动物营养学报    2020, Vol. 32 Issue (5): 2440-2448    PDF    
玉米和大麦体外瘤胃发酵氢气、甲烷和挥发性脂肪酸产量差异研究
朱威力1,2 , 王荣2 , 龙婷3 , 石维宏3 , 瞿吉3 , 罗婵3 , 郑琛1 , 王敏2     
1. 甘肃农业大学动物科学技术学院, 兰州 730070;
2. 中国科学院亚热带农业生态研究所, 长沙 410125;
3. 湖南德农牧业集团有限公司, 湘西 416144
摘要: 本试验旨在研究玉米和大麦体外瘤胃发酵氢气、甲烷和挥发性脂肪酸产量的差异。以玉米和大麦为发酵底物,选用3只安装永久性瘤胃瘘管的湘东黑山羊作为瘤胃液供体动物,利用全自动体外模拟发酵系统进行48 h体外瘤胃发酵试验。结果表明:1)与玉米相比,大麦的粗蛋白质和中性洗涤纤维含量较高,而淀粉含量较低。2)与玉米相比,大麦的干物质降解率显著降低(P < 0.05),产气速率、起始底物降解速率均显著升高(P < 0.05);氢气的产气量、降解每克底物的产气量、潜在最大产气量、产气速率均显著升高(P < 0.05);甲烷的产气速率显著升高(P < 0.05)。3)与玉米相比,大麦的氨态氮浓度、乙丙比以及丁酸、异丁酸和戊酸浓度及比例均显著升高(P < 0.05)。结果提示,大麦的前期底物降解速率显著高于玉米,促进更多氢气累积,有助于丁酸生成。
关键词: 体外瘤胃发酵    玉米    大麦    氢气    甲烷    挥发性脂肪酸    
Differences in Hydrogen, Methane and Volatile Fatty Acids Production between Corn and Barley in in Vitro Rumen Fermentation
ZHU Weili1,2 , WANG Rong2 , LONG Ting3 , SHI Weihong3 , QU Ji3 , LUO Chan3 , ZHENG Chen1 , WANG Min2     
1. College of Animal Science and Technology, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China;
2. Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, China;
3. Hunan Denong Animal Husbandry Technology Co., Ltd., Xiangxi 416144, China
Abstract: This present study was conducted to investigate the hydrogen, methane, volatile fatty acids production in corn and barley in in vitro rumen fermentation. Rumen fluid was collected from three Xiangdong black goats fitted with permanent rumen fistula. The 48 h in vitro ruminal incubation was performed using automatic fermentation system. The results showed as follows:1) compared with corn, barley had greater crude protein (CP) and neutral detergent fiber (NDF) contents and lower starch content. 2) Compared with corn, dry matter degradation (DMD) of barley significantly decreased (P < 0.05), and the fractional rate of gas production and initial fractional rate of degradation significantly increased (P < 0.05); hydrogen production, gas produced by degradation per gram of substrate, the final asymptotic volume of hydrogen production and the fractional rate of production significantly increased (P < 0.05); fractional rate of methane production significantly increased (P < 0.05). 3) Compared with corn, ammoniacal nitrogen concentration, acetate to propionate ratio, the concentrations and percentages of butyrate, isobutyrate and valerate significantly increased (P < 0.05). In conclusion, barley has greater initial fractional rate of degradation than that of corn, which produces a large amount of hydrogen and favors butyrate production.
Key words: in vitro rumen fermentation    corn    barley    hydrogen    methane    volatile fatty acids    

淀粉是反刍动物饲粮中的主要能量来源, 具有易被瘤胃微生物消化、利用效率较高等优点, 为动物机体的维持、生长和生产提供重要的能量来源[1-3]。淀粉可以根据发酵速率分为快速降解部分和慢速降解部分, 这与淀粉颗粒大小、淀粉直链支链比和抗性淀粉含量密切相关[4]。与淀粉慢速降解部分相比, 淀粉快速降解部分的消化速率更快, 可迅速产生更多氢气, 促进甲烷生成。

玉米和大麦是反刍动物饲粮中常见的淀粉来源[5], 其中玉米中的淀粉含量较高, 通常在70%左右, 而大麦中的淀粉含量通常只有58%左右[6]。尽管玉米淀粉含量高于大麦, 但姜豇[7]的研究结果表明, 大麦的干物质有效降解率(79.8%)显著高于玉米(49.6%)。这说明大麦的淀粉降解速率显著高于玉米, 有利于氢气和甲烷的累积。另外, 氢气累积有助于丙酸和丁酸生成, 进而抑制氢的生成[8]。目前很少试验研究这2种饲料原料对氢气、甲烷和挥发性脂肪酸(VFA)产生的影响。

