研究论文

3种羊源益生菌对瘤胃体外发酵参数和养分降解率的影响

  • 董晴 , 1 ,
  • 王亚男 2, * ,
  • 谭玉凤 3 ,
  • 张澳 1 ,
  • 张璐 1 ,
  • 苏东遥 1 ,
  • 赵心念 1 ,
  • 刘爱瑜 1 ,
  • 孙新胜 , 4, ** ,
  • 高玉红 , 1, **
展开
  • 1 河北农业大学动物科技学院,保定 071000
  • 2 承德市农林科学院,承德 067000
  • 3 承德市农业综合行政执法支队,承德 067000
  • 4 河北农业大学信息与技术学院,保定 071001
**孙新胜,副教授,E-mail: ;
高玉红,教授,硕士生导师,E-mail:

*同等贡献作者

董 晴(1999—),女,河北承德人,硕士研究生,研究方向为动物营养与环境控制。E-mail:

Copy editor: 陈鑫

收稿日期: 2023-11-01

  网络出版日期: 2024-06-07

基金资助

河北省省级科技计划资助(22326603D)

河北省高等学校科学技术重点研究项目(ZD2021323)

河北省羊产业体系(HBCT2024250202)

Effects of Three Lamb-Derived Probiotics on Rumen in Vitro Fermentation Parameters and Nutrient Degradation Rates

  • DONG Qing , 1 ,
  • WANG Ya’nan 2 ,
  • TAN Yufeng 3 ,
  • ZHANG Ao 1 ,
  • ZHANG Lu 1 ,
  • SU Dongyao 1 ,
  • ZHAO Xinnian 1 ,
  • LIU Aiyu 1 ,
  • SUN Xinsheng , 4, ** ,
  • GAO Yuhong , 1, **
Expand
  • 1 College of Animal Science and Technology, Hebei Agricultural University, Baoding 071000, China
  • 2 Chengde Academy of Agriculture and Forestry, Chengde 067000, China
  • 3 Law Enforcement Brigade of Chengde Agricultural and Rural Bureau, Chengde 067000, China
  • 4 College of Information and Technology, Hebei Agricultural University, Baoding 071001, China
**associate professor, E-mail: ;
professor, E-mail:

*Contributed equally

Received date: 2023-11-01

  Online published: 2024-06-07

摘要

本试验旨在研究3种羊源益生菌[海氏肠球菌(K2)、枯草芽孢杆菌(Ha)和酿酒酵母菌(Ma)]对瘤胃体外发酵参数及养分降解率的影响。采用瘤胃体外发酵方法,设8个组(每组6个重复),其中7个组分别添加K2、Ha、Ma、K2+Ha、Ha+Ma、K2+Ma和K2+Ha+Ma,K2、Ha和Ma添加浓度分别为1×108、1×107和1×107 CFU/g,另设不加菌的对照组,测定发酵2~48 h的产气量以及挥发性脂肪酸、微生物蛋白含量等发酵参数和养分降解率。结果表明:发酵48 h时K2+Ma和K2+Ha+Ma组的产气量均达最高,较对照组分别显著增加了9.54%和6.32%(P<0.05),且快速降解部分产气量和慢速降解部分产气量均显著升高(P<0.05)。与对照组比较,K2+Ma组的微生物蛋白、总挥发性脂肪酸和丙酸含量均显著增加(P<0.05)。另外,不同单菌和复配对养分降解率的影响不同,K2+Ma组的干物质、粗蛋白质和总能降解率最高,而K2+Ha+Ma组的中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维降解率最高,均显著高于对照组(P<0.05)。综上所述,K2+Ha+Ma和K2+Ma组合体外发酵效果较好,可为饲用益生菌的开发提供借鉴。

本文引用格式

董晴 , 王亚男 , 谭玉凤 , 张澳 , 张璐 , 苏东遥 , 赵心念 , 刘爱瑜 , 孙新胜 , 高玉红 . 3种羊源益生菌对瘤胃体外发酵参数和养分降解率的影响[J]. 动物营养学报, 2024 , 36(6) : 4014 -4021 . DOI: 10.12418/CJAN2024.344

