肉牛常用蛋白质饲料的饲用价值评价及粗蛋白质有效降解率预测模型建立

2023-12-04邓子棋李紫欣王金泽叶柏平孟庆翔周振明

动物营养学报 2023年11期

邓子棋李紫欣李想王金泽叶柏平孟庆翔周振明吴浩

(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)

长期以来,我国蛋白质饲料原料高度依赖进口,2022年我国大豆进口量达9 108.1万t[1],原料的价格和供应受国际形势影响严重,加之近年来豆粕价格持续上涨,造成养殖成本增加。与此同时,我国的饲料资源种类丰富,棉籽粕、菜籽粕、向日葵粕、啤酒糟和干酒糟及其可溶物(DDGS)等加工副产物产量大,充分挖掘利用这些蛋白质饲料能有效减少豆粕的使用量[2]。反刍动物对不同饲料的利用程度不同,比较和评定蛋白质饲料对反刍动物的饲用价值有利于其在生产上的应用。粗蛋白质有效降解率(effective degradability of crude protein,EDCP)反映的是蛋白质在瘤胃的可降解程度,EDCP的高低影响着瘤胃可降解蛋白质(rumen degradable protein,RDP)和瘤胃不可降解蛋白质(rumen undegradable protein,RUP)的含量。研究表明,高RUP饲粮能显著提高妊娠母牛的平均日增重,并影响子代的肌纤维含量[3]。因此,测定EDCP对于蛋白质饲料的饲粮配方设计和营养价值评定具有重要意义。体外产气法是在体外环境下模拟饲料在瘤胃中发酵的一种试验方法,通过测定产气量和发酵产物,能反映饲料在瘤胃中的利用情况;尼龙袋法是一种被用来测定饲料养分瘤胃降解率的方法,该方法可以用来测定蛋白质在瘤胃中的降解情况,测定结果接近体内真实情况。前人研究表明,体外产气法试验结果与尼龙袋法测定的干物质有效降解率之间具有很强的相关性[4-5],存在利用体外产气法试验结果预测EDCP的可能。因此,本试验采用体外产气法和尼龙袋法,测定了棉籽粕、菜籽粕、豆粕、向日葵粕、啤酒糟和DDGS的EDCP、体外产气量参数及发酵参数,为评估6种蛋白质饲料的饲喂价值提供数据基础;同时,对体外产气量参数和发酵参数与EDCP进行相关性分析,建立线性回归预测方程,为预测EDCP提供简便方法。

1 材料与方法

1.1 试验样品

本试验在中国农业大学肉牛研究中心房山试验基地开展。分别从新疆、河北和辽宁等地的饲料厂和食品加工厂采集6种蛋白质饲料,包括棉籽粕(2种)、菜籽粕(2种)、豆粕、向日葵粕、啤酒糟和DDGS。样品均置于65 ℃烘箱中48 h制成风干样,所有样品均分成2份,分别过2 mm筛和1 mm筛,并分别用于尼龙袋试验和体外产气试验。

1.2 试验动物及饲粮

选用3头体重约为320 kg、装有永久性瘤胃瘘管的安格斯阉牛作为试验动物,分别在每天08:00和16:00按美国国家科学、工程和医学研究院(NASM)《肉牛营养需要》(2016)中维持需要量的1.3倍进行饲喂,自由饮水,饲粮组成及营养水平见表1。

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

1.3 体外产气试验

体外发酵培养参考Menke等[6]的方法进行,准确称取0.200 0 g饲料样品于装有人工瘤胃液的特制人工瘤胃培养管(最小分度为1 mL),39 ℃水浴培养72 h,分别于0、2、4、8、10、12、16、20、24、28、32、36、42、48、60和72 h读取产气量,并测定24 h的发酵液pH以及总挥发性脂肪酸(TVFA)、各单一挥发性脂肪酸(VFA)和氨态氮(NH3-N)含量。

产气量动态参数根据Menke等[7]的公式进行计算,计算公式为:

Y=B(1-e-ct)。

式中:Y为t时间点0.200 0 g底物干物质(dry matter,DM)产气量(mL);B为0.200 0 g底物DM理论最大产气量(mL);c为样本的产气速度(/h);t为体外培养时间(h)。

