Comparison of Nutritional Value and Protein Molecular Structures of Three Different Cultivars of Sweet Sorghum

ZHANG Siqi; LYU Jingyi; WEI Ziheng; LI Peilong; CHEN You; WU Wenbin; XIN Hangshu; SUN Fang

doi:10.12418/CJAN2023.616

Chinese Journal of Animal Nutrition >

2023 , Vol. 35 >Issue 10: 6759 - 6772

DOI: https://doi.org/10.12418/CJAN2023.616

RESEARCH PAPER

Comparison of Nutritional Value and Protein Molecular Structures of Three Different Cultivars of Sweet Sorghum

ZHANG Siqi ^,¹ ,
LYU Jingyi ¹ ,
WEI Ziheng ²^,³ ,
LI Peilong ⁴ ,
CHEN You ⁵ ,
WU Wenbin ⁶ ,
XIN Hangshu ^,¹^,^* ,
SUN Fang ^,²^,³^,^*

Expand

¹ College of Animal Science and Technology, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China
² Institute of Animal Husbandry of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Harbin 150086, China
³ College of Animal Science and Veterinary Medicine, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China
⁴ Nanjing Yuangu Biotechnology Company Limited, Nanjing 210036, China
⁵ Fujin Animal Disease Prevention and Control Center, Jiamusi 156100, China
⁶ Langfang Zhijiangwagyu Trading Company Limited, Langfang 065300, China

*XIN Hangshu, professor, E-mail: hangshu.xin@neau.edu.cn;

SUN Fang, professor, E-mail: Hljxmsf@163.com

Received date: 2023-04-23

Online published: 2023-10-12

Fold

Abstract

This experiment was conducted to evaluate the nutritional value of three different cultivars of sweet sorghum (Bull Demon King sweet sorghum, Manatee sweet sorghum, Hulk sweet sorghum) using wet chemical analysis, model evaluation, and spectroscopic analysis. The experiment was designed as a single factor design, with alfalfa hay being the positive control and corn stover being the negative control. Conventional nutritional analysis, the Cornell Net Carbohydrate Protein System (CNCPS), energy values estimation, nylon bag method, and the DVE/OEB₂₀₁₀ model prediction were employed in this study. Meanwhile, the infrared spectroscopy technology was used to analyze the protein molecular structures of the samples. The results were showed as follows: 1) there were significant differences in the conventional nutritional components among the three sweet sorghums (P<0.05). Hulk sweet sorghum had the highest contents of crude protein, non-protein nitrogen and soluble protein; while Bull Demon King sweet sorghum had the highest contents of ash, neutral detergent fiber, acid detergent fiber, acid detergent lignin, starch, neutral detergent insoluble crude protein and acid detergent insoluble crude protein. 2) Hulk sweet sorghum’s slowly degradable protein components, undegradable protein, non-degradable carbohydrate components and carbohydrate content were significantly lower than those of other sweet sorghum samples (P<0.05). 3) Hulk sweet sorghum’s digestible protein, total digestible nutrients and energy values were significantly higher than the other two sweet sorghums (P<0.05). 4) Hulk sweet sorghum had the highest rumen degradable protein content among sweet sorghum samples and the lowest rumen degradable neutral detergent fiber content (P<0.05). 5) The OEB values of Bull Demon King sweet sorghum and Manatee sweet sorghum were 9.07 to 9.35 g/kg DM, with Hulk sweet sorghum having the highest value at 52.95 g/kg DM. 6) There were significant correlations in the spectral parameters of protein primary structure (Amide Ⅰ and Amide Ⅱ) and secondary structure (α-helix and β-sheet) among different feed samples (P<0.05). In conclusion, there are remarkable differences in nutritional characteristics of the three sweet sorghum cultivars, with Hulk sweet sorghum having relatively higher nutritional value.

Key words： sweet sorghum; nutritional values; DVE/OEB₂₀₁₀; protein molecular structures

Cite this article

ZHANG Siqi , LYU Jingyi , WEI Ziheng , LI Peilong , CHEN You , WU Wenbin , XIN Hangshu , SUN Fang . Comparison of Nutritional Value and Protein Molecular Structures of Three Different Cultivars of Sweet Sorghum[J]. Chinese Journal of Animal Nutrition, 2023 , 35(10) : 6759 -6772 . DOI: 10.12418/CJAN2023.616

