體外產(chǎn)氣法評價水培大麥苗替代苜蓿、燕麥對奶牛瘤胃發(fā)酵特性的影響

任 澎，馮娟，李若誠，劉建新，王迪銘

（浙江大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，奶業(yè)科學(xué)研究所，浙江杭州 310058）

近年來，我國奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅猛，2020 年12 月我國荷斯坦奶牛存欄506.0 萬頭，較2019 年12 月增長9.8%。苜蓿、燕麥草是奶牛重要的優(yōu)質(zhì)飼草，泌乳牛對苜蓿的需求量為3～5 kg/d、燕麥為4 kg/d，干奶牛/圍產(chǎn)牛對燕麥的需求量為2～4 kg/d，青年牛/育成牛對燕麥的需求量為2～3 kg/d。因此，每年我國都要消耗大量的苜蓿和燕麥。然而，隨著國民生活水平的提高，對生態(tài)環(huán)境的要求越來越高，對土地需求量不斷增加，大大減少了我國牧草種植面積，我國苜蓿、燕麥的種植規(guī)模和產(chǎn)量不能滿足我國奶業(yè)發(fā)展。2020 年我國進(jìn)口苜蓿干草135.8 萬t，同比增加0.2%；進(jìn)口燕麥33.5萬t，同比增加39.0%。因此，積極探索苜蓿、燕麥的廉價高質(zhì)替代品，是我國奶業(yè)保持高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑。

水培牧草概念的構(gòu)建有效地改善了牧草種植占用大量土地造成人畜爭糧的情況。本試驗所用水培大麥苗具有節(jié)肥高產(chǎn)、產(chǎn)出穩(wěn)定均衡、營養(yǎng)價值高等優(yōu)點。因此，本試驗旨在研究體外模擬大麥苗替代苜蓿、燕麥對奶牛瘤胃發(fā)酵特性的影響，為大麥苗在奶牛養(yǎng)殖業(yè)中部分替代苜蓿、燕麥的可行性研究提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 試驗用水培大麥苗由四維生態(tài)科技（杭州）有限公司提供，試驗其他飼料原料由杭州正興牧業(yè)有限公司提供。水培大麥苗采用長12.2 m、寬2.4 m、高2.9 m 的集裝箱8 層立體種植，生長1 周后株高10～23 cm，日產(chǎn)含水量87.3% 的新鮮草500～700 kg，干物質(zhì)（DM）基礎(chǔ)泌乳凈能為5.98 MJ/kg。飼料原料經(jīng)烘箱65℃干燥48 h 至恒重后在空氣中回潮粉碎過40目篩，4℃密封保存，用于后續(xù)常規(guī)營養(yǎng)成分含量測定以及體外產(chǎn)氣試驗，試驗水培大麥苗、苜蓿及燕麥的常規(guī)營養(yǎng)成分如表1 所示。根據(jù)苜蓿干草質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)，本試驗所用苜蓿干草介于二級和三級之間。

表1 試驗用大麥苗、苜蓿和燕麥營養(yǎng)成分（DM 基礎(chǔ)） %

1.2 試驗設(shè)計 試驗采用單因素試驗設(shè)計，分為5 組，分別用0%（對照組）、25%、50%、75%、100%的水培大麥苗替代發(fā)酵底物中的苜蓿和燕麥，每組12 個重復(fù)，發(fā)酵24 h 時隨機取出每組中的5 個，用冰水浴終止發(fā)酵后測定24 h 干物質(zhì)降解率（IVDMD），剩余產(chǎn)氣瓶培養(yǎng)到48 h 后終止發(fā)酵用于后續(xù)指標(biāo)測定。試驗各組發(fā)酵底物等能等氮，原料組成及營養(yǎng)成分如表2 所示。

