动物营养学报    2020, Vol. 32 Issue (9): 4462-4470    PDF    
体外产气法和尼龙袋法评价北方7个品种小麦秸秆饲用价值及有效降解率模型预测
程景 , 张丹丹 , 李博 , 靳光 , 王栋才 , 徐芳 , 孙锐锋 , 梁圆 , 张元庆     
山西农业大学(山西省农业科学院)动物科学学院, 太原 030032
摘要: 本试验旨在通过体外产气法和尼龙袋法对北方7个品种小麦秸秆饲用价值进行评定,并建立有效降解率(ED)预测模型。采用体外产气法测定72 h动态产气量(GP)和发酵参数,并计算产气参数;采用尼龙袋法测定干物质降解率(DMD)、中性洗涤纤维降解率(NDFD)、酸性洗涤纤维降解率(ADFD),计算降解参数。结果表明:1)晋麦90的72 h GP最高,晋麦90的体外干物质消化率(IVDMD)显著高于其他品种(P < 0.05);7种小麦秸秆发酵液氨态氮(NH3-N)含量在23.18~28.57 mg/mL,发酵液pH在6.77~6.97。菏麦0746-2发酵液的乙酸、丙酸、丁酸、总挥发性脂肪酸含量显著高于其他品种(P < 0.05),鲁研897发酵液的乙酸/丙酸显著低于其他品种(P < 0.05)。2)尼龙袋试验中,晋麦90的DMD、NDFD、ADFD及快速降解部分、慢速降解部分、ED均最高,显著高于其他品种(P < 0.05)。3)以IVDMD和GP预测的ED的回归方程为:ED=-18.993+0.306IVDMD+0.660GP(R2=0.884,P=0.013),以DMD预测的ED的回归方程为:ED=4.046+0.552DMD(R2=0.990,P < 0.001)。综上所述,与其他6个品种相比,晋麦90的饲用价值相对较高,容易发酵、易于消化,但纤维含量高,在饲粮中添加比例不宜过大。基于ED和IVDMD、GP、DMD的强相关性,建立ED的预测模型,可快速、有效地评价小麦秸秆ED,为其营养价值评定提供参考。
关键词: 小麦秸秆    饲用价值    体外产气法    尼龙袋法    有效降解率    
Evaluation on Feeding Value of 7 Kinds of Wheat Straws in North by in Vitro Gas Production and Nylon Bag Methods and Prediction Model of Effective Degradation
CHENG Jing , ZHANG Dandan , LI Bo , JIN Guang , WANG Dongcai , XU Fang , SUN Ruifeng , LIANG Yuan , ZHANG Yuanqing     
College of Animal Science, Shanxi Agricultural University(Shanxi Academy of Agricultural Science), Taiyuan 030032, China
Abstract: In this experiment, the feeding value of 7 varieties of wheat straws in north were evaluate by in vitro gas production and nylon bag methods, and to build the prediction model of effective degradation (ED). The 72 h dynamic gas production (GP) and fermentation parameters were determined by gas production method, and the gas production parameters were calculated. The dry matter degradation (DMD), neutral detergent fiber degradation (NDFD) and acid detergent fiber degradation (ADFD) were measure using nylon bag method, and the degradation parameters were calculated. The results showed as follows:1) the 72 h GP of Jinmai 90 was the highest, and the in vitro dry matter degradation (IVDMD) of Jinmai 90 was significant higher than that of others varieties (P < 0.05). The contents of ammonia nitrogen (NH3-N) in fermentation broth of 7 varieties of wheat straws were 23.18 to 28.57 mg/mL, and the fermentation broth pH were 6.77 to 6.97. The contents of acetic acid, propionic acid, butyric acid and total volatile fatty acid in fermentation broth of Hemai 0746-2 were significantly higher than those of others varieties (P < 0.05), and the acetic acid/propionic acid in fermentation broth of Luyan 897 was significantly lower than that of others varieties (P < 0.05). 2) In the experiment of nylon bag, the DMD, NDFD, ADFD and rapidly degraded fraction, slowly degraded fraction, ED of Jinmai 90 were the highest, and significantly higher than those of others varieties (P < 0.05). 3) The regression equation for ED predicted by IVDMD and GP was:ED=-18.993+0.306IVDMD+0.660GP (R2=0.884, P=0.013), and the regression equation for ED predicted by DMD was:ED=4.046+0.552DMD (R2=0.990, P < 0.001). In conclusion, compared with other 6 varieties, Jinmai 90 has high feeding value, and easy to fermentation and digestion, but has high fiber content, which is recommended to be used in small amounts in the diet. Based on the strong correlation between the ED and IVDMD, GP, DMD, the ED of wheat straws can be evaluated quickly and effectively by ED prediction model, which provides a reference for the nutritional value assessment.
Key words: wheat straw    feeding value    in vitro gas production method    nylon bag method    effective degradation    