目前,随着我国牛、羊规模养殖的不断发展,优质粗饲料资源不足的问题也逐渐显露出来,饲草的供给量不能满足畜牧养殖业的发展,仍需大量进口优质牧草^[1]。因此,不断开发新的粗饲料资源和深入挖掘饲料潜能意义重大。甜高粱作为一种C₄植物,光合作用效率高,氮素利用效率高,其生物产量是常用的青贮作物玉米的2~3倍^[2]。饲用甜高粱适口性好、易消化、利用性强,1年可以刈割2~5次,夏季刈割可以用于青饲,秋末收获也可以制成青贮^[3-4],且甜高粱具有耐寒、耐旱、耐涝、耐瘠薄、适应性强等优质特性^[5-6]。因此,选择甜高粱等生物产量高的C₄作物与集约化反刍动物养殖相结合,可能是支持现代生态农业发展的更优方案,合理开发利用甜高粱等优质饲草资源,可以降低饲草供应压力,促进畜牧业的可持续发展。

王宏博等^[7]用50%甜高粱秸秆替代50%玉米秸秆进行饲养试验,发现甜高粱替代方案对羔羊育肥成效显著,与完全使用玉米秸秆组相比,羔羊日增重提高了4.21 g,干物质(DM)、中性洗涤纤维(NDF)表观消化率也得到显著提高。在奶牛养殖中,饲喂甜高粱不仅没有对奶牛的生产性能产生不良影响^[8],还提高了牛奶中亚麻酸的含量,并能够有效预防奶牛乳房炎的发生^[9]。Sánchez-Duarte等^[10]研究发现,与饲喂玉米青贮料的奶牛相比,饲喂甜高粱青贮料的奶牛平均每头产奶量提高1.64 kg/d,乳脂浓度提高0.09%,乳脂产量提高0.08 kg/d,乳蛋白产量提高0.04 kg/d。

我国地域辽阔,但饲草资源紧张,因此,科学合理地开发甜高粱的饲用价值,可有效缓解粗饲料资源不足的问题,为畜牧业的发展提供物质保证。我国针对不同甜高粱品种的多角度品质评价方法尚缺乏系统的研究。甜高粱有很多品种,如大卡、百战、海牛、绿巨人等,本试验从甜高粱品种特性及市场选择等方面综合考量,选取了3个抗逆性、抗病性和抗倒伏性较强,且植株高大、生物量高的甜高粱品种,即牛魔王、海牛和绿巨人。其中,牛魔王属于褐色中脉型(brown midrib genotype,BMR)品种,其纤维含量低,总可消化养分含量高^[11];海牛为光周期敏感型(photoperiod sensitive,PPS)品种^[12],营养体生长的时间长,干草产量大;而绿巨人分蘖性强、鲜草产量高,适口性好^[13]。

基于此,本研究采用湿化学分析法、模型预测和光谱分析等方法,比较3种甜高粱,即牛魔王、海牛和绿巨人的营养价值,旨在挑选出优质的甜高粱品种,为后续的深入挖掘和推广应用提供数据基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验选取3个品种甜高粱(均处于拔节期),分别为牛魔王、海牛和绿巨人,正对照组为苜蓿干草,负对照组为玉米秸秆。每种样品均有2个重复(来源于2个不同的种植区,每个重复内设置3个平行),其中,甜高粱样品均由黑龙江省汤原鸿运畜牧养殖合作社提供,苜蓿样品采自甘肃省酒泉市,玉米秸秆样品采自吉林省公主岭市。所有样品在55 ℃烘箱中烘干至恒重后分成2份,一份粉碎至1.0 mm用于常规化学成分分析和瘤胃降解参数的测定,另一份粉碎至0.25 mm用于光谱扫描。

1.2 测定指标及方法

1.2.1 常规营养成分分析

根据AOAC(1990)^[14]的方法测定了DM、粗灰分(Ash)、粗蛋白质(CP)和粗脂肪(EE)的含量;NDF、酸性洗涤纤维(ADF)和酸性洗涤木质素(ADL)的含量采用Van Soest等^[15]的方法进行测定(Ankom 200纤维分析仪);使用Licitra等^[16]的方法测定中性洗涤不溶蛋白质(NDICP)、酸性洗涤不溶蛋白质(ADICP)和非蛋白氮(NPN)的含量;可溶性蛋白质(SCP)的含量参照Roe等^[17]的方法测定;淀粉(Starch)含量测定使用Megazyme总淀粉试剂盒(产品编号:K-TSTA;Megazeme国际爱尔兰有限公司,爱尔兰);碳水化合物(CHO)含量根据NRC(2001)^[18]进行计算,CHO=100-EE-CP-Ash。