因此, 本试验旨在利用体外瘤胃发酵的方法, 研究玉米和大麦对干物质降解率及氢气、甲烷和VFA产生的影响, 为反刍动物合理利用玉米和大麦提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法 1.1 试验动物、饲粮及饲养管理

本试验选用3只安装永久性瘤胃瘘管的湘东黑山羊[体重(28.0±2.6) kg]作为瘤胃液供体动物。试验动物单笼饲养, 每头瘘管羊每天饲喂精料和稻草各300 g(干物质基础), 其中精料组成为玉米47%, 豆粕24%, 麸皮22%, 食盐0.77%, 石粉2.23%, 预混料4%。每千克预混料含有维生素A 1 000 000 IU, 维生素D 200 000 IU, 维生素E 1 250 IU, 锌8 000 mg, 硒80 mg, 碘120 mg, 铁2 000 mg, 钴40 mg, 锰2 500 mg和铜2 000 mg。每天分2次(08:30和18:00)等量饲喂, 自由饮水。

1.2 发酵底物

本试验以玉米和大麦(购自湖南德农牧业集团有限公司)为发酵底物, 经过65℃烘干, 磨碎后过1 mm筛, 分别装入密封袋中, 作为体外瘤胃发酵底物。

1.3 体外瘤胃发酵试验

晨饲前通过瘤胃瘘管采集新鲜瘤胃液, 迅速装入保温瓶带回实验室。参照Menke等[9]的方法配制2 000 mL人工瘤胃营养液。然后, 用6层脱脂纱布过滤采集瘤胃液, 量取500 mL过滤后的瘤胃液与人工瘤胃营养液进行混合, 用磁力搅拌器搅拌以保持瘤胃液与营养液混合均匀, 制成混合人工瘤胃培养液, 在整个过程中, 试剂瓶中不断通入纯二氧化碳以保持厌氧环境, 并且温度保持在39.5℃。

称取0.6 g的玉米或大麦放入145 mL的厌氧发酵瓶中, 然后在39.5℃的恒温培养箱中预热2 h, 然后在每个发酵瓶中加入60 mL混合人工瘤胃培养液, 最后利用Wang等[10]描述的全自动体外模拟瘤胃发酵系统开展体外发酵试验, 48 h后终止发酵。每个发酵底物(玉米和大麦)设置2个平行, 每个平行重复3次(每次所使用的瘘管羊不同)。根据发酵瓶顶部空间大小、压力与气体体积的转化系数对甲烷、氢气的产气量进行计算[11]。具体计算过程如下:

式中:△Vgi表示在ti-1ti之间甲烷和氢气的生成体积(mL); △Vggi表示气体产生并释放的气体体积(mL); △Vghi表示气体产生并存在发酵瓶顶端的气体体积(mL); Pi表示在ti时, 传感器测定的压力值(kPa); ρ表示传感器测定的压力值和气体体积的转换系数; Cgi表示在ti时, 气相色谱仪测定的气体浓度; Vgn表示t=0和tn时积累的气体体积(mL); in分别表示第i次排气和排气次数, in; Vh表示发酵瓶顶端体积(mL)。

1.4 样品采集和指标

根据AOAC(1995)[12]的方法对玉米和大麦中干物质(DM)、有机物(OM)和粗蛋白质(CP)含量进行测定; 根据Van Soest等[13]的方法测定中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤纤维(ADF)含量; 采用等温式全自动量热仪(5E-AC8018, 长沙开元仪器有限公司)对能量进行测定; 根据Kartchner等[14]的方法对淀粉含量进行测定。

48 h体外瘤胃发酵试验结束后, 取2 mL的发酵液, 在12 000×g、4℃条件下离心10 min, 取上清液。然后, 取1.5 mL的上清液加入含有0.15 mL 25%偏磷酸(w/v)的2 mL离心管中, 振荡后并排出气泡, 然后置于-20℃保存并过夜。样品在4℃条件下解冻, 12 000×g离心10 min。然后使用气相色谱仪(Agilent 7890A)测定上清液中VFA浓度[10], 根据Weatherburn[15]的方法, 测定上清液中氨态氮浓度。最后, 将剩余的发酵内容物用300目纱布过滤, 放置于铝盒中经105℃烘干至恒重, 根据发酵后干物质重量差计算干物质降解率(DMD)。

1.5 数据分析 1.5.1 产气拟合曲线

应用NLREG软件, 采用Wang等[16]提供的模型对体外瘤胃发酵产气量进行拟合, 计算公式如下:

式中:GPtt时间点底物的累积产气量(mL); VF为潜在最大产气量(mL); k为产气速率(h-1); b为曲线的形状参数。

根据Wang等[17]提供的模型, 利用拟合得到的参数计算起始底物降解速率(FRD0, h-1), 即当t=0时的底物降解速率, 计算公式如下:

式中:k为产气速率(h-1); b为曲线的形状参数。

1.5.2 数据处理

试验数据使用SPSS 19.0软件的一般线性模型进行方差分析。P < 0.05为差异显著, P>0.05为无显著差异。

2 结果与分析 2.1 玉米和大麦的常规化学成分

表 1可知, 试验中所用大麦与玉米的化学成分差异主要体现在CP、NDF、ADF和淀粉含量。与玉米相比, 大麦的CP(+66.3%)、NDF(+93.0%)和ADF含量(+84.4%)较高, 而淀粉含量(-9.5%)较低。

表 1 玉米和大麦的化学成分(干物质基础) Table 1 Chemical composition of corn and barely (DM basis) 
2.2 玉米和大麦体外瘤胃发酵参数的差异

图 1可知, 玉米和大麦的48 h产气量和产气速率曲线存在差异, 其中产气量曲线的差异主要在发酵的前30 h, 在体外发酵的前30 h, 大麦的产气量高于玉米, 之后无明显差异。在体外发酵前12 h, 大麦的产气速率明显高于玉米, 之后迅速降低。由表 2可知, 与玉米相比, 大麦的DMD显著降低(P < 0.05), 产气速率和起始底物降解率显著增加(P < 0.05), 潜在最大产气量呈现降低的变化趋势(P=0.08)。

表 2 玉米和大麦48 h体外瘤胃发酵干物质降解率和气体生成曲线参数的差异 Table 2 Differences in 48 h DMD and parameters of gas production curve between corn and barley in in vitro rumen fermentation
图 1 玉米和大麦体外瘤胃发酵48 h产气量和产气速率曲线的差异 Fig. 1 Differences in kinetics of 48 h gas production and fractional rate of gas production between corn and barley in in vitro rumen fermentation
2.3 玉米和大麦48 h氢气和甲烷生成的差异

图 2可知, 玉米和大麦的48 h氢气产气量和氢气产气速率曲线存在差异。其中大麦的氢气产量在48 h体外发酵过程中一直高于玉米。在体外发酵的前12 h, 大麦的氢气产气速率明显高于玉米, 之后迅速降低。由表 3可知, 与玉米相比, 大麦的氢气产气量、潜在最大产气量、降解每克底物的产气量和产气速率显著提高(P < 0.05)。

表 3 玉米和大麦48 h体外瘤胃发酵氢气和甲烷生成的差异 Table 3 Differences in 48 h hydrogen and methane production between corn and barley in in vitro rumen fermentation
图 2 玉米和大麦体外瘤胃发酵48 h氢气产量和产气速率曲线的差异 Fig. 2 Differences in kinetics of 48 h hydrogen gas production and fractional rate of gas production between corn and barley in in vitro rumen fermentation

图 3可知, 玉米和大麦的48 h甲烷产气量和甲烷产气速率曲线存在差异。其中甲烷产量曲线的差异主要在发酵的前36 h, 在体外发酵的前36 h, 大麦的甲烷产气量高于玉米, 之后无明显差异。在体外发酵的前12 h, 大麦的甲烷产气速率明显高于玉米, 之后迅速降低。由表 3可知, 与玉米相比, 大麦的甲烷产气速率显著提高(P < 0.05)。

图 3 玉米和大麦体外瘤胃发酵48 h甲烷产气量和产气速率曲线的差异 Fig. 3 Differences in kinetics of 48 h methane gas production and fractional rate of gas production between corn and barley in in vitro rumen fermentation
2.4 玉米和大麦48 h挥发性脂肪酸生成的差异

表 4可知, 与玉米相比, 大麦的氨态氮浓度、乙酸比例、乙丙比以及丁酸、异丁酸、戊酸浓度及比例显著提高(P < 0.05), 丙酸浓度及比例显著降低(P < 0.05)。

表 4 玉米和大麦对48 h体外瘤胃发酵氨态氮和挥发性脂肪酸生成的影响 Table 4 Differences in NH3-N and VFA production between corn and barley in in vitro rumen fermentation
3 讨论 3.1 玉米和大麦的常规化学成分