小麦作为一种传统的粮食作物,广泛种植于我国河南、河北、山西、河北等地[1]。小麦是世界上种植面积最大的作物之一,也是我国三大粮食作物之一。据《中国统计年鉴》,2018年我国小麦播种面积为2 426.6万km2,占全国农作物播种面积的14.63%。小麦品种种类繁多,农民根据当地气候、土壤等需求选择种植,如晋麦99为山西省旱地小麦主推品种之一,在山西一个生长季种植面积在3 000亩(1亩≈666.67 m2)以上;烟1212具有高产、抗寒抗旱、抗病、抗干热风、抗倒伏等突出优点,在全国快速、大面积推广,在全国每生长季种植面积在4 000万亩以上。

小麦种植面积广,产量丰富,据国家粮油信息中心预测,2019年我国小麦秸秆产量将达到1.34亿t。小麦秸秆采用遗弃甚至焚烧的处理方式,造成资源浪费、环境污染,若直接还田可带来清除杂草困难、土壤过度蓬松等问题。随着我国牛、羊等反刍动物饲养的快速发展,粗饲料供需缺口日益增大,充分开发利用本地粗饲料资源是形势所致,小麦秸秆价格低廉、种类繁多、来源广泛,因此小麦副产品的质量也受到越来越多人的关注。小麦秸秆营养价值相对低,口感粗糙,并非理想的粗饲料来源[2]。目前,鲜有对不同品种小麦秸秆营养价值评价的报道,人们对小麦秸秆在肉牛中的应用研究也较少。体外产气法和尼龙袋法已广泛应用于饲料饲用价值的评价[3-4],通过以上所述2种方法对不同小麦品种进行系统的营养价值评定,探讨其做为牛、羊等反刍动物饲料的利用价值,对理论和实践均有重要意义。因此,本试验旨在研究山西省小麦主产区7个品种小麦秸秆的营养价值及其在肉牛瘤胃中的降解规律,并建立有效降解率(effective degradation,ED)的预测模型,为小麦秸秆在肉牛生产中的合理利用和饲料资源的开发提供理论依据和数据支持。

1 材料与方法 1.1 试验材料

本试验所用的小麦秸秆采自山西省临汾市洪洞县,采集时间为2018年6月7日,即小麦腊熟期使用镰刀收割,自然晾晒风干后,65 ℃烘箱烘干后粉碎,样品过40目筛,密封,放置阴凉处备用。

1.2 试验动物和饲养管理

试验采用单因子试验设计,选择4头体况良好、体重(553.7±36.4) kg、安装永久性瘤胃瘘管的晋南阉牛。试验牛饲粮按《肉牛营养需要和饲养标准》制定,饲粮精粗比40 : 60,按照山西省农业科学院畜牧兽医研究所试验牛场日常饲养管理方式饲养。

1.3 试验方法 1.3.1 体外产气试验

人工瘤胃缓冲溶液参照Menke等[5]的方法新鲜配制,人工瘤胃缓冲液各组分组成见表 1。按顺序依次蒸馏水400 mL,A液0.1 mL,B液200 mL,C液200 mL,刃天青1 mL,还原剂溶液40 mL。充分混匀后通入CO2并预热至39 ℃待用,直至溶液颜色变淡或无色透明。晨饲前2 h采集4头瘘管晋南牛瘤胃液各500 mL,用4层纱布过滤后混匀,与人工瘤胃缓冲液混合(瘤胃液与人工瘤胃缓冲液配比为1 : 2)制成人工瘤胃培养液,同时通入无氧CO2直至溶液褪为无色。

表 1 人工瘤胃缓冲液各组分组成 Table 1 Composition of components of artificial rumen buffer

称取0.22 g培养底物置于培养管底端,每组3个重复,试验共重复3个批次,每批次设3个空白对照。各培养管分别加入30 mL人工瘤胃培养液,将玻璃注射器内空气排尽,于39 ℃摇床连续培养72 h,试验共重复3个批次。分别于发酵0、1、2、3、4、6、8、10、12、16、20、24、28、32、36、40、48、54、60、72 h记录产气量(gas production,GP),发酵72 h后将样品从水浴摇床中取出后迅速置于冰水中以终止发酵。将发酵液排出至50 mL离心管中,4 ℃、5 400 r/min,离心15 min提取上清液,测定pH后,-20 ℃保存,用于测定氨态氮(NH3-N)、挥发性脂肪酸(VFA)含量,反应后残渣用蒸馏水清洗3遍,于65 ℃烘箱中烘干至恒重,用于计算体外干物质消化率(IVDMD)。

