高于玉米秸秆(P<0.05)；三者间NFC含量差异不显著(P>0.05)。

表2 玉米秸秆、苜蓿干草和工业大麻副产物的营养成分(干物质基础)Table 2 Nutrient composition of corn straw,alfalfa hay and industrial hemp by-product (DM basis) %

2.2 CNCPS组分

由表3可知，在蛋白质组分中，工业大麻副产物的PA、PB1和PB2含量显著低于苜蓿干草但高于玉米秸秆(P<0.05)，其PB3和PC含量显著高于其他两者(P<0.05)；在CHO组分中，工业大麻副产物的CA、NSC含量显著高于玉米秸秆和苜蓿干草(P<0.05)，其CC含量显著高于玉米秸秆(P<0.05)，但与苜蓿干草差异不显著(P>0.05)，工业大麻副产物的CB1、CB2和CHO含量显著低于玉米秸秆和苜蓿干草(P<0.05)。

表3 玉米秸秆、苜蓿干草和工业大麻副产物CNCPS组分分析Table 3 CNCPS components analysis of corn straw,alfalfa hay and industrial hemp by-product

2.3 瘤胃降解特性

由表4可知，在DM瘤胃降解参数中，工业大麻副产物的a显著低于其他两者(P<0.05)，三者b无显著差异(P>0.05)，玉米秸秆和工业大麻副产物的c显著低于苜蓿干草(P<0.05)，工业大麻副产物的ED显著低于苜蓿干草但高于玉米秸秆(P<0.05)；在CP瘤胃降解参数中，玉米秸秆和工业大麻副产物的a显著低于苜蓿干草(P<0.05)，工业大麻副产物的b和RUP显著高于其他两者(P<0.05)，玉米秸秆的c显著高于苜蓿干草和工业大麻副产物(P<0.05)，工业大麻副产物的ED显著低于其他两者(P<0.05)；在NDF瘤胃降解参数中，工业大麻副产物的a显著低于玉米秸秆和苜蓿干草(P<0.05)，其b显著高于其他两者(P<0.05)，其c和ED显著低于苜蓿干草但高于玉米秸秆(P<0.05)。

表4 玉米秸秆、苜蓿干草和工业大麻副产物的瘤胃降解参数Table 4 Rumen degradation parameters of corn straw,alfalfa hay and industrial hemp by-product

2.4 小肠消化率

由表5可知，工业大麻副产物的DM和CP的小肠消化率显著高于玉米秸秆和苜蓿干草(P<0.05)。

表5 玉米秸秆、苜蓿干草和工业大麻副产物的小肠消化率Table 5 Small intestinal degradation ratio of corn straw,alfalfa hay and industrial hemp by-product %

3 讨论

3.1 常规营养成分

常规营养成分测定是粗饲料资源开发利用的基础[18]。本试验测得工业大麻副产物的CP含量为16.25%，且其他大多数营养成分与玉米秸秆和苜蓿干草相比价值较高，是一种潜在的优质反刍动物蛋白质饲料。家畜矿物质大多数来自Ash，本试验测得工业大麻副产物Ash含量较高，是由于工业大麻中富含磷、钾、镁、钙、锌等矿物质[19]。NDF是奶牛营养中CHO的重要组成成分，代表了粗饲料总纤维水平，ADF成分很难被家畜有效利用，本试验测得工业大麻副产物NDF、ADF含量较其他两者低，既可以提供CHO营养，又能维持瘤胃发酵正常进行。工业大麻副产物ADL含量较高且与多糖结合很难被酶分解，因此限制了动物对其利用[20]。NDIP是可以被动物利用的缓慢降解的饲料蛋白质成分，而ADIP很难被动物利用。工业大麻副产物的NDIP含量极显著高于玉米秸秆和苜蓿干草，而三者ADIP含量差距较小，说明工业大麻副产物的蛋白质利用率更高。工业大麻副产物CP含量较高，且SCP中NPN含量为79.56%，比其他两者低，说明工业大麻副产物中可利用的真蛋白质较多。本试验玉米秸秆的营养成分与陈艳等[21]研究结果相似，NDF含量较低，ADF含量较高可能与收获时间有关。本试验苜蓿干草的营养成分与孙红红等[22]的研究结果一致，CP和Starch含量较低可能是由于种植地区差异。以上营养成分表明工业大麻副产物是具有潜在价值的家畜饲料。

