动物营养学报    2021, Vol. 33 Issue (7): 3980-3993    PDF    
玉米品种和淀粉老化处理对其红外光谱结构与体外发酵参数的影响
陈凯1,2 , 江为民3 , 贺志雄1,4 , 贺建华2 , 谭支良1,4     
1. 中国科学院亚热带农业生态研究所, 亚热带农业生态过程重点实验室, 畜禽养殖污染控制与资源化技术国家工程实验室, 湖南省动物营养生理与代谢过程重点实验室, 农业部中南动物营养与饲料科学观测实验站, 长沙 410125;
2. 湖南农业大学动物科学技术学院, 长沙 410128;
3. 湖南省畜牧兽医研究所, 长沙 410131;
4. 中国科学院大学, 北京 100049
摘要: 本试验旨在研究不同玉米品种[普通玉米和高直链淀粉玉米(简称高直玉米)]和淀粉老化处理对其营养成分、傅里叶变换红外光谱(FTIR)分子结构以及体外发酵参数的影响,并探索玉米FTIR分子结构参数与体外发酵特征的相关关系。结果表明,玉米品种和淀粉老化处理对部分FTIR结构参数、体外发酵总挥发性脂肪酸(VFA)含量和丁酸占比存在显著交互作用(P < 0.05),老化前高直玉米β-葡聚糖峰高、纤维化合物面积和峰高以及碳水化合物Ⅲ区面积显著高于普通玉米(P < 0.05);老化后高直玉米的丁酸占比显著低于普通玉米(P < 0.05),老化后高直玉米总VFA含量和丁酸占比显著低于老化前普通玉米(P < 0.05),但是老化后高直玉米与普通玉米在FTIR分子结构方面没有显著差异(P>0.05)。高直玉米丙酸占比显著高于普通玉米(P < 0.05),而总产气量、甲烷产气量和氢气产气量显著低于普通玉米(P < 0.05);淀粉老化处理显著降低了总产气量、甲烷产气量、氢气产气量、干物质降解率和丙酸占比(P < 0.05),而显著提高了乙酸占比(P < 0.05)。相关性分析结果显示,总产气量与酰胺Ⅰ区峰高、酰胺Ⅰ区与酰胺Ⅱ区峰高比、纤维化合物峰高以及总碳水化合物区域结构呈显著负相关(P < 0.05),与酰胺Ⅱ区面积和峰高呈显著正相关(P < 0.05);干物质降解率与酰胺Ⅱ区峰高、酰胺Ⅰ区与酰胺Ⅱ区峰高比、纤维化合物峰高、碳水化合物Ⅰ区面积、碳水化合物Ⅰ区与Ⅱ区峰高呈显著负相关(P < 0.05);乙酸占比与酰胺Ⅰ区峰高、酰胺Ⅰ区与酰胺Ⅱ区峰高比、纤维化合物峰高和总碳水化合物区域结构呈显著正相关(P < 0.05),与β-葡聚糖面积和峰高呈显著负相关(P < 0.05);总VFA含量与酰胺Ⅱ区面积和峰高呈显著正相关(P < 0.05),与酰胺Ⅰ区峰高、酰胺Ⅰ区与酰胺Ⅱ区面积比和峰高比、纤维化合物峰高以及总碳水化合物区域结构呈显著负相关(P < 0.05)。综上所述,不同玉米品种和淀粉老化处理改变了FTIR分子结构以及体外发酵参数;体外发酵总VFA生成、干物质降解率和气体产气量与FTIR分子结构(除酰胺Ⅱ区外)呈负相关,而与酰胺Ⅱ区呈正相关。
关键词: 高直链淀粉玉米    傅里叶变换红外光谱结构    淀粉老化    体外发酵    相关性    
Effects of Corn Variety and Starch Retrogradation on Infrared Spectroscopy Structure and in Vitro Fermentation Parameters
CHEN Kai1,2 , JIANG Weimin3 , HE Zhixiong1,4 , HE Jianhua2 , TAN Zhiliang1,4     
1. Central South Scientific Observing and Experimental Station of Animal Nutrition and Feed, Ministry of Agriculture, Hunan Provincial Key Laboratory of Animal Nutritional Physiology and Metabolic Process, National Engineering Laboratory for Pollution Control and Waste Utilization in Livestock and Poultry Production, Key Laboratory for Agro-Ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, The Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, China;
2. College of Animal Science and Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China;
3. Hunan Institute of Animal and Veterinary Science, Changsha 410131, China;
4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: The experiment was conducted to analyze different corn varieties (normal corn and high amylose corn) and starch retrogradation on feed nutrients, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) molecular structure and in vitro fermentation parameters, and to explore the correlation between FTIR molecular structure parameters and in vitro fermentation characteristics of corns. The results showed that there were significant interactions between corn variety and starch retrogradation on sectional FTIR structure parameters, total volatile fatty acid (VFA) content and the butyrate proportion in in vitro fermentation (P < 0.05). Compared with the normal corn, the β-glucan peak height, the area and peak height of cellulosic compounds and carbohydrate peak Ⅲ area in the high amylose corn before retrogradation were significantly increased (P < 0.05), but the butyrate proportion in the high amylose corn after retrogradation was significantly decreased (P < 0.05). Compared with the normal corn before retrogradation, total VFA content and the butyrate proportion in the high amylose corn after retrogradation were significantly reduced (P < 0.05), but there was no significant difference in FTIR molecular structure between the normal corn and the high amylose corn after retrogradation (P < 0.05). Compared with the normal corn, the propionate proportion in the high amylose corn was significantly increased (P < 0.05), but the total gas production, methane production and hydrogen production were significantly reduced (P < 0.05). Starch retrogradation significantly reduced the total gas production, methane production, hydrogen production, dry matter degradation rate and propionate proportion (P < 0.05), and significantly increased the acetate proportion (P < 0.05). The correlation analysis results showed that the total gas production was negatively correlated with the amide Ⅰ peak height, peak height ratio of amide Ⅰ to amide Ⅱ, cellulosic compound peak height and total carbohydrate domain structure (P < 0.05), while it was positively correlated with the area and peak height of amide Ⅱ (P < 0.05). The dry matter degradation rate was negatively correlated with the amide Ⅱ peak height, peak height ratio of amide Ⅰ to amide Ⅱ, cellulosic compound peak height, carbohydrate Ⅰ area, peak height of carbohydrate Ⅰ and carbohydrate Ⅱ (P < 0.05). The acetate proportion was positively correlated with the amide Ⅰ peak height, peak height ratio of amide Ⅰ to amide Ⅱ, cellulosic compound peak height and total carbohydrate domain structure (P < 0.05), while it was negatively correlated with the area and peak height of β-glucan (P < 0.05). The total VFA content was positively correlated with the area and peak height of amide Ⅱ, while it was negatively correlated with the amide Ⅰ peak height, area and peak height ratio of amide Ⅰ to amide Ⅱ, cellulosic compound peak height and total carbohydrate domain structure (P < 0.05). In conclusion, there are differences in FTIR molecular structure and in vitro fermentation parameters as affected by different corn varieties and starch retrogradation. The total VFA produce, dry matter degradation rate and gas production in vitro were negatively correlated with the FTIR molecular structure except for amide Ⅱ, but were positively correlated with amide Ⅱ.
Key words: high amylose corn    Fourier transform infrared spectroscopy    starch retrogradation    in vitro fermentation    correlation    