Abstract

The experiment was conducted to investigate the effects of three lamb-derived probiotics [Enterococcus hirae (K2), Bacillus subtilis (Ha), and Saccharomyces cerevisiae (Ma)] on rumen in vitro fermentation parameters and nutrient degradation rates. The method of rumen in vitro fermentation was applied in this work. There were 8 groups with 6 replicates in each group, of which the 7 groups were supplemented with K2, Ha, Ma, K2+Ha, Ha+Ma, K2+Ma, and K2+Ha+Ma, respectively. The added concentrations of K2, Ha, and Ma were 1×108, 1×107 and 1×107 CFU/g, respectively, and control group was not added with any probiotics. Fermentation parameters, including gas production (GP), contents of volatile fatty acid, microbial protein, and nutrient degradation rate, were measured during fermentation period of 2 to 48 h. The results showed as follows: GP of K2+Ma and K2+Ha+Ma groups was the highest among all groups at 48 h of fermentation, exhibiting that the GP increased by 9.54% and 6.32%, respectively, compared with control group (P<0.05), and the GP of rapid degradation part and slow degradation part showed the increases (P<0.05). The contents of microbial protein, total volatile fatty acid, and valerate of K2+Ma group were higher than those in control group (P<0.05). In addition, different single or combined probiotics on nutrient degradation rates demonstrated different effects. The degradation rates of dry matter, crude protein, and gross energy of K2+Ma group were the highest among all groups, while neutral detergent fiber and acidic detergent fiber of K2+Ha+Ma group were the highest, which were higher than those of control group (P<0.05). In conclusion, the combinations of K2+Ha+Ma and K2+Ma demonstrate the optimal effects in in vitro fermentation. Our present results can provide reference for probiotics exploitation.

近几年由于“养殖减抗、饲料禁抗”的国家政策实施,肉羊产业的发展受到较大影响,肉羊高精料育肥出现的消化性能差和肠道疾病多发等突出问题已经引起了人们的重视,因此,高效、天然、无残留的替抗产品(如益生菌)研发已经成为研究热点[1]。大量研究表明,益生菌具有维持消化道菌群平衡以及提高家畜消化率和免疫力的功效,且对环境不产生污染,可作为家畜理想的饲料添加剂[2-3]。但也有研究认为,从同源宿主分离出的优良菌株应用于同源宿主往往能够获得较好的益生效果,因为消化道微生物与寄主长期相互适应和选择,更能发挥其功效[4]。本研究团队已经从肉羊肠道中分离出益生性较好的乳酸菌、芽孢杆菌和酵母菌,尤其是乳酸菌——海氏肠球菌(K2),具有抑菌性好、药物敏感性广泛、耐受性强等特点[5]。早期研究已证明,上述3种益生菌能够维持动物消化道菌群平衡,抑制致病菌的增殖,进而改善肠道环境,提高机体消化吸收能力和免疫功能[6-7]。本研究以本试验室筛选出的3种羊源益生菌K2、枯草芽孢杆菌(Ha)和酿酒酵母菌(Ma)为试验材料,通过瘤胃体外发酵试验,探究3种单菌及其复配对瘤胃发酵参数和养分降解率的影响,筛选最佳的菌株组合,为肉羊产业益生菌菌剂的研发提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

菌种:试验菌株采用本实验室筛选出的3种益生菌K2(来自育肥羊空肠)、Ha(来自育肥羊回肠)和Ma(来自育肥羊盲肠)。
发酵底物:以精粗比为6∶4的基础饲粮为发酵底物,其组成及营养水平见表1
表1 基础饲粮组成及营养水平(干物质基础)

Table 1 Composition and nutrient levels of the basal diet (DM basis)%

原料 Ingredients 含量 Content 营养水平 Nutrient levels2) 含量 Content
花生秧 Peanut seedling 30.00 代谢能 ME/(MJ/kg) 11.15
苜蓿 Alfalfa 10.00 粗蛋白质 CP 13.29
玉米 Corn 30.51 中性洗涤纤维 NDF 35.89
豆粕 Soybean meal 19.07 酸性洗涤纤维 ADF 20.13
麸皮 Bran 8.12 钙 Ca 0.78
石粉 Limestone 1.30 磷 P 0.32
预混料 Premix1) 1.00
合计 Total 100.00

1)每千克预混料含有 One kg of premix contained the following: VA 26 400 IU,VD 3 400 IU,VE 260 mg,Mn 48 mg,Zn 48 mg,Fe 60 mg,Cu 12 mg,Se 0.36 mg,I 0.3 mg,Co 0.12 mg。

2)代谢能为计算值,根据《肉羊营养需要量》(NY/T 816—2021)计算而来,其余为实测值。ME was a calculated value, which calculated according to Nutritional Requirements of Meat Sheep (NY/T 816—2021), while the others were measured values.