1.2.2 康奈尔净碳水化合物-蛋白质体系(CNCPS)组分测定

使用CNCPS公式^[19]计算蛋白质和CHO组分含量。蛋白质分为以下组分:1)PA,非蛋白氮(其降解速率是无限的)。2)PB根据瘤胃降解率的差异进行划分。PB₁是快速降解蛋白质;PB₂是中速降解蛋白质;PB₃是慢速降解蛋白质。PB₁、PB₂和PB₃的降解速率分别为1.20~4.00 h^-1、0.03~0.16 h^-1和0.000 6~0.005 5 h^-1。3)PC被认为是不可降解的蛋白质(ADICP)^[19]。CHO分为以下组分:1)CA,是可快速降解的CHO,由可溶性糖组成,降解速率为3.00 h^-1;2)CB₁是中速降解CHO,如淀粉或果胶,降解速率为0.20~0.50 h^-1;3)CB₂是慢速降解CHO,如可用纤维,降解速率为0.02~0.10 h^-1;4)CC是不可降解CHO,如不可利用纤维^[19]。各组分计算公式^[19]如下:

PA(% CP)=NPN(%SCP)×0.01×SCP(%CP);

PB₁(% CP)=SCP(%CP)-PA(%CP);

PB₂(% CP)=100-PA(%CP)-PB₁(%CP)-PB₃(%CP)-PC(%CP);

PB₃(% CP)=NDICP(%CP)-ADICP(%CP);

PC(% CP)=ADICP(%CP);

CA(% CHO)=[100-Starch(%NSC)]×[100-CB₂(%CHO)-CC(%CHO)]/100;

CB₁(% CHO)=Starch(%NSC)×[100-CB₂(%CHO)-CC(%CHO)]/100;

CB₂(% CHO)=100×[NDF(% DM)-NDICP(% CP)×0.01×CP(% DM)-NDF(% DM)×0.01×ADL(% NDF)×2.4]/CHO(% DM);

CC(% CHO)=100×[NDF(%DM)×0.01×

ADL(%DM)×2.4]/CHO(%DM);

NSC(% CHO)=100-CB₂(%CHO)-CC(%CHO);

CHO(% DM)=100-CP(%DM)-EE(%DM)-Ash(%DM)。

1.2.3 能值估算

本试验中,估测的能值有:总可消化养分(TDN)、消化能(DE)、代谢能(ME)、净能(NE)、总可消化非纤维性碳水化合物(td NFC)、总可消化粗蛋白质(td CP)、总可消化中性洗涤纤维(td NDF)、总可消化脂肪酸(td FA)、1倍维持需要总可消化养分(TDN_1×)、1倍维持需要消化能(DE_1×)、3倍维持需要消化能(DE_3×)、3倍维持需要代谢能(ME_3×)和3倍维持产奶净能(NEL_3×),均参照NRC(2001)^[18](奶牛)和NRC(1996)^[20](肉牛)进行计算。

1.2.4 瘤胃降解特性

采用Madsen等^[21]的方法,测定5种饲料样本CP和NDF的瘤胃降解参数。供体瘤胃瘘管牛为3头健康的荷斯坦干奶牛,单栏饲养,每天06:00和18:00饲喂[饲料配方满足NRC(2001)^[18]维持水平的要求]。准确称取2.0 g样品放入已称重的尼龙袋(80 mm×150 mm,孔径38~40 μm)中,用橡皮筋扎紧袋口。每个时间点、每个样本设置6个重复。将每个时间点装有不同样本的尼龙袋混合均匀,按照“依次放入/全部取出”原则随机放入瘤胃培养72、48、36、24、16、12、8、4、2和0 h。培养结束后,将所有尼龙袋从瘤胃中取出,放入冰水中终止发酵(包括0 h的尼龙袋),再用自来水冲洗直至澄清,取出后沥干水分,放入55 ℃烘箱中干燥48 h,室温回潮24 h,将干燥的样品在4 ℃下储存,待进一步的化学分析。

根据Ørskov等^[22]的描述,采用瘤胃动力学数学指数模型计算CP和NDF的瘤胃降解率。运用SAS 9.4非线性模型(NLIN)和迭代最小二乘回归法对数据进行处理,计算公式如下:

R(t)=U+(100-S-U)× $e (- k d × (t - T 0))$ 。

式中:R(t)为培养t小时后的残渣(%);S为可溶性组分(g/100 g CP);U为潜在不可降解组分(g/100 g CP);K_d为降解速率(h^-1);T₀为滞后时间(h)。