直链淀粉是D-葡萄糖基以α-(1, 4)糖苷键连接的多糖链,支链淀粉中葡萄糖分子之间除了以α-(1, 4)糖苷键相连外,其支链是以α-(1, 6)糖苷键相连[1]。玉米籽粒中直链淀粉占总淀粉的比例在55%~85%的玉米称之为高直链淀粉玉米(简称高直玉米),与普通玉米相比,高直玉米在食品、医药和环境保护等领域具有更广泛的应用[2],但是高直玉米在反刍动物上的研究相对较少。目前,在饲料生产中以玉米-豆粕型为主,然而高谷物饲粮由于其易降解,在瘤胃中快速发酵,使挥发性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA)堆积,易造成亚急性瘤胃酸中毒,对反刍动物健康发育产生不利影响,并阻碍反刍动物的正常生长[3]。直链淀粉含量高的玉米在瘤胃的发酵缓慢,相比于快速降解的普通玉米,高直玉米可能具有一定程度上缓解瘤胃酸中毒的功能[4]

反刍动物精饲料的加工方式主要包括淀粉糊化、压片和制粒等,饲料加工方式对其在瘤胃内停留时间及其饲料利用率都有显著影响[5]。在体外试验中,淀粉通常可以分为快速消化淀粉、缓慢消化淀粉和抗性淀粉,在消化道中的消化酶不能分解抗性淀粉,只能在瘤胃或者大肠微生物发酵作用下分解为VFA,再被机体利用[6]。淀粉通过蒸汽糊化后,呈现高能无序的状态,溶解度低,在长时间低温条件下易沉淀析出,变成凝胶结晶化,分子重新回到有序的状态,此现象为淀粉的回生,又称之为淀粉老化[7]。淀粉老化过程伴随着抗性淀粉的形成,抗性淀粉能有效抵抗消化酶的消化,难以被降解[8]

傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)仪可以在细胞分子水平检测植物性食品和饲料的分子结构,通过计算样品分子图谱的峰面积和峰高度,来比较分子结构差异[9]。FTIR属分子振动光谱,大多数是处于基态的分子振动跃迁而产生,通过不同的分子伸缩振动,显示不同的特征吸收峰强度,试验主要包括蛋白质区域(酰胺Ⅰ区、酰胺Ⅱ区)、非淀粉碳水化合物区域(β-葡聚糖区域、纤维化合物区域)和总碳水化合物区域(碳水化合物Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区)[10]。红外光谱技术通过收集光谱结构特征信息,分析不同饲料和加工方式的分子结构差异,从而在饲料基础营养成分的鉴定中得到广泛应用[11]

基于此,本试验的主要目的是:1)探究玉米品种(普通玉米和高直玉米)以及淀粉老化处理的FTIR分子结构差异;2)通过体外发酵试验探究这2种玉米和淀粉老化的发酵参数差异(包括气体生成、VFA产量和营养物质降解率);3)探究FTIR分子结构与体外发酵参数的相关性。

1 材料与方法 1.1 试验材料与样品常规分析

本试验选用的高直玉米(直链淀粉含量77.13%)来自海南某科技公司。试验开始前使用微型粉碎机将玉米粉碎后过1.0 mm筛,然后进行淀粉的老化处理,按照文献[8]的方法进行:玉米粉加适量水后60 ℃条件下加热15 min,不断搅拌,然后在120 ℃条件下蒸压30 min,最后置于烘箱中65 ℃条件下烘干粉碎后过1.0 mm筛,在4 ℃环境下保存7 d,得到老化后的普通或高直玉米。获得的普通玉米、高直玉米、普通老化玉米和高直老化玉米用于光谱分析材料及体外发酵底物。

1.1.1 常规营养成分含量测定

干物质、粗蛋白质、中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤纤维(ADF)含量的测定参照《饲料分析及饲料质量检测技术》[12]的方法进行。