1.3.2 尼龙袋试验

称取2 g左右样品装入尼龙袋(12 cm×6 cm,50 μm孔径)中,要求精确到0.000 1 g,每个样品每时间点设置3个重复。放入装有永久性瘤胃瘘管的晋南阉牛的瘤胃中,在发酵时间为0、4、8、16、24、36、48、72 h取出尼龙袋,冰水终止反应后用自来水冲洗尼龙袋直到水澄清,于65 ℃烘箱中烘干至恒重。

1.3.3 常规营养成分测定

发酵底物、发酵72 h残渣、尼龙袋试验残渣的干物质(DM)、粗灰分(Ash)、粗蛋白质(CP)、粗脂肪(EE)、可溶性糖(WSS)含量的测定参照AOAC(2000)[6]的方法;中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤纤维(ADF)含量的测定参照Van Soest等[7]的方法,采用ANKOM A200i纤维分析仪(美国ANKOM公司)测定。

1.4 参数模拟

体外发酵模型计算产气参数:

式中:GPt时间点0.22 g底物某一营养成分的产气量(mL);b为0.22 g底物的理论最大产气量(mL);c为产气速度(h-1);t为体外培养时间(h);Lag为延滞期(h)。

饲料营养物质的瘤胃降解参数计算公式[9]如下:

式中:P(t)为t时间点干物质消化率(%);a为快速降解部分含量(%);b为慢速降部分含量(%);t为饲料在瘤胃中留滞时间(h);c为慢速降解部分的降解速率(%/h);ED为饲料中营养物质有效降解率(%);k为待测饲料的瘤胃流通速率(%/h),k=0.025 3[7]

IVDMD计算公式:

式中:A为待测小麦秸秆IVDMD;B为样品中待测小麦秸秆DM含量(%);C为残渣中待测小麦秸秆DM含量(%)。

1.5 统计分析

试验数据采用平均值±标准差表示。用Excel 2010进行数据整理,SPSS 21.0进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan氏法多重比较。P < 0.05为差异显著。

2 结果 2.1 7种小麦秸秆的常规营养成分

表 2可知,7种小麦秸秆的DM含量均达到90%以上,烟1212的DM含量最高(96.06%);菏麦0746-2的NDF含量最高(68.67%),而中麦5051的NDF含量最低(63.53%);冀麦659的ADF含量最高(42.26%),而晋麦90的ADF含量最低(36.60%);7种小麦秸秆的CP含量在3.16%~5.42%,以良星99的CP含量最高(5.42%);烟1212的EE含量最低(1.13%);良星99的粗灰分含量最高(12.35%),而鲁研897的粗灰分含量最低(9.73);菏麦0746-2的WSS含量最高(5.02%),而良星99的WSS含量最低(2.78%)。

表 2 7种小麦秸秆的常规营养成分(风干基础) Table 2 Conventional nutritional composition of 7 kinds of wheat straw (air-dry basis) 
2.2 7种小麦秸秆的体外GP、相关参数及IVDMD

图 1所示,7种小麦秸秆体外发酵过程均包括2个阶段,前期的产气速度较快,随后速度减慢直至达到平台期。72 h内总GP均呈递增趋势。

图 1 7种小麦秸秆体外发酵GP Fig. 1 Gas production of 7 kinds of wheat straws

表 3可知,7种小麦秸秆的72 h GP和理论最大产气量的结果基本一致,且均以晋麦90最高。通过模型预测的理论最大产气量除烟1212外,均大于实际GP。晋麦90的理论最大产气量最高(53.55 mL),且显著高于良星99(P < 0.05),与其他品种差异不显著(P>0.05);良星99的产气速度最高,显著高于菏麦0746-2和中麦5051(P < 0.05),与其他品种差异不显著(P>0.05);良星99的延滞期最长,显著高于菏麦0746-2、中麦5051和鲁研897(P < 0.05),与其他品种差异不显著(P>0.05)。晋麦90的IVDMD最高(62.86%),且显著高于其他品种(P < 0.05)。良星99的发酵液NH3-N含量最高(28.57 mg/mL),显著高于冀麦659和晋麦90(P < 0.05),与其他品种差异不显著(P>0.05)。发酵72 h后,发酵液pH在6.77~6.97,良星99的发酵液pH最高(6.97),显著高于冀麦659和菏麦0746-2(P < 0.05),与其他品种差异不显著(P>0.05)。