表2 試驗各組發(fā)酵底物原料組成及營養(yǎng)成分（DM 基礎(chǔ)）

1.3 體外發(fā)酵 用精度為0.000 1 的分析天平稱取對照組和試驗組DM 含量為0.500 0 g 的試驗樣品。參照Menke 等提出的方法配制培養(yǎng)液，向配制好的人工唾液中通入二氧化碳（CO）氣體，使人工唾液由藍(lán)色變?yōu)榉奂t色，最終為無色。用分樣器向裝有樣品的產(chǎn)氣瓶中分裝45 mL 人工唾液，并用CO飽和。產(chǎn)氣瓶蓋緊橡膠塞后，在（39±0.5）℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)過夜。按照Shen 等方法，瘤胃液于試驗當(dāng)天晨飼前通過口腔采集軟管采集3 頭成年荷斯坦奶牛，保存于保溫杯中，迅速帶回實驗室，等體積混合均勻過濾后，用10 mL 注射吸取5 mL 瘤胃液注入上述過夜并排空瓶內(nèi)氣體的產(chǎn)氣瓶中，放入恒溫培養(yǎng)箱中（39±0.5）℃培養(yǎng)。試驗牛日糧由試驗?zāi)翀雠渲?，其粗蛋白質(zhì)含量為15.23%，泌乳凈能為6.86 MJ/kg，試驗牛干物質(zhì)采食量為25.0 kg/d 左右，每天飼喂3 次，奶?？勺杂娠嬎?。分別在培養(yǎng)第2、4、6、9、12、24、36、48 小時，用壓力傳感器讀取產(chǎn)氣瓶內(nèi)壓力（Pt）并放氣。24、48 h 后冰水終止發(fā)酵并測定IVDMD、IVDMD和發(fā)酵參數(shù)。

1.4 檢測指標(biāo)及方法

1.4.1 產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣動力學(xué)參數(shù) 2、4、6、9、12、24、36、48 h 產(chǎn)氣量（GPt）的值由讀取的壓力值通過以下公式計算：

式中，GP為樣品在t 時間段的產(chǎn)氣量（mL/g DM），P為t 時間段讀取的壓力（mPa），P為空白樣品在t 時間段讀取的壓力（mPa），V為產(chǎn)氣瓶體積（mL），W 為樣品干物質(zhì)重（g）。產(chǎn)氣過程的總累計產(chǎn)氣量為各時間段產(chǎn)氣量之和。

將試驗組各時間點的產(chǎn)氣量代入FitCurve 軟件公式計算產(chǎn)氣動力學(xué)參數(shù)，計算公式：

式中，GP為樣品在t 時間段的產(chǎn)氣量（mL/g DM），a 為快速產(chǎn)氣量（mL），b 為慢速產(chǎn)氣量（mL），c 為產(chǎn)氣常數(shù)，a+b 為潛在產(chǎn)氣量（mL）。

1.4.2 發(fā)酵參數(shù) 使用pH 計測定發(fā)酵液pH；揮發(fā)性脂肪酸（VFA）和氨態(tài)氮（NH-N）含量根據(jù)Hu 等的方法測定；微生物蛋白（MCP）含量參照Makkar 等提出的考馬斯亮藍(lán)比色法進(jìn)行測定。測定VFA、NH-N、MCP 時，每個樣品設(shè)置3 個平行。

1.4.3 IVDMD 根據(jù)發(fā)酵前后發(fā)酵底物的DM 含量，通過差減法計算得到IVDMD。

1.5 統(tǒng)計分析 試驗所得數(shù)據(jù)通過Excel 軟件整理后，采用SPSS 26.0 軟件進(jìn)行單因素方差（One-Way AVOVA）分析，使用Duncan's 法進(jìn)行多重比較，≤0.05 為差異顯著。

2 結(jié)果

2.1 不同比例水培大麥苗替代苜蓿和燕麥對體外瘤胃發(fā)酵產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣動力學(xué)參數(shù)的影響 由表3 可知，不同比例水培大麥苗替代苜蓿和燕麥后48 h 累計產(chǎn)氣量相近（>0.05）。50%、75%和100%大麥苗組的快速產(chǎn)氣量高于對照組（<0.05），25%大麥苗組與對照組無顯著性差異。各試驗組的慢速產(chǎn)氣量和潛在產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣常數(shù)與對照組無顯著性差異。