1.1.2 总淀粉含量测定

总淀粉含量的具体测定方法参见雷龙等[13],称取0.1 g样品于带螺旋帽的玻璃试管中,加入0.2 mL 80%的乙醇,盖试管盖蜗旋30 s,将饲料打碎混匀后继续加入2.0 mL 2.0 mol/L的氢氧化钾(KOH)振荡进一步破坏淀粉结构,加入适量乙酸(1.2 mol/L)调节pH,使反应处于弱碱条件下,加入0.3 mL耐热α-淀粉酶溶液(100 U/mL)和0.3 mL淀粉葡萄苷酶(300 U/mL),蜗旋均匀置于50 ℃恒温振床30 min,淀粉充分转化为葡萄糖后,转入100 mL容量瓶用乙酸缓冲液(0.01 mol/L)定容,取2 mL溶液与3 mL 3, 5-二硝基水杨酸(DNS)溶液沸水浴反应15 min,冷却后,使用多功能酶标仪(Infinite M200 PRO,瑞士)测定在540 nm下的吸光度,通过绘制葡萄糖标准曲线,换算出葡萄糖含量,之后通过以下公式得出总淀粉含量:

式中,0.9为葡萄糖转化为淀粉的系数。

1.1.3 抗性淀粉含量测定

抗性淀粉含量按照酶联免疫吸附试验(ELISA)法测定,试剂盒由江苏酶免实业有限公司提供。

1.2 光谱采集与分析

样品粉碎完成后,启动FTIR仪(Nicolet iS50,美国),扫描波长在500~4 000 nm,扫描次数为64次,每个样品平行扫描6次,总共24个图谱。图谱结果出来后利用OMNIC 7.3图谱软件分析普通和高直玉米以及其淀粉老化样品的各个区间官能团的峰面积和峰高,包括蛋白质区域(酰胺Ⅰ区、酰胺Ⅱ区以及酰胺Ⅰ区与酰胺Ⅱ区的面积比、峰高比),非淀粉碳水化合物区域(β-葡聚糖区域、纤维化合物区域)和总碳水化合物区域(碳水化合物Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区)。

1.3 体外发酵 1.3.1 试验动物与材料

选取3只体重[(16.77±1.23) kg]相近装有永久性瘤胃瘘管的母性成年湘东黑山羊(湖南)。试验羊饲喂300 g稻草和200 g精料,早晚各饲喂1次,自由饮水,精料组成如下:玉米47.00%、豆粕24.00%、麦麸22.00%、食盐0.77%、石粉2.23%和预混料4.00%。每千克预混料含800 mg铜、1 530 mg铁、5 000 mg锌、3 000 mg锰、460 mg硒、3 060 mg碘、740 mg钴、840 000 IU维生素A、168 000 IU维生素D和3 360 IU维生素E,其他为载体。

本试验使用全自动体外模拟瘤胃发酵设备,主要由发酵瓶、三通电磁阀、培养箱、压力传感器、计算机和气象色谱仪组成[14]。培养箱设定振荡频率为50 r/min,温度为39.5 ℃。发酵瓶通过导管与三通电磁阀和压力传感器相连。压力传感器与计算机相连,每分钟测定瓶中的压力,通过压力与气体体积关系计算总气体生成量。三通电磁阀受计算机控制,当发酵瓶中压力大于6 kPa,电磁阀打开,气体排出通过导管进入气相色谱仪(Agilent 7890A,美国),测出甲烷和氢气产气量。甲烷和氢气产气量根据发酵瓶顶部空间大小、压力与气体体积间转化系数以及甲烷和氢气含量进行计算[15]

1.3.2 体外发酵试验操作

体外发酵参考Menke等[16]的试验步骤进行,晨饲前采集山羊瘤胃液,经6层纱布过滤,滤液倒入配制好的人工瘤胃营养液中(体积比1 ∶ 4,人工瘤胃营养液配制好后放置于39.5 ℃恒温水浴锅中通二氧化碳2 h),配成人工瘤胃培养液,待用60 mL注射器每个发酵瓶注入60 mL混合培养液(注射器和发酵瓶经39.5 ℃预热),加样时保证二氧化碳的持续通入。将发酵瓶放入培养箱中进行发酵。试验分为2个品种(普通玉米和高直玉米),每个品种分为1个对照组(老化前)和1个试验组(老化后),每个组别2个平行,重复测定2次,每个平行添加粉碎后的发酵底物1.0 g。

1.3.3 样品采集与分析

发酵24 h后,将发酵完成的样品通过400目的尼龙布过滤取得发酵瓶固相样品烘干,待测其营养物质(干物质、NDF、ADF和淀粉)降解率。取得发酵瓶液相参考Broderick等[17]的方法测其VFA含量。利用压力传感器和气相色谱仪(Agilent 7890A,美国)测定24 h总气体、甲烷和氢气产气量。

1.4 统计分析

试验数据首先使用Excel 2007进行归纳整理,之后应用SPSS 24.0分析软件的一般线性模型单变量分析方法分析不同品种、老化处理及其交互作用在营养参数、FTIR分子结构和体外发酵参数方面的显著性。应用SPSS 24.0 Spearman相关系数分析体外发酵参数与样品FTIR分子结构之间的相关性。统计学显著水平为P<0.05。

2 结果 2.1 玉米品种和淀粉老化处理对其营养成分含量的影响

表 1可知,与普通玉米相比,高直玉米中抗性淀粉含量显著提高(P<0.05);淀粉老化处理显著提高了玉米中抗性淀粉含量(P<0.05);高直玉米中粗蛋白质和总淀粉含量显著低于普通玉米(P<0.05),而NDF、ADF含量显著高于普通玉米(P<0.05);淀粉老化处理显著提高了玉米中NDF、ADF和半纤维素(HCEL)含量(P<0.05)。

表 1 玉米品种和淀粉老化处理对其营养成分含量的影响(干物质基础) Table 1 Effects of corn variety and starch retrogradation on its nutrient contents (DM basis)  
2.2 玉米品种和淀粉老化处理对其FTIR分子结构的影响