根据NRC(2001)^[18]模型计算营养物质的瘤胃不可降解率(RU)和有效降解率(ED),计算公式如下:

EDCP(g/100 g)=S+D× $K d K p + K d$ ;

RUP(g/100 g)=U+D× $K p K p + K d$ 。

式中:EDCP为瘤胃有效降解粗蛋白质(g/kg DM);RUP为瘤胃不可降解粗蛋白质(g/kg DM);S为可溶性组分(g/100 g CP);D为潜在可降解组分(g/100 g CP);U为潜在不可降解组分(g/100 g CP);K_d为降解速率(h^-1);瘤胃外流速度K_p为0.045

h - 1

。^[23]

1.2.5 利用DVE/OEB₂₀₁₀模型评定饲料价值

使用Van Duinkerken等^[24]更新的DVE/OEB₂₀₁₀数学模型来计算样本的可代谢蛋白质(MP)含量、小肠中真消化和吸收蛋白质(DVE)和蛋白质降解平衡值(OEB)。

1.2.6 利用红外光谱技术分析饲料的蛋白质结构

在东北农业大学动物科学技术学院反刍动物营养实验室,使用WGH-30双光束红外分光光度计(天津港东科技股份有限公司)对5种样本进行光谱数据采集。每个样品在4 000~400 cm^-1扫描波段内扫描5次,在4 cm^-1的光谱分辨率下进行2次联合扫描。使用OMNIC 8.2软件(Thermo Nicolet公司,美国)对样本光谱数据进行收集分析。

根据文献确定样本的蛋白质官能团(包括峰高和峰面积)以及基线位置^[25]。本试验对样本中与蛋白质分子结构相关的光谱参数进行了分析。蛋白质酰胺Ⅰ带(峰落在1 859~1 576 cm^-1)和酰胺Ⅱ带(峰落在1 576~1 496 cm^-1)的蛋白质基线为1 859~1 496 cm^-1。通过OMNIC 8.2软件中的傅里叶自去卷积(FSD)功能,检测蛋白质二级结构中的α-螺旋和β-折叠,在酰胺Ⅰ带出峰区域内确定,α-螺旋和β-折叠的峰分别落在1 660~1 648 cm^-1和1 641~1 612 cm^-1。根据相应的光谱数据计算光谱的峰高、峰面积、峰高比和峰面积比。

1.3 数据统计与分析

采用SAS 9.4软件中的GLM程序对样本化学成分、CNCPS组分、可消化养分、能值、瘤胃降解参数、分子结构以及潜在的营养供应进行数据分析。采用Duncan氏法进行多重比较,P<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 常规营养成分

由表1可知,牛魔王的Ash含量最高(10.29% DM),比玉米秸秆高4.46% DM。绿巨人的CP、SCP含量仅次于苜蓿干草,分别比其他样本高3.89%~11.23% DM和3.77%~6.27% DM。甜高粱的NDF、ADF含量在玉米秸秆和苜蓿干草之间,玉米秸秆最高,苜蓿干草最低,在3个品种的甜高粱中,NDF、ADF含量由高到低依次是牛魔王、海牛、绿巨人,其中,绿巨人的ADF含量比玉米秸秆低15.18% DM。苜蓿干草和玉米秸秆的ADL含量显著高于甜高粱(P<0.05),牛魔王的ADL含量在3个品种甜高粱中最高,海牛居中,绿巨人最低。苜蓿干草的Starch含量最高,其次是牛魔王、绿巨人、海牛和玉米秸秆。绿巨人的NPN在所有样本中含量最高,为5.72% DM,比玉米秸秆高5.67% DM。样本中NDICP、ADICP含量排序为牛魔王>海牛>绿巨人>苜蓿干草>玉米秸秆。样本间EE含量差异不显著(P>0.05)。

表1 牛魔王甜高粱、海牛甜高粱、绿巨人甜高粱、苜蓿干草和玉米秸秆的营养成分(干物质基础)

Table 1 Nutrient composition of Bull Demon King sweet sorghum, Manatee sweet sorghum, Hulk sweet sorghum, alfalfa hay and corn straw (DM basis)%