表3 不同比例大麥苗替代苜蓿和燕麥對體外瘤胃發(fā)酵產(chǎn)氣量及動力學(xué)參數(shù)的影響

2.2 不同比例水培大麥苗替代苜蓿和燕麥對體外IVDMD的影響 由表4 可知，不同比例大麥苗替代苜蓿、燕麥后均提高了發(fā)酵底物體外IVDMD，但各組間IVDMD無顯著性差異；75%和100%大麥苗組IVDMD高于其他3 組（<0.05）。

表4 不同比例大麥苗替代苜蓿和燕麥對體外干物質(zhì)降解的影響 %

2.3 不同比例水培大麥苗替代苜蓿和燕麥對體外發(fā)酵參數(shù)的影響 由表5 可知，經(jīng)48 h 體外發(fā)酵后各組發(fā)酵液pH 無顯著性差異。50%、75% 和100% 大麥苗組的總揮發(fā)性脂肪酸（TVFA）濃度高于對照組（<0.05），而25% 大麥苗組與對照組無顯著性差異。乙酸濃度隨著替代比例的增加而增加，50%、75%和100%大麥苗組高于對照組（<0.05），而25% 大麥苗組與對照組無顯著性差異。丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸、戊酸濃度隨著替代比例的增加呈先降低后增加的趨勢。75%和100% 大麥苗組丙酸濃度高于對照組（<0.05），而25% 和50% 大麥苗組丙酸濃度與對照組無顯著性差異。100%大麥苗組異丁酸、異戊酸濃度高于對照組（<0.05），而25%、50% 和75% 大麥苗組異丁酸、異戊酸與對照組無顯著性差異。50%、75%和100%大麥苗組丁酸濃度高于對照組（<0.05），而25% 大麥苗組與對照組無顯著性差異。100%大麥苗組戊酸濃度高于25%和50%大麥苗組（<0.05），但整體上各試驗組戊酸濃度與對照組間無顯著性差異。各組間乙丙比無顯著性差異。25% 大麥苗組MCP 含量低于對照組（<0.05），100% 大麥苗組MCP 含量高于對照組（<0.05），而50%和75%大麥苗組與對照組無顯著性差異。25%、75% 和100% 大麥苗組NH-N 濃度高于對照組（<0.05），50%大麥苗組與對照組間無顯著性差異。

表5 不同比例大麥苗替代苜蓿和燕麥對體外發(fā)酵參數(shù)的影響

3 討 論

3.1 不同比例水培大麥苗替代苜蓿和燕麥對體外瘤胃發(fā)酵產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣動力學(xué)參數(shù)的影響 體外產(chǎn)氣法通常用來評價飼草料資源的飼用價值。在一定程度上，體外發(fā)酵產(chǎn)氣量可以反映飼料在反芻動物體內(nèi)的消化降解特性。瘤胃微生物的活性、微生物對底物的利用程度以及飼料的營養(yǎng)價值均與產(chǎn)氣量有關(guān)，發(fā)酵底物發(fā)酵越充分，產(chǎn)氣量就越高。本試驗各組間48 h 累計產(chǎn)氣量及潛在產(chǎn)氣量均無顯著性差異，這可能與各組間發(fā)酵底物等能等氮、營養(yǎng)水平相近有關(guān)?？焖佼a(chǎn)氣量為負(fù)數(shù)，表現(xiàn)的是飼料發(fā)酵的延遲性，負(fù)數(shù)越大（非絕對值）延遲時間越短。隨著水培大麥苗替代比例的增加，快速產(chǎn)氣量出現(xiàn)顯著性差異，說明水培大麥苗替代苜蓿和燕麥后改善了底物發(fā)酵的延遲性。

3.2 不同比例水培大麥苗替代苜蓿和燕麥對體外IVDMD的影響 IVDMD 是評價飼料飼用價值的一個重要指標(biāo)，反映了動物對飼料的消化能力，IVDMD 越高表明微生物活性越高，底物發(fā)酵效果越好。本試驗中，75%和100%大麥苗組的 IVDMD顯著高于對照組，IVDMD 變化可能與大麥苗本身的特性有關(guān)。大麥苗作為一種青綠飼料，柔嫩多汁，易消化。大麥種子在生長7 d 后，仍有少量種子未能正常生長為大麥苗，增加了發(fā)酵底物的淀粉含量。當(dāng)水培大麥苗替代苜蓿、燕麥后，為瘤胃微生物提供了更多的易消化碳水化合物，進(jìn)而提高了微生物對底物的利用程度。