表 2可知,玉米品种和淀粉老化处理交互作用对β-葡聚糖峰高、纤维化合物面积和峰高以及碳水化合物区Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区面积有显著影响(P < 0.05),老化前高直玉米β-葡聚糖峰高、纤维化合物面积和峰高以及碳水化合物Ⅲ区面积显著高于普通玉米(P<0.05),而老化后高直玉米碳水化合物Ⅱ区面积显著低于普通玉米(P<0.05)。与普通玉米相比,高直玉米非淀粉碳水化合物区域的β-葡聚糖面积和峰高以及纤维化合物的面积和峰高显著高于普通玉米(P<0.05);从淀粉老化处理结果分析,淀粉老化处理显著降低了玉米的酰胺Ⅱ区面积和峰高以及β-葡聚糖面积和峰高(P<0.05),显著提高了酰胺Ⅰ区面积和峰高、纤维化合物面积和峰高以及总碳水化合物区域结构(P<0.05)。

表 2 玉米品种和淀粉老化处理对其FTIR分子结构的影响 Table 2 Effects of corn variety and starch retrogradation on its FTIR molecular structure
2.3 玉米品种和淀粉老化处理对其体外发酵参数的影响 2.3.1 24 h产气量

表 3可知,高直玉米体外发酵24 h总产气量、甲烷产气量和氢气产气量显著低于普通玉米(P<0.05),淀粉老化处理显著降低了体外发酵24 h总产气量、甲烷产气量和氢气产气量(P<0.05),玉米品种和淀粉老化处理两者之间对体外发酵24 h产气量无显著交互作用(P>0.05)。

表 3 玉米品种和淀粉老化处理对体外发酵24 h产气量的影响 Table 3 Effects of corn variety and starch retrogradation on 24 h gas production in in vitro fermentation (n=4)  
2.3.2 24 h营养物质降解率

表 4可知,淀粉老化处理显著降低了体外发酵24 h干物质降解率(P<0.05),但是玉米品种和淀粉老化处理并没有显著影响其他营养物质降解率(P>0.05)。

表 4 玉米品种和淀粉老化处理对体外发酵24 h营养物质降解率的影响 Table 4 Effects of corn variety and starch retrogradation on 24 h degradation rate of nutrients in in vitro fermentation (n=4)  
2.3.3 24 h VFA含量

表 5可知,玉米品种和淀粉老化处理对体外发酵24 h总VFA含量和丁酸占比有显著交互作用(P<0.05),老化前和老化后高直玉米丁酸占比显著低于普通玉米(P<0.05),老化后高直玉米总VFA含量显著低于老化前普通玉米(P<0.05)。与普通玉米相比,高直玉米丙酸占比显著升高(P<0.05),而丁酸占比显著降低(P<0.05);淀粉老化处理显著降低了总VFA含量(P<0.05),其中,显著降低了丙酸和丁酸占比(P<0.05),而显著提高了乙酸占比(P<0.05)。

表 5 玉米品种和淀粉老化处理对体外发酵24 h VFA含量的影响 Table 5 Effects of corn variety and starch retrogradation on 24 h VFA content in in vitro fermentation (n=4)
2.4 体外发酵参数与FTIR分子结构相关性分析 2.4.1 体外发酵24 h产气量与FTIR分子结构相关性分析

表 6可知,体外发酵24 h总产气量与酰胺Ⅰ区峰高、酰胺Ⅰ区与酰胺Ⅱ区面积比和峰高比、纤维化合物峰高以及总碳水化合物区域结构呈显著负相关(P<0.05),与酰胺Ⅱ区面积和峰高呈显著正相关(P<0.05);甲烷、氢气产气量与酰胺Ⅰ区与酰胺Ⅱ区面积比和峰高比呈显著负相关(P<0.05);甲烷产气量与β-葡聚糖面积、纤维化合物面积和碳水化合物Ⅲ区峰高呈显著负相关(P<0.05);氢气产气量与酰胺Ⅱ区峰高呈显著正相关(P<0.05),与酰胺Ⅰ区与酰胺Ⅱ区面积比和峰高比、纤维化合物峰高以及总碳水化合物区域结构呈显著负相关(P<0.05)。

表 6 体外发酵24 h产气量与FTIR分子结构的相关性分析 Table 6 Correlation analysis between 24 h gas production in in vitro fermentation and FTIR molecular structure (n=16)
2.4.2 体外发酵24 h营养物质降解率与FTIR分子结构相关性分析

表 7可知,体外发酵24 h干物质降解率与酰胺Ⅱ区峰高、酰胺Ⅰ区与酰胺Ⅱ区峰高比、纤维化合物峰高、碳水化合物Ⅰ区面积以及碳水化合物Ⅰ区和Ⅱ区峰高呈显著负相关(P<0.05);NDF降解率与酰胺Ⅰ区峰高、碳水化合物Ⅱ区面积呈显著正相关(P<0.05)。

表 7 体外发酵24 h营养物质降解率与FTIR结构的相关性分析 Table 7 Correlation analysis between 24 h degradation rate of nutrients in in vitro fermentation and FTIR molecular structure (n=16)
2.4.3 体外发酵24 h VFA含量与FTIR分子结构相关性分析

表 8可知,乙酸占比与酰胺Ⅰ区峰高、酰胺Ⅰ区与酰胺Ⅱ区峰高比、纤维化合物峰高以及总碳水化合物区域结构呈显著正相关(P<0.05),与β-葡聚糖面积和峰高呈显著负相关(P<0.05);总VFA含量与酰胺Ⅱ区面积和峰高呈显著正相关(P<0.05),与酰胺Ⅰ区峰高、酰胺Ⅰ区与酰胺Ⅱ区面积比和峰高比、纤维化合物峰高以及总碳水化合物区域结构呈显著负相关(P<0.05)。

表 8 体外发酵24 h VFA含量与FTIR分子结构相关性分析 Table 8 Correlation analysis between 24 h VFA content in in vitro fermentation and FTIR molecular structure (n=16)
3 讨论