1.2 试验设计与方法

1.2.1 体外发酵试验设计

试验共设8组,其中单菌设3组(K2、Ha、Ma组),2种菌复配设3组(K2+Ha、Ha+Ma、K2+Ma组),3种菌复配设1组(K2+Ha+Ma组),另设1个不添加菌的对照组(CON组),每组均设5个重复。K2、Ha和Ma的添加浓度分别为1×108、1×107 和1×107 CFU/g。

1.2.2 瘤胃体外发酵

1.2.2.1 瘤胃液采集与人工瘤胃液配制

瘤胃液取自河北省保定市某屠宰场。采集4只刚屠宰的健康育肥羊瘤胃液,经4层纱布过滤,迅速装入预热的保温瓶。瘤胃液采集前,通入二氧化碳(CO2)除氧5 min,用EL-20酸度计对所采集的瘤胃液进行测定,pH正常的瘤胃液才能用于后续试验。瘤胃液采集后继续通入CO2约5 min,迅速带回实验室用于配制人工瘤胃液。在39 ℃水浴恒温振荡器上将采集的瘤胃液和瘤胃缓冲液按1∶3的比例混合,混合期间持续的通入CO2,瘤胃缓冲液按照Menke等[8]的方法进行配制。

1.2.2.2 体外发酵工艺

称取5.0 g基础饲粮于300目尼龙网袋中,并根据上述试验设计添加益生菌,然后放入发酵吸嘴袋中,除氧密封;将发酵吸嘴袋置于39 ℃恒温水浴振荡器中,将人工瘤胃液注入吸嘴袋,以45 r/min的振荡频率进行体外发酵48 h,分别于发酵2、4、6、8、10、12、24、36和48 h使用注射器抽出气体,记录产气量。发酵结束后,将发酵吸嘴袋迅速放入冰水浴中终止发酵。

1.2.3 测定指标及方法

1.2.3.1 产气参数测定

将各组发酵2、4、6、8、10、12、24、36和48 h时的产气量代入Orskov等[9]的产气量模型计算产气量,表达式为:

GP=a+b(1-e-ct)。

式中:t为发酵时间(h);GPt时刻时的产气量(mL);a为快速降解部分产气量(mL);b为慢速降解部分产气量(mL);c为b的产气速率(%/h);a+b为理论总产气量(mL)。

1.2.3.2 养分降解率测定

发酵结束后,将装有发酵残渣的尼龙袋用蒸馏水冲洗后,105 ℃烘4 h至恒重。饲粮和发酵残渣中的干物质(DM)、粗蛋白质(CP)含量和总能(GE)的测定参照AOAC(2000)[10]方法,中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤纤维(ADF)含量测定采用Van Soest等[11]方法。饲粮中钙、磷含量分别参照《饲料中钙的测定》(GB/T 6436—2018)、《饲料中总磷的测定分光光度法》(GB/T 6437—2018)进行测定。DM、CP、GE、NDF和ADF的降解率的计算公式如下:

养分降解率(%)=[(饲粮养分含量-发酵残渣养分含量)/饲粮养分含量]×100。

1.2.3.3 氨态氮(NH3-N)、微生物蛋白(MCP)、挥发性脂肪酸(VFA)含量和pH测定

发酵结束测定各发酵袋中人工瘤胃液的pH,并且每个发酵袋取10 mL瘤胃液,-20 ℃保存待测NH3-N、MCP和VFA含量。NH3-N和MCP含量分别采用靛酚比色法[12]和考马斯亮蓝法[13]测定,VFA含量采用气相色谱分析法[14]测定。