3.3 不同比例水培大麥苗替代苜蓿和燕麥對體外發(fā)酵參數(shù)的影響 瘤胃液pH 是反映瘤胃環(huán)境穩(wěn)態(tài)情況和發(fā)酵特征的重要指標(biāo)，是瘤胃微生物正常生存和發(fā)揮正常功能的必要條件。有研究表明，瘤胃液pH 的正常范圍是5.5～7.5。本試驗各組發(fā)酵液pH 均在正常范圍內(nèi)，且各組間無顯著性差異，這表明當(dāng)大麥苗不同比例替代苜蓿、燕麥后，對奶牛瘤胃內(nèi)環(huán)境均無不良影響。

VFA 是瘤胃微生物對碳水化合物發(fā)酵消化的主要產(chǎn)物，是奶牛的主要能量來源，提供的能量約占反芻動物總代謝能的75%。本試驗中，替代組TVFA和乙酸濃度（50%、75%、100% 大麥苗組）、丙酸濃度（75%和100%大麥苗組）、異丁酸和異戊酸濃度（100%大麥苗組）、丁酸濃度（50%、75%和100%大麥苗組）顯著高于對照組，且各組間乙丙比無顯著性差異，提示大麥苗替代苜蓿、燕麥后改善了瘤胃發(fā)酵狀況，且替代比例越高，改善效果越明顯?？赡苁谴篼溍缰锌衫美w維含量較高，碳水化合物組分合理。大麥苗替代苜蓿、燕麥后改變了發(fā)酵底物中的碳水化合物組成結(jié)構(gòu)，從而提高了瘤胃微生物發(fā)酵速率。

NH-N濃度是評價瘤胃發(fā)酵狀況的主要指標(biāo)之一，是日糧中蛋白質(zhì)在瘤胃內(nèi)發(fā)酵降解的產(chǎn)物，也是合成瘤胃MCP 的重要物質(zhì)。NH-N 濃度可反映微生物對日糧中蛋白質(zhì)的分解能力以及吸收速率的平衡狀態(tài)。本試驗中，與對照組相比，25%、75%和100%大麥苗組NH-N 濃度顯著高于對照組。這可能是因為大麥苗中非蛋白氮、賴氨酸、蛋氨酸含量較高，氨基酸組成合理，不可降解粗蛋白質(zhì)含量較低，蛋白質(zhì)品質(zhì)優(yōu)良。大麥苗替代苜蓿、燕麥后，促進(jìn)了瘤胃微生物的生長，加快了發(fā)酵底物中含氮物質(zhì)的降解。

MCP 是反芻動物瘤胃氮的主要來源。研究表明，反芻動物60%～70%的蛋白質(zhì)需要量由MCP 提供，并且MCP 也可以表征瘤胃微生物對發(fā)酵底物中氮的利用效率和瘤胃微生物菌群的數(shù)量。瘤胃對碳水化合物和蛋白質(zhì)的利用效率會影響MCP 合成，當(dāng)瘤胃中能氮釋放不同步時，發(fā)酵底物的利用效率降低，進(jìn)而導(dǎo)致MCP 的合成量減少。本試驗中，25%大麥苗組MCP 含量顯著低于對照組，這可能與25%大麥苗組NH-N 含量較高，氨和能量的釋放不同步有關(guān)；其余試驗組MCP 含量與對照組無顯著性差異，表明對瘤胃微生物菌群數(shù)量及微生物對發(fā)酵底物氮的利用效率無不良影響。

4 結(jié) 論

本試驗條件下，水培大麥苗替代苜蓿、燕麥后對瘤胃發(fā)酵特性具有改善效果。由體外消化試驗可知，大麥苗可以作為一種牧草來替代苜蓿、燕麥，需要通過體內(nèi)試驗進(jìn)一步驗證大麥苗作為奶牛日糧資源的可行性。