高直玉米作为一种新兴玉米品种,用途广泛,涉及食品加工、医疗保健、材料纺织以及环境保护等多个领域,在反刍动物上的研究较少。在反刍动物中,淀粉主要在瘤胃微生物发酵作用下产生VFA被机体吸收,而过瘤胃后未降解的大部分淀粉在小肠α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶作用下分解为葡萄糖被机体吸收利用,另外还有一小部分淀粉会穿过小肠到达大肠,同样经过微生物发酵作用产生VFA再被机体吸收[18-19]。本试验从营养成分、FTIR分子结构、体外发酵参数以及FTIR分子结构与体外发酵参数的相关性层面评估高直玉米与普通玉米及其淀粉老化处理引起的玉米分子结构差异以及在反刍动物瘤胃中的降解能力。

3.1 玉米品种和淀粉老化处理对其营养成分和FTIR分子结构的影响

在玉米的营养成分分析中,常规营养组分测定可用于快速有效判断饲料品质优劣[9]。试验结果显示,高直玉米的粗蛋白质和淀粉水平显著低于普通玉米,高直玉米的培育最大的问题是随着直链淀粉的增加总淀粉含量下降以及可能伴随其他营养物质的下调,目前科学家们对于改良淀粉品质或创造新型淀粉的研究仍在探索中[20]。老化处理没有改变其粗蛋白质和淀粉含量,而提高了其抗性淀粉、NDF和ADF的含量,并且在红外光谱分析中老化后蛋白质和碳水化合物的分子结构发生改变,这说明淀粉的老化主要改变了其分子结构,并伴随着抗性淀粉的增加,而没有改变除了纤维以外的营养物质水平,这可能是由于淀粉糊化后回生使淀粉结晶化,阻碍了可溶于中性洗涤剂和酸性洗涤剂物质的溶解,从而提高了NDF和ADF含量[7]。在其他体外发酵试验研究中发现,抗性淀粉相比于普通淀粉的降解率并没有下降[21],这表明抗性淀粉虽然难以被肠道消化酶降解,但是在瘤胃中微生物的发酵速度并没有变慢。相反的是,本试验结果中含有更多抗性淀粉的高直玉米体外发酵总VFA含量、总产气量都显著低于普通玉米,而淀粉老化处理也有相似的结果,这可能主要由其中NDF、ADF含量所决定,这些纤维不适合微生物附着生长,不利于其发酵,而富含碳水化合物,纤维含量少的普通玉米更容易被微生物所利用,发酵更快,能产生更多的VFA以及甲烷等气体[22]

饲料常规营养成分的测定只考虑了总的化学营养成分,而没有考虑其内在分子结构变化,饲料的营养价值不仅受到其总化学成分影响,其内在分子结构也起着很大作用[23]。每个不同品种甚至不同部位都有其独特的分子结构特征,因此都有其独特的红外光谱。酰胺Ⅰ区(波数范围1 579~1 760 cm-1)和酰胺Ⅱ区(波数范围1 491~1 579 cm-1)是蛋白质红外吸收光谱中2个主要功能波段,酰胺Ⅰ区主要对与肽键相关的由80%的C=O和20%的C—N伸缩振动组成,酰胺Ⅱ区主要由60%的N—H弯曲振动和40%的C—N伸缩振动组成,蛋白质结构特征主要由酰胺Ⅰ区与酰胺Ⅱ区决定[24-25]。波数范围951~1 186 cm-1为淀粉特征峰区域,在此区域内包含C—O、C—C、C—H的伸缩振动和C—OH的弯曲振动,非淀粉多糖区域主要由β-葡聚糖区域(1 387~1 442 cm-1)和纤维化合物区域(1 282~1 217 cm-1)组成,根据不同波段的吸收峰高度和面积变化,可推测临近基团或化学键的类型,进而确定蛋白质、非淀粉碳水化合物和总碳水化合物的分子结构特征信息[24-26]。环境中的任何温度变化都会影响蛋白质结构中的非共价相互作用(氢键、离子键、范德华力和疏水作用力),其中氢键影响蛋白质二级结构,疏水作用力影响三级结构,从而导致蛋白质内部结构的改变[24]。这可能是导致本试验结果发生的主要原因:淀粉老化处理提高了酰胺Ⅰ区与酰胺Ⅱ区的面积和峰高比,并且改变了其他碳水化合物区域的吸收强度。β-葡聚糖和纤维化合物水平与细胞壁的形成有关,在玉米细胞壁中,较高的β-葡聚糖和纤维素水平能提高细胞壁的厚度,从而抵抗消化酶的分解[27],在本试验中表现为高直玉米β-葡聚糖和纤维化合物的红外吸收光谱显著高于普通玉米。McAllister等[28]认为,淀粉颗粒周围的蛋白质基质是谷物瘤胃淀粉消化率差异的主要因素,瘤胃微生物对淀粉的有效消化需要一系列纤维分解酶、蛋白水解酶和淀粉分解酶,蛋白质和纤维碳水化合物保护淀粉颗粒免受酶攻击的程度在不同的谷物中有所不同。淀粉和蛋白质是玉米的主要组成成分,高直玉米和普通玉米组织中碳水化合物的光谱特征与淀粉结构有关,但是在光谱结构中没有发现高直玉米和普通玉米的总碳水化合物区域结构的差异,一个可能的原因是在总碳水化合物分子结构方面,通过红外光谱仪检测到的玉米品种之间的差异不够,红外光谱仪可能无法检测到碳水化合物的具体结构差异[27]