1.4 尼龙袋试验

尼龙袋试验方法与Ørskov等[8]相同。使用BB尼龙袋[9]测定蛋白质降解率,并利用以下公式进行分析。

待测饲料瘤胃动态降解率按照Ørskov等[8]提出的模型进行计算,计算公式为:

Y=a+b(1-e-ct)。

式中:Y为t时间点待测成分的降解率(%DM);a代表饲料的快速降解成分;b代表饲料的慢速降解成分;c代表饲料的降解速率;t为饲料在瘤胃中停留的时间。

EDCP的计算公式为:

EDCP=a+(b×c)/(c+k)。

式中:a、b、c为上述模型中的值;k代表饲料在瘤胃的流通速率,参考Van Duinkerken等[10],取k=0.013 9+0.177 5c。

1.5 测定指标及方法

1.5.1 饲料营养成分含量测定

饲料样品中DM、粗灰分(Ash)、粗脂肪(EE)、粗蛋白质(CP)、中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)和酸性洗涤木质素(ADL)等营养成分含量按照张丽英[11]的方法进行测定,可溶性糖(SS)含量采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定,淀粉(starch)含量参考熊易强[12]的方法进行测定。

1.5.2 发酵液VFA和NH3-N含量以及pH测定

发酵液VFA含量使用气相色谱仪(SP-3420,北京分析仪器厂)测定,发酵液NH3-N含量采用苯酚-次氯酸钠比色法测定,发酵液pH采用便携式pH计(PHSJ-4F,上海仪电科学仪器股份有限公司)测定。

1.6 数据统计分析

使用Office365Excel软件对试验数据进行初步计算处理,采用SAS 9.4统计软件中的一般线性模型(GLM)对测定数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA)及Duncan氏法多重比较,并利用CORR和REG模型程序对EDCP与体外产气量参数和发酵参数进行Pearson相关性分析和线性回归分析,以P<0.05为差异显著和相关性显著标准。

2 结果与分析

2.1 饲料营养成分含量

由表2可知,向日葵粕DM含量为79.79%,显著低于其他饲料(P<0.05),且其他饲料DM含量均在90%左右。棉籽粕、菜籽粕、豆粕和向日葵粕之间CP含量无显著差异(P>0.05),均在40%以上,其中棉籽粕CP含量最高为48.67%,向日葵粕CP含量最低为40.79%;DDGS和啤酒糟CP含量较低,分别为30.18%和28.79%,显著低于其他饲料(P<0.05)。棉籽粕、菜籽粕、豆粕和向日葵粕EE含量较低,平均值为2.14%,其中向日葵粕EE含量最低为0.70%,显著低于其他饲料(P<0.05);DDGS的EE含量最高为12.49%,显著高于其他饲料(P<0.05)。豆粕SS含量最高为17.57%,显著高于其他饲料(P<0.05),是棉籽粕和向日葵粕的3倍多。啤酒糟淀粉含量最高为13.10%,显著高于其他饲料(P<0.05);向日葵粕淀粉含量最低为0.21%,显著低于其他饲料(P<0.05)。啤酒糟NDF含量最高为56.12%,显著高于其他饲料(P<0.05);菜籽粕ADF、ADL和Ash含量最高,分别为34.14%、18.69%和9.07%,显著高于其他饲料(啤酒糟ADF含量除外)(P<0.05);豆粕NDF、ADF和ADL含量均为最低,分别为28.19%、10.46%和2.22%,显著低于其他饲料(P<0.05)。

2.2 体外产气试验结果

2.2.1 体外产气量参数

如图1所示,6种蛋白质饲料的体外发酵过程均包括产气期和平台期,产气前期(0～12 h)产气速度较快,随后产气速率逐渐降低,直至48 h左右,产气曲线平缓达到平台期;6种蛋白质饲料的72 h内总产气量均程递增趋势,其中豆粕产气量最高,其次依次分别是DDGS、菜籽粕、棉籽粕、向日葵粕和啤酒糟,且棉籽粕和菜籽粕的产气趋势基本相同。