1.3 数据分析

利用SPSS 20.0软件对数据进行单因素方差分析,并采用Duncan氏法进行多重比较,以P<0.05表示差异显著,P>0.05表示差异不显著。

2 结果与分析

2.1 益生菌单菌及复配对瘤胃体外发酵产气量及产气参数的影响

表2所示,各发酵时间不同组间产气量均表现出显著差异(P<0.05)。与对照组比较,除了发酵6、8、24 h,各发酵时间3个单菌组的各产气量均未表现出显著差异(P>0.05),但发酵10~48 h,2种菌复配或3种菌复配与对照组相比表现出增加趋势,尤其发酵48 h时,K2+Ma组和3种菌复配组(K2+Ha+Ma组)的产气量最高,较对照组分别显著增加了9.54%和6.32%(P<0.05),而且K2+Ma组产气量显著高于K2和Ma组(P<0.05),3种菌复配组产气量显著高于K2组(P<0.05)。从快速降解部分产气量(a)和慢速降解部分产气量(b)分析,3个2种菌复配组(K2+Ha、Ha+Ma和K2+Ma组)和3种菌复配组的a值均显著高于对照组(P<0.05),且Ma组的a值较对照组、K2组和Ha组分别显著增加了31.79%、23.99%和23.45%(P<0.05),其他2个单菌组的a值与对照组之间差异不显著(P>0.05)。K2+Ma组和3种菌复配组的b值显著高于对照组、K2组和K2+Ha组(P<0.05),并且K2+Ma组和3种菌复配组的理论总产气量(a+b)值也显著高于其他各组(P<0.05)。
表2 益生菌单菌及复配对瘤胃体外发酵产气量及产气参数的影响

Table 2 Effects of probiotic single and combinations on gas production and gas production parameters of rumen in vitro fermentation

项目
Items
组别 Groups SEM P
P-value
CON K2 Ha Ma K2+
Ha
Ha+
Ma
K2+
Ma
K2+Ha+
Ma
产气量 Gas production/(mL/g)
2 h 8.17ab 5.25b 8.87b 8.68b 6.92b 7.08b 11.17a 6.83b 0.60 <0.01
4 h 18.08cd 17.58d 19.18cd 22.13bc 18.83cd 24.52ab 28.25a 27.45a 0.77 <0.01
6 h 91.27ab 79.97cd 73.83de 85.68bc 69.38e 83.22bc 95.17a 67.00e 1.70 <0.01
8 h 172.50ab 196.03a 132.83c 172.17b 111.33c 174.18ab 133.00c 115.42c 4.26 <0.01
10 h 171.75c 169.25c 184.23bc 190.03bc 183.33bc 188.80bc 228.50a 204.67ab 4.06 <0.01
12 h 204.85c 190.13c 211.83bc 218.68bc 212.08bc 236.58ab 252.78a 230.08abc 5.13 <0.01
24 h 283.25bcd 282.25cd 276.75cd 320.50ab 272.50d 310.17abc 323.17a 311.83abc 6.95 <0.01
36 h 428.67ab 412.33bc 421.63abc 420.32abc 388.38c 446.67ab 454.82a 442.48ab 4.81 <0.01
48 h 444.07cde 431.48e 448.00bcde 458.77bcd 433.17de 465.18abc 486.47a 472.12ab 4.79 <0.01
产气参数 Gas production parameters
a/mL 46.39c 49.31bc 49.28bc 61.14a 52.58b 62.52a 64.46a 64.08a 3.51 <0.01
b/mL 541.35cd 520.50d 555.18abcd 546.92bcd 525.99d 563.62abc 581.76ab 587.63a 7.00 <0.01
c/(×103 h/%) 0.05ab 0.05ab 0.05b 0.06a 0.05ab 0.06a 0.06a 0.05ab 0.00 <0.01
a+b/mL 587.74d 569.81e 604.46c 608.06c 578.57de 626.14b 646.22a 651.71a 6.27 <0.01

同行数据肩标不同小写字母表示差异显著(P<0.05),相同小写字母或者无字母表示差异不显著(P>0.05)。下表同。

a:快速降解部分产气量;b:慢速降解部分产气量;c:b的产气速率;a+b:理论总产气量。

In the same row, values with different small letter superscripts mean significant difference (P<0.05), while with the same small letter or no letter superscripts mean no significant difference (P>0.05). The same as below.

a: gas production of fast-degradable fraction; b: gas production of slow-degradable fraction; c: rate of gas production of slow-degradable fraction; a+b: theoretical gas production.