3.2 玉米品种和淀粉老化处理对其体外发酵参数的影响

在动物饲粮生产中以玉米-豆粕型饲粮为主,然而高谷物饲粮由于其易降解,在瘤胃中快速发酵,使VFA堆积,造成亚急性瘤胃酸中毒,对反刍动物健康发育具有不利影响,从而影响反刍动物的正常生长[3]。高直玉米与淀粉老化后的玉米在瘤胃中的降解可能具有相似的特性,都难以被分解,这不仅与其营养物质水平有关,也与其分子结构的差异有很大关系[7]。饲料经瘤胃微生物发酵后的营养物质降解率、VFA生成和发酵气体的产生都是衡量饲料可发酵程度的重要指标,通过体外模拟瘤胃发酵可以在一定程度上观察到瘤胃营养物质降解特性,为反刍动物的实际生产应用提供参考。本试验结果显示,高直玉米体外发酵总产气量、甲烷和氢气产气量以及总VFA含量均显著低于普通玉米,这说明高直玉米比普通玉米更难以降解。相比于普通玉米,高直玉米丙酸占比更高,而淀粉老化处理显著降低了丙酸占比,提高了乙酸占比,这表明高直玉米在瘤胃的发酵形式主要是丙酸型发酵,而淀粉老化后的玉米在瘤胃的发酵形式主要是乙酸型发酵。丙酸是机体糖异生的主要前体物质,能为机体提供能量,促进动物生长[29]。所以高直玉米在一定程度上不仅能减缓瘤胃酸中毒的几率,还可能促进动物生长发育。在反刍动物瘤胃中气体生成过快可能导致反刍动物嗳气不及时,造成瘤胃胀气,甚至可能导致死亡[30],高直玉米以及淀粉老化处理可能在一定程度上能缓解这种因碳水化合物的快速发酵产生气体而造成的瘤胃胀气现象。玉米品种和淀粉老化处理在抗性淀粉含量、β-葡聚糖峰高、纤维化合物面积和峰高、碳水化合物Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区面积、总VFA含量以及丁酸占比都存在显著交互作用。淀粉老化后的玉米品种之间没有发现红外光谱结构的显著差异,这可能是由于玉米经过淀粉老化后,分子结构重组使得普通玉米和高直玉米的结构趋于相似[7]。另外,淀粉老化后高直玉米总VFA含量和丁酸占比低于普通玉米,但是老化前玉米品种在总VFA含量方面没有显著差异,这表明相较于普通玉米,淀粉老化可能更容易发生在高直玉米中。直链淀粉相比于支链淀粉更容易发生玉米淀粉老化[31],这可能是由于直链淀粉的线性空间阻碍小,更容易回生[7]。植物来源和支链淀粉精细结构、直链淀粉与支链淀粉的比率以及含水量等都会影响淀粉的回生老化,直链淀粉在糊化后降温的很短的时间内(不到1 d)就会发生老化,而支链淀粉分子能适应淀粉凝胶流变,可能长时间的低温条件下才会发生老化现象[7, 32]。淀粉的糊化要求较低,所以淀粉老化处理相比于其他加工方式要更简便,成本更低[5]

3.3 体外发酵参数与FTIR分子结构相关性分析

不同品种改变了非淀粉碳水化合物区域结构,而淀粉老化处理改变了蛋白质、非淀粉碳水化合物以及总碳水化合物区域结构,分子结构的不同会影响营养物质在瘤胃中的发酵作用,改变饲料营养物质的降解特性。本试验结果显示,酰胺Ⅰ区、酰胺Ⅰ区与酰胺Ⅱ区面积比和峰高值、纤维化合物区域以及总碳水化合物区域吸收强度与总VFA含量、总产气量和氢气产气量呈负相关,而酰胺Ⅱ区面积和峰高与总VFA含量、总产气量和氢气产气量呈正相关。光谱结构中酰胺Ⅱ区主要由N—H和C—N振动组成,氢气等气体生成可能来自酰胺Ⅱ区的N—H中的H,所以酰胺Ⅱ区吸收强度越大,氢气、甲烷以及营养物质分解后VFA生成越多[20-21]。乙酸占比与β-葡聚糖吸收强度呈负相关,β-葡聚糖是植物细胞壁的重要组成部分,所以β-葡聚糖吸收强度越大,植物细胞越难以分解,乙酸生成越少;同时,乙酸占比与酰胺Ⅰ区峰高、纤维化合物峰高和总碳水化合物区域吸收呈正相关,淀粉老化可能抑制了乙酸向丁酸的转化,使得乙酸堆积,所以淀粉老化处理的光谱吸收强度越高,乙酸占比也越大。在体外发酵试验中,淀粉老化处理降低了干物质降解率,因此其分子结构的变化影响干物质降解率,结果中表示为干物质降解率与酰胺Ⅰ区与酰胺Ⅱ区峰高比、纤维化合物峰高、碳水化合物Ⅰ区面积以及碳水化合物Ⅰ区和Ⅱ区峰高呈显著负相关。

总得来说,通过FTIR仪对高直玉米和普通玉米以及其淀粉老化处理样品的测定,发现不同品种和淀粉老化处理的玉米红外光谱特征存在差异,这种差异只限制于蛋白质、非淀粉碳水化合物和总碳水化合物区域,无法更精准地检测区域内特定化合物以及其内在结构联系,也无法明确官能团数量特点。在体外发酵试验中,高直玉米和淀粉老化处理样品发酵速度显著降低,其中高直玉米的发酵形式主要以丙酸型发酵为主,而淀粉老化处理主要以乙酸型发酵为主,淀粉的老化更容易发生在高直玉米中。玉米FTIR分子结构影响其营养物质在瘤胃中的发酵特性,24 h总产气量、氢气产气量、总VFA含量与总碳水化合物区域结构呈负相关,干物质降解率与碳水化合物Ⅰ区面积和峰高、碳水化合物Ⅱ区峰高呈负相关,而乙酸占比与总碳水化合物区域结构呈正相关,24 h总产气量、氢气产气量和总VFA含量与酰胺Ⅱ区面积和峰高呈正相关。

4 结论

① 高直玉米中含有更高的抗性淀粉、NDF和ADF含量,但是粗蛋白质和淀粉含量要低于普通玉米;淀粉老化处理显著提高了抗性淀粉、NDF、ADF和HCEL含量。

② 高直玉米非淀粉碳水化合物区域结构面积和峰高显著高于普通玉米;淀粉老化处理显著降低了酰胺Ⅱ区面积和峰高,显著提高了酰胺Ⅰ区、纤维化合物以及总碳水化合物区域面积和峰高。