图1 6种蛋白质饲料的体外产气动态Fig.1 Dynamics of in vitro gas production of 6 kinds of protein feedstuffs

由表3可知,在6种蛋白质饲料中,豆粕的12、24、48和72 h产气量以及理论最大产气量和产气速率均为最高,且各时间点产气量和理论最大产气量显著高于其他5种蛋白质饲料(P<0.05);啤酒糟的12、24、48和72 h产气量以及产气速率最低,其中12 h产气量显著低于其他5种蛋白质饲料(P<0.05);向日葵粕的理论最大产气量最低;棉籽粕和菜籽粕的体外产气量参数基本相同(P>0.05),且其产气速率均高于DDGS,其余指标略低于DDGS,但差异均不显著(P>0.05)。

表3 6种蛋白质饲料的体外产气量参数Table 3 In vitro gas production parameters of 6 kinds of protein feedstuffs

2.2.2 体外发酵参数

由表4可知,发酵24 h时,发酵液pH为6.64～6.93,其中菜籽粕发酵液pH最低,向日葵粕发酵液pH最高,除棉籽粕和DDGS之间外,其他饲料发酵液之间pH均有显著差异(P<0.05)。发酵液NH3-N含量差异较大,其中豆粕发酵液NH3-N含量最高(50.30 mg/dL),远高于最低含量的菜籽粕发酵液(20.49 mg/dL),除向日葵粕发酵液NH3-N含量与豆粕之间没有显著差异(P>0.05)外,其他饲料发酵液之间NH3-N含量均有显著差异(P<0.05)。棉籽粕、菜籽粕和豆粕发酵液TVFA含量显著高于向日葵粕、啤酒糟和DDGS(P<0.05),且各发酵液中乙酸和丙酸含量占TVFA含量的78%以上,大部分饲料发酵液中的各VFA含量均为乙酸>丙酸>丁酸>异戊酸>异丁酸>戊酸(DDGS发酵液中的戊酸含量高于异丁酸)。豆粕发酵液TVFA含量最高(58.73 mmol/L);啤酒糟发酵液TVFA含量和戊酸含量最低(分别为30.80 mmol/L和1.12%);菜籽粕发酵液乙酸含量和乙酸/丙酸值最高(分别为70.32%和4.50),异丁酸、丁酸和异戊酸含量最低(分别为1.43%、8.73%和2.65%);DDGS发酵液丙酸和丁酸含量最高(分别为22.78%和11.89%),乙酸/丙酸值最低(2.56);棉籽粕发酵液丙酸含量最低(15.39%);向日葵粕发酵液异丁酸和戊酸含量最高(分别为3.68%和2.33%)。

表4 6种蛋白质饲料24 h体外发酵参数Table 4 In vitro fermentation parameters of 6 kinds of protein feedstuffs at 24 h

2.3 瘤胃降解参数

由表5可知,随着饲料在瘤胃中滞留时间的增加,其蛋白质降解率也越来越高,各时间点蛋白质降解率和EDCP从高到低顺序大致为:向日葵粕>豆粕>啤酒糟或DDGS>棉籽粕>菜籽粕。

表5 6种蛋白质饲料瘤胃降解参数Table 5 Rumen degradation parameters of 6 protein feedstuffs %

2.4 EDCP预测模型

由表6和表7可知,各时间点产气量、理论最大产气量和产气速率与EDCP之间基本没有相关性(P>0.05);EDCP与发酵液pH和NH3-N含量呈显著正相关(P<0.05),与乙酸含量和乙酸/丙酸值呈显著负相关(P<0.05),与TVFA含量和其他VFA含量均无显著相关性(P>0.05)。

表6 EDCP与体外产气量参数的相关系数Table 6 Correlation coefficient between EDCP and in vitro gas production parameters

表7 EDCP与24 h体外发酵参数的相关系数Table 7 Correlation coefficient between EDCP and 24 h in vitro fermentation parameters