谷物饲料富含淀粉, 除此之外, 还含有NDF、ADF和CP等[18-19]。但由于谷物饲料来源不同, 会导致这些化学成分不同。在Larsen等[20]的研究结果中, 玉米和大麦的淀粉含量分别为712和558 g/kg, NDF含量分别为183和99 g/kg, CP含量分别为96和133 g/kg, 这与本试验测定的结果相接近。而在姜豇[7]的研究结果中, 玉米和大麦的淀粉含量分别为625和498 g/kg。

3.2 玉米和大麦体外瘤胃发酵参数的差异

饲粮在瘤胃微生物的作用下降解并产生大量的气体, 其中产气量和消化率可以作为衡量饲粮在瘤胃内可发酵程度的重要指标[21]。当饲粮中富含容易发酵的非结构性碳水化合物时, 会有助于其被微生物降解, 产生更多的气体[22-23]。与玉米相比, 大麦的产气速率显著升高, 这是因为大麦中淀粉的快速降解部分较高[24], 有助于快速降解并产生大量的气体[25], 这也与大麦的前期底物降解速率显著升高相一致。另外, 玉米中的玻璃体胚乳蛋白质基质也会增加淀粉难以降解的程度[26]。有研究表明, 大麦中淀粉的快速降解部分为88.35%, 而玉米只有39.71%[7]。但是大麦中的纤维含量高于玉米, 当大麦中的淀粉降解之后, 降解速率会显著降低, 最终导致干物质消失率降低, 这与潜在最大产气量降低相一致[27]

3.3 玉米和大麦48 h氢气和甲烷生成的差异

碳水化合物在瘤胃发酵的过程中会伴随着氢的产生[8], 氢在瘤胃内可以转变成氢气, 氢气主要分为溶解态氢气和气态氢气[11], 其中溶解态氢气会被甲烷菌利用合成甲烷[28], 以维持瘤胃内较低的氢气分压, 从而保障机体正常的代谢活动。溶解态氢气是连接饲粮降解、甲烷、挥发性脂肪酸和微生物的重要中间体[29]。在本试验结果中, 与玉米相比, 大麦的氢气产气量和产气速率显著提高。这是因为在发酵前期, 大麦中淀粉迅速降解, 从而导致大量氢气产生, 当氢气的产气速率超过甲烷菌的利用程度时, 就会导致积累, 未被甲烷菌利用的溶解态氢气就会转变为气态氢气, 释放到空气中。

有研究表明, 氢气浓度的升高会刺激甲烷菌的增殖和对氢气的利用[30-31], 从而增加甲烷的生成。但是, 在本研究中, 甲烷产气速率虽然显著增加, 但是甲烷产气量却没有显著变化。这可能是因为大麦只是显著提高了发酵前期(前12 h)氢气的产气速率, 随着大麦中淀粉的不断降解, 发酵12 h后, 氢气产气速率明显下降, 同时甲烷产气速率也明显下降, 最终导致甲烷产气量没有显著变化。

3.4 玉米和大麦48 h挥发性脂肪酸生成的差异

瘤胃中挥发性脂肪酸组分的差异主要与饲粮中可发酵碳水化合物组分的差异密切相关[32]。有研究表明, 饲粮中的纤维有助于乙酸的生成, 而淀粉有助于丙酸的生成[33-35]。在本研究中, 大麦显著增加了乙酸和丁酸的生成, 降低了丙酸的生成, 这可能主要是与大麦中较低的淀粉含量和较高的纤维含量密切相关。但是, Cone[36]研究发现, 大麦在体外发酵初期的丙酸比例显著高于玉米。而在Wang等[37]的24 h体外瘤胃发酵试验中, 玉米和大麦的乙酸和丙酸生成量没有显著差异。这可能是因为, 与玉米相比, 大麦在发酵初期以淀粉发酵为主, 发酵速度快, 导致大量氢气产生, 而氢气积累有助于丁酸的生成。

在本试验中, 与玉米相比, 大麦的异丁酸、戊酸浓度和比例显著升高, 这可能是与大麦中较高的CP含量有关。Getachew等[38]研究表明, 饲粮中的CP水平会直接影响戊酸生成。CP在瘤胃内快速降解成氨基酸和小肽, 然后在微生物作用下降解产生异丁酸和戊酸的过程中会伴随着氨态氮的生成, 这也是导致大麦显著增加氨态氮浓度的重要原因[38]

4 结论

与玉米相比, 大麦中的可快速发酵淀粉提高了产气速率和前期底物降解速率, 并在发酵前期产生更多氢气, 这有助于丁酸的生成。大麦中含有较高的CP, 这会有助于氨态氮、异丁酸和戊酸的生成。

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