③ 高直玉米体外发酵24 h产气量、总VFA含量低于普通玉米;淀粉老化处理显著降低了24 h产气量、干物质降解率和总VFA含量。

④ 24 h总产气量、氢气产气量、总VFA含量与总碳水化合物区域结构呈负相关,干物质降解率与碳水化合物Ⅰ区面积和峰高、碳水化合物Ⅱ区峰高呈负相关,而乙酸占比与总碳水化合物区域结构呈正相关,24 h总产气量、氢气产气量和总VFA含量与酰胺区Ⅱ面积和峰高呈正相关。

参考文献
[1]
孟令瑞, 孙明茂, 苗锦山, 等. 玉米直链淀粉含量遗传研究进展[J]. 食品安全导刊, 2012(9): 72-74.
MENG L R, SUN M M, MIAO J S, et al. Advances in genetics of amylose corn[J]. China Food Safety Magazine, 2012(9): 72-74 (in Chinese).
[2]
鲁守平, 陈波, 张晗菡, 等. 高直链淀粉玉米的研究进展[J]. 山东农业科学, 2019, 51(6): 169-174.
LU S P, CHEN B, ZHANG H H, et al. Research progress of high amylose corn[J]. Shandong Agricultural Sciences, 2019, 51(6): 169-174 (in Chinese).
[3]
孙大明, 毛胜勇, 刘军花. 长期高谷物饲喂对山羊瘤胃酸中毒发生的影响[J]. 畜牧兽医学报, 2016, 47(12): 2420-2429.
SUN D M, MAO S Y, LIU J H. Effects of long-term high grain feeding on rumen acidosis in goats[J]. Chinese Journal of Animal and Veterinary Sciences, 2016, 47(12): 2420-2429 (in Chinese). DOI:10.11843/j.issn.0366-6964.2016.12.012
[4]
ZHAO F F, REN W, ZHANG A Z, et al. Effects of different amylose to amylopectin ratios on rumen fermentation and development in fattening lambs[J]. Asian-Australasian Journal of Animal Sciences, 2018, 31(10): 1611-1618. DOI:10.5713/ajas.17.0833
[5]
王永昌, 王四维. 谈牛饲料加工工艺[J]. 饲料工业, 2019, 40(7): 7-14.
WANG Y C, WANG S W. Discussion on feed processing technology[J]. Feed Industry, 2019, 40(7): 7-14 (in Chinese).
[6]
ROSIN P M, LAJOLO F M, MENEZES E W. Measurement and characterization of dietary starches[J]. Journal of Food Composition and Analysis, 2002, 15(4): 367-377. DOI:10.1006/jfca.2002.1084
[7]
付珊珊. 玉米淀粉老化特性研究进展[J]. 粮食加工, 2019, 44(4): 47-49.
FU S S. Research progress of corn starch retrogradation[J]. Grain Processing, 2019, 44(4): 47-49 (in Chinese).
[8]
SOLER A, VELAZQUEZ G, VELAZQUEZ-CASTILLO R, et al. Retrogradation of autoclaved corn starches: Effect of water content on the resistant starch formation and structure[J]. Carbohydrate Research, 2020, 497: 108137. DOI:10.1016/j.carres.2020.108137
[9]
江国庆, 李庆新, 卢冬亚, 等. 不同大豆加工副产品蛋白质营养及分子结构分析[J]. 饲料研究, 2016, 21(21): 43-47.
JIANG G Q, LI Q S, LU D Y, et al. Nutrition and protein molecular structure analysis of different soybean processing byproducts[J]. Feed Research, 2016, 21: 43-47 (in Chinese).
[10]
李占龙, 周密, 左剑, 等. 红外光谱和拉曼光谱法分析玉米种子的成分[J]. 分析化学, 2007, 11(11): 1636-1638.
LI Z L, ZHOU M, ZUO J, et al. The components of maize seeds using infrared spectroscopy and Raman spectroscopy[J]. Analytical Chemistry, 2007, 11: 1636-1638 (in Chinese). DOI:10.3321/j.issn:0253-3820.2007.11.019
[11]
郑震璇. 近红外光谱分析技术在饲料加工行业的应用[J]. 福建农机, 2019(1): 24-27.
ZHENG Z X. Applicaton of near-infrared spectroscopy on feed processing industry[J]. Fujian Agricultural Machinery, 2019(01): 24-27 (in Chinese). DOI:10.3969/j.issn.1004-3969.2019.01.007
[12]
张丽英. 饲料分析及饲料质量检测技术[M]. 3版. 北京: 中国农业大学出版社, 2007.
ZHANG L Y. Feed analysis and feed quality inspection technology[M]. 3th ed. Beijing: China Agricultural University Press, 2007 (in Chinese).
[13]
雷龙, 李强, 冯志, 等. 酶解法测定常用饲料原料中淀粉的含量[J]. 饲料工业, 2017, 38(8): 59-61.
LEI L, LI Q, FENG Z, et al. The measure of starch in usual feedstuff[J]. Feed Industry, 2017, 38(8): 59-61 (in Chinese).
[14]
WANG M, WANG R, YANG S, et al. Effects of three methane mitigation agents on parameters of kinetics of total and hydrogen gas production, ruminal fermentation and hydrogen balance using in vitro technique[J]. Animal Science Journal, 2016, 87(2): 224-232. DOI:10.1111/asj.12423
[15]
WANG M, JANSSEN P H, SUN X Z, et al. A mathematical model to describe in vitro kinetics of H2 gas accumulation[J]. Animal Feed Science and Technology, 2013, 184(1/2/3/4): 1-6.
[16]
MENKE K H, RAAB L, SALEWSKI A, et al. The estimation of the digestibility and metabolizable energy content of ruminant feedingstuffs from the gas production when they are incubated with rumen liquor in vitro[J]. The Journal of Agricultural Science, 1979, 93(1): 217-222. DOI:10.1017/S0021859600086305
[17]
BRODERICK G A, KANG J H. Automated simultaneous determination of ammonia and total amino acids in ruminal fluid and in vitro media[J]. Journal of Dairy Science, 1980, 63(1): 64-75. DOI:10.3168/jds.S0022-0302(80)82888-8
[18]