本试验选用发酵液pH、NH3-N含量、乙酸含量和乙算/丙酸值4个相关性强的指标对EDCP进行预测。结果表明,用pH作为单一指标构建的预测方程的决定系数(R2)大于以NH3-N含量、乙酸含量和乙算/丙酸值为单一指标构建的的预测方程的R2,因此,选用pH作为预测因子。根据前人研究结果[13],引入CP、NDF、ADF含量等指标作为预测因子,与EDCP进行线性回归分析,发现采用ADF含量能提高R2。在pH和ADF含量的基础上加入其他指标,结果显示,随着预测指标的增加,R2呈现升高的趋势,其中引入24 h产气量(GP24 h)效果最好,与pH和ADF含量结合进行预测EDCP时,R2达到0.998(P<0.01),预测方程为:EDCP=-833.690+138.088pH-1.219ADF-0.689GP24 h(表8)。

表8 根据体外产气量参数和24 h体外发酵参数建立的饲料EDCP的预测方程Table 8 Prediction equations of feedstuff EDCP established based on in vitro gas production parameters and 24 h in vitro fermentation parameters

3 讨论

3.1 饲料常规营养成分含量比较

本试验中,向日葵粕的DM含量偏低,但未出现腐败等情况,可能与厂家的加工工艺有关。饼粕类饲料是油料作物经过浸提或榨取后的副产物,其CP含量一般在30%以上,常被作为蛋白质饲料用于肉牛生产。本试验中,饼粕类饲料CP含量均高于40%,其中棉籽粕CP含量达到48.67%,不过由于棉籽粕和菜籽粕包含2个品种,品种内部变异较大,因此与豆粕和向日葵粕之间无显著统计学差异。EE的含量主要和制作工艺有关,目前我国90%以上的油脂企业采用浸出工艺生产,该工艺能使油残低至5%以下[14],本试验中所有饼粕类饲料EE含量均小于5%。糟渣类饲料主要是制酒、制糖、制药等工业生产中的副产物,啤酒糟和DDGS的CP含量高于20%,也常被作为蛋白质饲料用于肉牛生产。大麦是生产啤酒糟的原料,淀粉含量较高,在制作啤酒的过程中麦芽生长产生大量的水解酶,将部分淀粉水解为SS[15],因此啤酒糟的淀粉和SS含量相对较高。本试验结果与宫晨[16]的测定结果相比,棉籽粕、豆粕的CP含量更低,NDF和ADF含量更高,向日葵粕、啤酒糟和DDGS的营养成分含量相似;与《中国饲料成分及营养价值表》(2020)所公布的数值相比,棉籽粕、豆粕、向日葵粕的营养成分含量接近,菜籽粕CP、ADF和ADF含量均高于该表中数值。造成这些差异的原因,与饲料品种、产地、采集时间、成熟度以及加工方式等存在一定关系。

3.2 体外产气量参数比较

饲料中的碳水化合物和蛋白质等养分在瘤胃微生物的作用下降解产生氢气(H2)、二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)等气体,体外产气量能在一定程度上反映饲料被瘤胃微生物利用的程度。研究表明,豆粕的理论最大产气量显著大于其他饼粕类蛋白质饲料[17-18],这与本试验中豆粕的12、24、48和72 h产气量以及理论最大产气量均显著高于其他饲料的结果相同。李倩[19]研究表明,DDGS理论最大产气量高于其他酒糟,本试验中DDGS的各时间点产气量和理论最大产气量均高于啤酒糟验证了这一结论。体外产气量和饲料中总可消化碳水化合物含量有关,Getachew等[20]研究表明,产气量与饲料中淀粉、果胶及SS等非纤维性碳水化合物含量呈正相关,棉籽粕、菜籽粕和向日葵粕的淀粉和SS含量较低,因此各个时间点产气量及理论最大产气量均较低;然而,本试验中啤酒糟的淀粉和SS含量高于豆粕,其产气量却较低,原因可能与其NDF和ADF含量过高有关,Nsahlai等[21]指出产气量与NDF和ADF含量呈负相关,纤维含量过高会阻碍微生物对其他养分的利用,导致产气量下降。产气速率反映了瘤胃微生物对于饲料中养分利用的难易程度,产气速率越快,说明饲料中易被降解的组分含量越高,前期产气量越大。豆粕的产气速率高于其他饲料,这与12 h产气量高于其他饲料相对应;啤酒糟的产气速率远低于其他饲料,这也与其纤维含量过高有关。