表 3 7种小麦秸秆的IVDMD、降解参数和产气参数 Table 3 IVDMD, degradation parameters and gas production parameters of 7 kinds of wheat straws
2.3 7种小麦秸秆的发酵液VFA含量

表 4可知,7种小麦秸秆体外发酵72 h后,发酵液的总挥发性脂肪酸(TVFA)含量为菏麦0746-2>中麦5051>晋麦90>烟1212>良星99>冀麦659>鲁研897。菏麦0746-2发酵液的乙酸、丙酸、丁酸、总挥发性脂肪酸含量显著高于其他品种(P < 0.05);鲁研897发酵液的乙酸/丙酸最低,显著低于其他品种(P < 0.05)。

表 4 7种小麦秸秆的发酵液VFA含量 Table 4 Fermentation broth VFA content of 7 kinds of wheat straws
2.4 尼龙袋试验结果

表 5可知,尼龙袋法测定7种小麦秸秆72 h时干物质降解率(DMD)、中性洗涤纤维降解率(NDFD)、酸性洗涤纤维降解率(ADFD)均以晋麦90最高,且显著高于其他品种(P < 0.05)。

表 5 7种小麦秸秆的DMD、NDFD和ADFD Table 5 DMD, NDFD and ADFD of 7 kinds of wheat straws 

表 6可知,根据模型计算降解参数,晋麦90的快速降解部分、慢速降解部分和ED均最高,且显著高于其他品种(P < 0.05)。

表 6 7种小麦秸秆的瘤胃降解参数 Table 6 Rumen degradation parameters of 7 kinds of wheat straws
2.5 体外产气法与尼龙袋法相关性分析

表 7可知,7种小麦秸秆72 h的ED与IVDMD、GP呈显著正相关(P < 0.05),相关系数分别为0.843、0.807;ED与DMD呈极显著正相关(P < 0.01),相关系数为0.995。

表 7 ED与IVDMD、DMD、GP的相关性 Table 7 Correlation between ED and IVDMD, DMD and GP

表 8可知,以IVDMD和GP预测的ED的回归方程为:ED=-18.993+0.306IVDMD+0.660GP (R2=0.884,P=0.013),以DMD预测的ED的回归方程为:ED=4.046+0.552DMD (R2=0.990,P < 0.001)。

表 8 IVDMD、GP和DMD预测ED的回归方程 Table 8 Regression equations for ED predicted by IVDMD, GP and DMD
3 讨论 3.1 7种小麦秸秆的常规营养成分

7种小麦秸秆的常规营养成分各不相同,其差异与品种、成熟时间等有关。本试验中,7种小麦秸秆的DM含量在92.64%~96.06%,均高于于胜晨等[2]的研究结果。由于小麦收割期已处于小麦完熟期的后期,同时因夏季采样,小麦秸秆水分流失较多。小麦秸秆的CP、NDF、ADF含量直接影响其饲用价值。本试验中,7种小麦秸秆的CP含量在3.16%~5.42%,这与孟梅娟等[10]的研究结果一致,但低于于胜晨等[2]报道的7.8%;NDF含量在64.88%~68.40%,ADF含量在36.60%~42.26%,这与于胜晨等[2]、孟梅娟等[10]的研究结果一致;EE含量在1.10%~2.58%,与魏晨等[1]的研究结果一致。由此可见,小麦秸秆的CP含量低,纤维和Ash含量高,在一定程度上限制了其在生产中的应用,但小麦产量高,可作为辅助性粗饲料配合使用。

3.2 不同品种小麦秸秆体外GP和发酵参数的差异

体外产气法是国际上常用的饲草料资源饲用价值的评定方法,通过GP较真实地模拟反刍动物瘤胃中有机物质的消化水平[11-12]。饲料中可发酵的有机物含量越高,GP越高。但是单纯依赖体外GP不能直接衡量饲料的降解程度,还需要结合IVDMD等指标来综合评定。粗饲料的DMD受纤维含量和木质化程度的影响,可反映粗饲料体内消化降解的难易程度[13]。本试验中,72 h GP以晋麦90最高,说明晋麦90含有较多的可发酵碳水化合物和易发酵成分,因良星99的Ash含量高导致其GP低。7种小麦秸秆的IVDMD差异较大(47.95%~62.86%),可见其在瘤胃中的发酵利用程度各不相同。马君军[14]认为饲粮的消化率和体外瘤胃发酵培养时GP高度相关,饲粮在瘤胃内的降解率越高,GP越大。但本试验条件下,良星99的72 h GP最低,IVDMD却处于居中水平,这与其CP含量高有关,导致IVDMD提高。