2.2 益生菌单菌及复配对瘤胃体外发酵pH及NH3-N、MCP和VFA含量的影响

表3所示,所有组中,K2+Ma组MCP含量最高,显著高于对照组、K2组、Ha组、Ma组和3种菌复配组(P<0.05),而其他各组间差异不显著(P>0.05)。pH和NH3-N含量各组间差异也未达到显著水平(P>0.05)。
表3 益生菌单菌及复配对瘤胃体外发酵pH及NH3-N、MCP含量的影响

Table 3 Effects of probiotic single and combinations on pH and NH3-N、MCP contents of rumen in vitro fermentation

项目
Items
组别 Groups SEM P
P-value
CON K2 Ha Ma K2+
Ha
Ha+
Ma
K2+
Ma
K2+Ha+
Ma
pH 6.00 5.90 6.07 5.90 5.87 6.03 5.97 5.97 0.02 0.06
氨态氮
NH3-N/
(mg/dL)
35.70 35.77 34.47 35.63 34.23 33.97 30.33 33.87 0.57 0.30
微生物蛋白
MCP/
(mg/dL)
0.39b 0.38b 0.41b 0.38b 0.41ab 0.43ab 0.47a 0.40b 0.01 <0.01
表4所示,K2+Ma组丙酸和总挥发性脂肪酸(TVFA)含量显著高于对照组(P<0.05),较对照组分别提高了3.09和7.43 mmol/L,而其他各组间差异不显著(P>0.05),乙酸、丁酸、戊酸含量以及乙酸/丙酸各组间也未表现出显著差异(P>0.05)。
表4 益生菌单菌及复配对瘤胃体外发酵挥发性脂肪酸含量的影响

Table 4 Effects of probiotic single and combinations on VFA contents of of rumen in vitro fermentation

项目
Item
组别 Groups SEM P
P-value
CON K2 Ha Ma K2+
Ha
Ha+
Ma
K2+
Ma
K2+Ha+
Ma
乙酸
Acetate/
(mmol/L)
15.84 15.78 15.72 17.44 17.36 17.59 18.25 18.10 0.32 0.18
丙酸
Propionate/
(mmol/L)
9.40b 9.93ab 10.41ab 11.63ab 11.77ab 11.60ab 12.49a 10.63ab 0.27 0.03
丁酸
Butyrate/
(mmol/L)
9.68 8.96 9.69 10.24 9.70 10.68 11.20 9.62 0.63 0.39
戊酸
Valerate/
(mmol/L)
4.23 4.63 4.61 4.63 5.01 4.40 4.63 4.50 0.19 0.41
总挥发性
脂肪酸
TVFA/
(mmol/L)
39.15b 39.30b 40.43b 43.94ab 43.84ab 44.27ab 46.58a 42.85ab 1.04 <0.01
乙酸/丙酸
Acetate/
propionate
1.69 1.60 1.52 1.50 1.49 1.53 1.47 1.70 0.09 0.56

2.3 益生菌单菌及复配对瘤胃体外发酵养分降解率的影响

表5所示,K2+Ma组的DM、GE和CP降解率显著高于对照组、K2组和Ha组(P<0.05),另外,3种菌复配组的ADF和NDF降解率均显著高于对照组和其他单菌组(P<0.05)。
表5 益生菌单菌及复配对瘤胃体外发酵养分降解率的影响

Table 5 Effects of probiotic single and combinations on nutrient degradation rates of rumen in vitro fermentation%

项目
Items
组别 Groups SEM P
P-value
CON K2 Ha Ma K2+
Ha
Ha+
Ma
K2+
Ma
K2+Ha+
Ma
干物质 DM 57.94b 59.26b 59.78b 60.08ab 60.14ab 61.54ab 63.65a 60.56ab 0.41 <0.01
总能 GE 56.68cd 56.62cd 57.30cd 56.17d 56.76cd 60.90ab 63.79a 60.12bc 0.53 <0.01
粗蛋白质 CP 77.01b 77.82b 77.57b 79.60ab 78.51b 79.41ab 82.48a 80.02ab 0.42 <0.01
中性洗涤纤维
NDF
44.97bc 44.53c 44.33c 45.73bc 45.57bc 50.40a 48.27ab 50.23a 0.40 <0.01
酸性洗涤纤维
ADF
28.28c 28.33c 29.83c 30.27bc 29.92bc 32.22ab 30.28bc 33.98a 0.58 <0.01