3.3 体外发酵参数比较

瘤胃pH是评价瘤胃发酵情况和健康状况的一个重要指标,维持瘤胃液的正常pH对反刍动物健康和养分消化率具有积极作用。正常瘤胃pH波动范围在6.0～7.0[22],瘤胃的pH变化通常会影响微生物对纤维类物质的降解能力,当pH低于6.4时,对纤维素的降解具有消极影响,同时瘤胃液的缓冲能力也会下降[23];pH低于5.6时,会损害瘤胃上皮的完整性,影响其对养分的转运,造成间质组织微生物感染[24]。本试验中的发酵液pH在6.64～6.93,说明发酵过程在适宜条件下进行。培养液的pH受发酵后的产生的VFA等酸性物质含量和NH3-N等缓冲物质含量影响,菜籽粕发酵后的VFA含量较高,NH3-N含量显著低于其他5种饲料,所以pH显著低于其他饲料。尽管豆粕发酵后的VFA含量略高于菜籽粕,但其产生的NH3-N含量远高于菜籽粕,因此豆粕发酵液的pH高于菜籽粕。

培养液中的NH3-N来源于瘤胃微生物对饲料中蛋白质的降解,其含量反映了微生物降解含氮物质产生氨(NH3)及其对NH3摄取利用的情况。瘤胃NH3-N含量降低时,微生物生长缓慢,对碳水化合物的分解和合成微生物蛋白(MCP)的能力降低;瘤胃NH3-N含量升高时,过多的NH3-N会通过瘤胃壁经血液流入肝脏合成尿素,部分尿素可通过瘤胃氮循环途径重新回到瘤胃被微生物利用,剩余尿素被以尿液的形式排出体外,造成浪费[24]。通常认为,8 mg/dL的NH3-N含量是瘤胃微生物生长所需的最低含量,随着NH3-N含量的升高,MCP产量增加,超过50 mg/dL对MCP的产量没有影响[25]。本试验中的NH3-N含量为20.49～50.30 mg/dL,豆粕和向日葵粕发酵液的NH3-N含量远高于其他4种饲料,说明豆粕和向日葵粕中的CP更容易被瘤胃微生物降解。姜旭明等[26]研究表明,棉籽粕和菜籽粕发酵液NH3-N含量高于豆粕,与本试验结果相反;Getachew等[20]研究结果显示,NH3-N与原料CP含量呈显著正相关,因此,该争议可能是由于其试验中使用的豆粕CP含量低于本试验。棉籽粕和菜籽粕发酵液的NH3-N含量较低,说明瘤胃微生物难以降解棉籽粕和菜籽粕中的蛋白质,可能是由于棉籽粕和菜籽粕富含抗营养因子,棉籽粕中的游离棉酚和菜籽粕中的单宁能降低瘤胃微生物对蛋白质的降解率[27-28],起到蛋白质保护作用。

VFA是反刍动物的主要供能物质,在瘤胃微生物发酵过程中75%～85%的能量物质会被转化为VFA[29],含量可达30～200 mmol/L。乙酸、丙酸和丁酸是碳水化合物发酵产生的主要产物,占TVFA的90%以上。本试验中,豆粕、棉籽粕和菜籽粕的TVFA含量远高于向日葵粕、啤酒糟和DDGS,表明豆粕、棉籽粕和菜籽粕的碳水化合物发酵较为完全。乙酸和丁酸生成的同时会产生H2,产甲烷菌能利用H2将CO2还原成CH4[30],CH4的生成会造成能量的损失,丙酸生成时会消耗H2,降低CH4的生成,因此乙酸/丙酸值越低,微生物发酵导致能量的损耗越小。本试验中,DDGS发酵液的乙酸/丙酸值最低,说明其发酵过程中能量损耗小于其他5种饲料。支链脂肪酸是氨基酸的降解产物,豆粕和向日葵粕发酵液中异丁酸和异戊酸的含量显著高于其他4种饲料,从侧面反映出其蛋白质降解率可能会更高,这与尼龙袋试验结果一致。