3.2 CNCPS组分

CNCPS是一个连接饲料价值分析和牛的营养需求的针对于反刍动物饲料分析的方法。PA主要成分是NPN，反刍动物瘤胃中微生物可以利用PA部分快速产生的氨合成微生物蛋白，从而为动物机体提供较高的营养价值[23]。工业大麻副产物PA含量较低，说明其真蛋白含量较多。PB1在反刍动物瘤胃中易被很快降解，一部分在瘤胃中发酵，一些进入到下一段消化道。PB2含量多少取决于消化和通过的相对速度。PB3与细胞壁结构有关，溶于酸性洗涤溶液，在瘤胃中可以被缓慢降解[24]。本试验测得工业大麻副产物PB1含量较低，PB2+PB3含量较高说明其可溶性蛋白较高，能够一部分在瘤胃中被消化降解，而不能被瘤胃降解的蛋白质则进入到动物消化道后段被消化利用，具有很好的过瘤胃效果。PC主要是饲料中的ADIP，不能被瘤胃微生物或者反刍动物消化利用[24]，工业大麻副产物PC含量较高，因此在饲料应用时应注意添加比例[25]。

饲料NSC中的糖类在瘤胃中能够被瘤胃微生物快速发酵。工业大麻副产物NSC、CA含量较高，因为其可消化的糖含量较高[26]，在瘤胃中降解速度较快，为瘤胃微生物提供能量，能够被动物机体快速利用，有助于能氮平衡。玉米秸秆的CB1和CB2含量较高说明其CHO发酵较慢，但是仍为潜在可用的CHO，这与其营养成分中淀粉和纤维含量较高相一致。CC组分为饲料中不可降解的部分，是瘤胃微生物不能利用的植物细胞壁[24]。工业大麻副产物和苜蓿干草的CC含量略高，但不影响其作为优秀蛋白质饲料。

3.3 瘤胃降解特性

DM瘤胃降解率会影响家畜对干物质的采食量，是评定饲料营养价值的重要指标，取决于饲料原料纤维素的含量和木质化程度，能够反映饲料被消化的难易程度[27]。本试验测得工业大麻副产物DM有效降解率略低，可能是由于其ADL含量较高导致。有很多因素可以影响瘤胃蛋白质降解率，如饲料可以使瘤胃微生物接触的有效面积、某些物质对蛋白质的保护作用以及蛋白质自身的一些物理和化学特性等[28]。工业大麻副产物蛋白质瘤胃慢速降解部分显著高于玉米秸秆和苜蓿干草，使得其瘤胃有效降解蛋白质比例较低，过瘤胃蛋白质含量较高，这与CNCPS组分分析中PB3含量较高相对应，这可能与工业大麻副产物蛋白质组成有关，推测工业大麻副产物中蛋白质大部分进入消化道后段进行消化和吸收。NDF瘤胃降解率体现了反刍动物对饲料纤维物质的利用程度，饲料中的纤维可以充实瘤胃，对牛瘤胃的正常发酵具有重要的作用。工业大麻副产物NDF的慢速降解部分较高，有效降解率较低，说明其不易在瘤胃中被消化。

3.4 小肠消化率

小肠可以消化大部分不能被瘤胃降解的蛋白质[29]，饲料在全消化道的消化率一定，所以其在瘤胃中降解较少，则在小肠部分消化较多[30]。对于反刍动物来说，过多的蛋白质在瘤胃中被降解，会导致进入小肠的蛋白质不能满足生长发育快、蛋白质需求量大的反刍动物的营养需求，因此优质饲料应使得大部分蛋白质进入小肠消化利用[31]。本试验测得玉米秸秆RUP的小肠消化率与岳群等[32]结果一致，苜蓿RUP的小肠消化率与周荣[33]结果一致。本试验中工业大麻副产物的DM和CP的小肠消化率均高于其他2种饲料，说明未被瘤胃降解的工业大麻副产物纤维和蛋白质可更容易在小肠中被进一步消化吸收，因此工业大麻副产物可以为反刍动物提供较好的蛋白质营养，且有研究表明大麻蛋白质中较多为麻仁球蛋白和白蛋白，可被动物很好地消化吸收利用[34]。