3 讨论

3.1 益生菌单菌及复配对瘤胃体外发酵产气参数及养分降解率的影响

产气参数能反映瘤胃微生物对底物的发酵效果,主要包括产气量和产气速率。产气量是表达瘤胃整体发酵水平的重要参数,反映了瘤胃微生物总体变化趋势和营养物质消化率,也可间接反映养分可降解的程度[15],主要包括a、b和a+b。本研究中,K2+Ma组和3种菌复配组的产气效果较好,说明复合益生菌有助于加强瘤胃微生物功能,使瘤胃产气量增加[16]。不同的益生菌其益生性差异很大,3种益生菌可以起到协同的效果,如3种菌复配显著增加了NDF和ADF的降解率,较单菌分别提高了4.50%~5.90%和3.71%~5.65%。已有研究认为,酵母菌发酵速度快,但是不能分解乳糖,而乳酸菌可分解乳糖产生半乳糖为酵母菌所用[17]。乳酸菌分解蛋白质的能力较弱,而酵母菌可分解蛋白质产生各种氨基酸为乳酸菌所用[18-19],所以益生菌复配应用可以在功能上互补。本试验结果表明,K2+Ma组饲粮中DM、CP和GE的降解率显著提高,可能由于乳酸菌和酵母菌复配优化了瘤胃菌群结构,提高了菌群的丰度和多样性,充分降解饲粮中的营养物质,关于益生菌复配对瘤胃微生物菌群的影响有待后续进一步研究。

3.2 益生菌单菌和复配对瘤胃体外发酵NH3-N和VFA含量的影响

瘤胃中的NH3-N含量能够反映蛋白质在瘤胃内的降解速率,瘤胃微生物可将其转化为MCP,而MCP的含量反映瘤胃微生物的种群数量,与微生物利用NH3-N的能力有关[20]。本研究中,K2+Ma组MCP含量显著提高,但NH3-N含量降低,可能因为益生菌复配能加快饲粮纤维降解速率,从而导致NH3-N流出瘤胃速度加快[21],降低瘤胃NH3-N含量,也可能是由于高剂量益生菌促进瘤胃微生物利用NH3-N合成更多的MCP,从而导致NH3-N含量降低[22]。pH是反映瘤胃状态的重要指标,正常范围在5.5~7.5,本试验各组间瘤胃pH无显著差异且均在正常范围之内,与文献报道结果[23]相一致。
VFA作为反刍动物发酵碳水化合物的主要产物,主要包括乙酸、丙酸和丁酸等,VFA被瘤胃壁吸收后可提供机体所吸收能量的60%~80%[24-25],且其含量及组成比例可以衡量瘤胃的发酵能力。本研究结果表明,K2使瘤胃液中丙酸含量增加,因为该菌产生的乳酸可以在瘤胃中被微生物进一步转化为丙酸,这与Mcdonald等[26]和Beauchemin等[27]报道的研究结果基本一致,研究认为,饲粮中添加肠球菌能够提高瘤胃丙酸含量,并且认为益生菌能有效降解瘤胃内非结构性碳水化合物,对瘤胃发酵特性具有改善作用。Beauchemin等[27]研究也指出,酵母菌饲料添加剂可以提高瘤胃内纤维降解菌的活性,加快纤维素和半纤维素的降解速度,导致瘤胃TVFA含量升高。另外,本研究中,K2+Ma组合导致了丙酸和TVFA含量增加,高于K2和Ma单独添加的效果,说明2种益生菌可以协同促进饲粮在瘤胃内降解。

4 结论

本试验的体外发酵条件下,K2+Ma和K2+Ha+Ma的组合发酵效果较好,48 h产气量分别达486.47和472.12 mL,a、b和a+b均显著增加,且在一定程度上提高了养分降解率。
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