OFFNER A, BACH A, SAUVANT D. Quantitative review of in situ starch degradation in the rumen[J]. Animal Feed Science and Technology, 2003, 106(1/2/3/4): 81-93.
[19]
FOLEY A E, HRISTOV A N, MELGAR A, et al. Effect of barley and its amylopectin content on ruminal fermentation and nitrogen utilization in lactating dairy cows[J]. Journal of Dairy Science, 2006, 89(11): 4321-4335. DOI:10.3168/jds.S0022-0302(06)72479-1
[20]
乔光明, 贾举庆, 丁建旭, 等. 高直链淀粉玉米研究进展[J]. 玉米科学, 2007, 15(4): 140-142, 145.
QIAO G M, JIA J Q, DING J X, et al. Research progress of high amylose corn[J]. Corn Science, 2007, 15(4): 140-142, 145 (in Chinese). DOI:10.3969/j.issn.1005-0906.2007.04.037
[21]
段迎凯. 不同来源淀粉对牦牛瘤胃发酵及营养物质消化代谢的影响[D]. 硕士学位论文. 雅安: 四川农业大学, 2013.
DUAN Y X. Effect of different sources of starch on rumenfermentation, digestion and metabolism of nutrients in yaks[D]. Master's Thesis. Ya'an: Sichuan Agricultural University, 2013. (in Chinese)
[22]
王荣, 文江南, 王敏, 等. 体外法研究延胡索酸对瘤胃甲烷、氢气产量和挥发性脂肪酸组成的影响[J]. 动物营养学报, 2019, 31(3): 1198-1209.
WANG R, WEN J N, WANG M, et al. Effects of fumarate on ruminal methane, hydrogen gas production and volatile fatty acid composition using an in vitro method[J]. Journal of Animal Nutrition, 2019, 31(3): 1198-1209 (in Chinese).
[23]
YU P, CHRISTENSEN D A, MCKINNON J J, et al. Using chemical and biological approaches to predict energy values of selected forages affected by variety and maturity stage: comparison of three approaches[J]. Asian-Australasian Journal of Animal Sciences, 2004, 17(2): 228-236. DOI:10.5713/ajas.2004.228
[24]
YU P Q. Protein molecular structures, protein subfractions, and protein availability affected by heat processing: a review[J]. American Journal of Biochemistry and Biotechnology, 2007, 3(2): 66-86. DOI:10.3844/ajbbsp.2007.66.86
[25]
YANG L, MCKINNON J J, CHRISTENSEN D A, et al. Characterizing the molecular structure features of newly developed hulless barley cultivars with altered carbohydrate traits (Hordeum vulgare L.) by globar-sourced infrared spectroscopy in relation to nutrient utilization and availability[J]. Journal of Cereal Science, 2014, 60(1): 48-59. DOI:10.1016/j.jcs.2013.12.013
[26]
徐淼, 景寒松, 杨桂芹. 红外光谱分析技术测定饲料营养品质及其分子结构的研究进展[J]. 中国畜牧杂志, 2019, 55(6): 10-14.
XU M, JING H S, YANG G Q. Research progress of feed nutrient quality and molecular structure by infrared spectroscopy[J]. Chinese Journal of Animal Science, 2019, 55(6): 10-14 (in Chinese).
[27]
YANG L, CHRISTENSEN D A, MCKINNON J J, et al. Investigating the molecular structural features of hulless barley (Hordeum vulgare L.) in relation to metabolic characteristics using synchrotron-based fourier transform infrared microspectroscopy[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2013, 61(47): 11250-11260. DOI:10.1021/jf403196z
[28]
MCALLISTER T A, PHILLIPPE R C, RODE L M, et al. Effect of the protein matrix on the digestion of cereal grains by ruminal microorganisms[J]. Journal of Animal Science, 1993, 71(1): 205-212. DOI:10.2527/1993.711205x
[29]
李月明, 栾嘉明, 冯鑫, 等. 不同来源的活性酿酒酵母制剂对高精料日粮体外瘤胃发酵效果的比较[J/OL]. 饲料研究, 2020: 1-12. (2020-11-09)[2021-02-07]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2114.S.20201106.1004.002.html.
LI Y M, NUAN J M, FENG X, et al. Rumen fermentation effects of different sources of active cerevisiae on high concentrate diet in vitro[J/OL]. Feed Research, 1-12. (2020-11-09)[2021-02-07]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2114.S.20201106.1004.002.html. (in Chinese)
[30]
王铁. 羊瘤胃胀气的诊断与治疗[J]. 农技服务, 2017, 34(23): 124.
WANG T. Diagnosis and treatment of rumen bloating in sheep[J]. Agricultural Technology Service, 2017, 34(23): 124 (in Chinese). DOI:10.3969/j.issn.1004-8421.2017.23.104
[31]
张旭东, 郭东伟, 钟雨越, 等. 不同直链淀粉含量玉米粉和玉米淀粉的理化特性差异分析[J]. 西北农业学报, 2017, 26(4): 568-573.
ZHANG X D, GUO D W, ZHONG Y Y, et al. Physicochemical properties analysis of corn starch and corn of different amylose[J]. Acta Agriculturae Boreali-Occidentalis Sinica, 2017, 26(4): 568-573 (in Chinese).
[32]
LIU Q, THOMPSON D B. Retrogradation of du wx and su2 wx maize starches after different gelatinization heat treatments[J]. Cereal Chemistry, 1998, 75(6): 868-874. DOI:10.1094/CCHEM.1998.75.6.868