3.4 瘤胃降解参数比较

EDCP反映的是蛋白质在瘤胃的可降解程度,表示RDP占饲料中总蛋白质含量的百分比,饲料中RDP和RUP含量一般通过测定饲料的EDCP得出,EDCP越高,RDP含量越高,RUP含量越低。饲料的RDP和RUP含量对反刍动物的饲料配制具有重要意义,研究表明,降低饲料中CP含量或提高RUP含量能显著降低氮排泄[31],降低RDP含量能显著提高奶牛产奶量和乳蛋白含量[32-33];RDP含量过低会阻碍瘤胃微生物生长,影响纤维的降解率[34]。本试验结果与赵天章[35]的试验结果具有相同的趋势,EDCP均为向日葵粕>豆粕>棉籽粕>菜籽粕,但相同饲料的EDCP并不完全相同,本试验中豆粕和向日葵粕的EDCP相对更高,菜籽粕的EDCP相对更低。此外,本试验中豆粕和棉籽粕的EDCP与包淋斌等[36]的试验结果相似,向日葵粕、啤酒糟、DDGS的EDCP高于前人的试验结果[37]。影响蛋白质降解率的因素众多,试验饲粮、动物等差异会对试验结果造成影响,同时饲料原料加工方式不同也会导致试验产生差异[38-39]。

3.5 EDCP预测模型构建

尼龙袋法测定瘤胃有效降解率是目前技术比较成熟的方法,但需要对试验动物安装瘤胃瘘管,造价昂贵且存在手术风险,试验动物的体况对试验结果有一定的影响。为寻求更加经济有效的测定方法,人们开始使用其他方法对瘤胃有效降解率进行预测。前人利用饲料营养成分与有机物、DM、淀粉有效降解率建立回归方程,R2能达到0.90以上[40-42];马绍楠[4]在试验中使用短期人工瘤胃法测出动态体外消化率,并使用Menke等[7]提出的有效降解率预测模型计算出了体外DM有效降解率;大量研究表明,DM有效降解率、NDF有效降解率、ADF有效降解率与产气量有关[43-45],达勒措[5]利用产气量建立了DM和CP降解率的三次多项式回归方程。然而,饲料在瘤胃内的降解特性不仅和饲料养分含量有关,还与自身的结构有关,利用饲料营养成分预测单一饲料原料或一类饲料原料的有效降解率效果更好,预测不同种类的饲料时可能与瘤胃真实降解情况具有一定的差异;正常瘤胃内是有物质流通的,短期人工瘤胃法没有考虑培养过程中终产物的排出而使发酵终产物不断积累,导致试验结果差异较大[40];产气量与有效降解率之间的相关性暂时没有统一的结论,Blümmel等[46]在研究中并未发现产气量与降解率之间的相关性。体外发酵产物是瘤胃微生物利用饲料中养分的代谢产物,与饲料的降解情况有着直接的关系,关于体外发酵产物与有效降解率之间的关系的报道很少。

本试验测定了体外产气试验的产气量和发酵产物,探究与EDCP的关系。试验中EDCP与体外产气量参数相关性很低,这一结论与Getachew等[20]相同,这可能与蛋白质在降解过程中产生的气体很少有关。本试验表明,EDCP与发酵液pH和NH3-N含量呈显著正相关,与乙酸含量和乙酸/丙酸值呈显著负相关,说明pH和NH3含量越高,乙酸含量和乙酸/丙酸值越低,EDCP越高。pH能够反映发酵液中包括NH3-N、乙酸和丙酸等碱性或酸性物质的含量情况,其与EDCP的相关性最高,且测定方法较为简单,因此,pH是一个很好的预测因子;引入ADF含量使预测方程R2升高,可能与ADF含量与CP降解率呈显著负相关有关[47-48];尽管GP24 h与EDCP的相关系数较小,但是在pH的基础上,增加ADF含量和GP24 h指标能够提高预测模型的R2,3种指标同时使用时,R2达到0.998,方程为EDCP=-833.690+138.088pH-1.219ADF-0.689GP24 h。在适宜的pH范围内,利用该方程能对EDCP进行预测,pH过高或过低都会影响预测结果的准确性。