反刍动物瘤胃液的pH可反映瘤胃内环境状态,主要影响因素为碱性物质(如NH3-N)和有机酸。菏麦0746-2的pH最低,和其发酵液中TVFA含量高有关。同时发酵底物的营养成分也会影响发酵液pH,良星99的CP含量最高,WSS含量最低,因此其pH最高。

瘤胃中氮留存率是评价反刍动物饲料蛋白质利用率的重要标志[15]。本试验结果中良星99的发酵液中NH3-N含量最高,晋麦90最低。一是因为良星99的CP含量最高,晋麦90的CP含量最低,这与马露等[16]研究结果一致;二是良星99的GP最低,晋麦90的GP最高,说明良星99可发酵碳水化合物含量低,而晋麦90的可发酵碳水化合物含量高,偏少时限制微生物的活性和对NH3-N的摄取和转化。

3.3 不同小麦秸秆体外发酵液VFA含量的差异

瘤胃发酵所产生的VFA可满足牛生活生产所需能量的65%左右,其中乙酸、丙酸、丁酸等VFA是瘤胃碳水化合物发酵的主要产物,约占TVFA的95%,VFA的主要作用是为动物生产提供能量以及维持瘤胃环境[17]。本试验条件下,菏麦0746-2的乙酸、丙酸和丁酸含量显著高于其他几个品种,表明菏麦0746-2中碳水化合物发酵较为完全。各品种小麦秸秆体外发酵液中乙酸/丙酸相差不多,且本试验条件下的小麦秸秆体外发酵液中乙酸/丙酸与苜蓿青贮、苜蓿干草等相比均较低[18],这与小麦秸秆本身与苜蓿青贮、苜蓿干草等优质饲草相比碳水化合物含量低密切相关。

3.4 尼龙袋法评价不同小麦秸秆营养物质降解率

反刍动物干物质采食量与粗饲料的DMD呈正相关[18]。本试验中,晋麦90的DMD最高,表明该品种小麦秸秆易被消化利用,这与体外产气试验结果一致。NDFD和ADFD是评价反刍动物饲料纤维品质的重要指标。本试验中,晋麦90的纤维利用率最高,72 h体内NDFD和ADFD均达到57%以上,与大豆秸秆、羊草等相近[14, 19]。7种小麦秸秆的快速降解部分在7.76%~10.14%,远低于全株玉米青贮、苜蓿青贮、燕麦草等,这与其CP、EE、非结构性碳水化合物含量低有关[19-20];慢速降解部分在45.34%~73.26%,远高于全株玉米青贮、苜蓿青贮、燕麦草等,这与其结构性碳水化合物含量高有关[13-14, 19]

3.5 体外产气法与尼龙袋法测定干物质降解率相关性分析

马绍楠等[20]研究结果表明,随产气时间增加,GP与ED相关性逐渐减弱,GP24 h与ED相关性最高,且以GP24 h建立的预测ED的方程显著。本试验中半体内消化72 h时,ED与IVDMD、GP呈显著正相关,与DMD呈极显著正相关。以IVDMD和GP预测的ED的方程为:ED=-18.993+0.306IVDMD+0.660GP (R2=0.884,P=0.013),可在相关试验中通过体外产气法中的72 h的IVDMD和GP估算ED;以DMD预测的ED的方程为:ED=4.046+0.552DMD(R2=0.990,P < 0.001),在尼龙袋试验中可通直接使用72 h的DMD估算ED,而减去了根据不同时间点的降解率来计算ED的繁琐。

4 小结

① 各品种小麦秸秆的营养价值和体外降解特性存在差异,从整体来看,小麦秸秆仍可作为反刍动物粗饲料的可靠来源。

② 与其他品种相比,晋麦90营养价值相对较好,容易发酵、易于消化,具有一定的优势,更适用于作为反刍动物粗饲料使用,但纤维含量高,在饲粮中添加比例不宜过大。

③ 基于ED与IVDMD、GP、DMD的强相关性,建立了ED的预测模型,可快速、有效地评价小麦秸秆ED,为评定小麦秸秆营养价值提供参考。

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