项目 Items	牛魔王甜高粱 Bull Demon King sweet sorghum	海牛甜高粱 Manatee sweet sorghum	绿巨人甜高粱 Hulk sweet sorghum	苜蓿干草 Alfalfa hay	玉米秸秆 Corn straw	SEM	P值 P-value
粗灰分 Ash	10.29^a	8.70^bc	8.22^c	9.36^b	5.83^d	0.271	<0.01
粗蛋白质 CP	9.72^c	9.37^c	13.61^b	16.97^a	2.38^d	0.347	<0.01
粗脂肪 EE	1.97	2.01	2.89	2.92	2.20	0.308	0.08
中性洗涤纤维 NDF	71.85^b	70.95^b	67.28^c	46.86^d	84.04^a	0.689	<0.01
酸性洗涤纤维 ADF	43.03^b	41.70^b	38.26^c	32.67^d	53.44^a	0.568	<0.01
酸性洗涤木质素 ADL	6.35^b	5.47^bc	4.27^c	8.72^a	8.28^a	0.438	<0.01
淀粉 Starch	0.25^b	0.22^c	0.22^c	0.68^a	0.15^d	0.010	<0.01
非蛋白氮 NPN	2.55^b	2.17^b	5.72^a	5.69^a	0.05^c	0.308	<0.01
中性洗涤不溶蛋白质 NDICP	4.32^a	4.14^a	3.67^b	3.07^c	1.27^d	0.104	<0.01
酸性洗涤不溶蛋白质 ADICP	1.36^a	1.19^b	1.14^b	1.14^b	0.45^c	0.048	<0.01
可溶性蛋白质SCP	2.93^c	2.21^c	6.70^b	8.74^a	0.43^d	0.478	<0.01

	同行数据肩标不同字母表示差异显著(P<0.05),无字母或相同字母表示差异不显著(P>0.05)。下表同。
	In the same row, values with different letter superscripts mean significant difference(P<0.05), while with no letter or the same letter superscripts mean no significant difference (P>0.05). The same as below.

2.2 CNCPS组分

由表2可知,5个饲料样本的CNCPS蛋白质和CHO组分均存在显著差异。对于蛋白质组分,绿巨人的PA含量最高(41.66% CP),显著高于其他样本(P<0.05),比玉米秸秆高39.40% CP。绿巨人的PB₁含量显著高于牛魔王和海牛,而PB₃、PC含量最低。苜蓿干草的PB₁含量(17.84% CP)最高,PB₃、PC含量最低。玉米秸秆的PA含量最低,PB₃、PC含量最高,玉米秸秆的PC含量比甜高粱高4.83%~10.38% CP。

表2 牛魔王甜高粱、海牛甜高粱、绿巨人甜高粱、苜蓿干草和玉米秸秆CNCPS组分分析

Table 2 CNCPS components analysis of Bull Demon King sweet sorghum, Manatee sweet sorghum, Hulk sweet sorghum, alfalfa hay and corn straw

项目 Items	牛魔王甜高粱 Bull Demon King sweet sorghum	海牛甜高粱 Manatee sweet sorghum	绿巨人甜高粱 Hulk sweet sorghum	苜蓿干草 Alfalfa hay	玉米秸秆 Corn straw	SEM	P值 P-value
非蛋白氮 PA/% CP	26.23^c	22.83^c	41.66^a	33.52^b	2.26^d	2.201	<0.01
快速降解蛋白质 PB₁/% CP	3.85^c	0.60^c	7.02^bc	17.84^a	15.96^ab	3.175	<0.01
中速降解蛋白质 PB₂/% CP	25.54	32.90	23.85	30.53	28.38	2.545	0.12
慢速降解蛋白质 PB₃/% CP	30.35^b	31.07^ab	18.99^c	11.37^d	34.54^a	1.320	<0.01
不可利用氮 PC/% CP	14.03^b	12.60^b	8.48^c	6.74^c	18.86^a	0.704	<0.01
快速降解碳水化合物 CA/% CHO	13.12^c	16.07^b	15.24^b	36.52^a	7.44^d	0.724	<0.01
中速降解碳水化合物 CB₁/% CHO	0.32^b	0.27^b	0.29^b	0.98^a	0.17^c	0.017	<0.01
慢速降解碳水化合物 CB₂/% CHO	66.93^a	67.24^a	70.88^a	32.64^b	70.22^a	1.418	<0.01
不可降解碳水化合物 CC/% CHO	19.63^bc	16.42^cd	13.59^d	29.86^a	22.17^b	1.431	<0.01
碳水化合物 CHO/% DM	78.02^c	79.92^b	75.28^d	70.06^e	89.59^a	0.629	<0.01

从CHO组分看,甜高粱的CA、CB₁含量在苜蓿干草和玉米秸秆之间,苜蓿干草最高,比甜高粱高20.45%~23.40% CHO,玉米秸秆最低。绿巨人的CB₂含量(70.88% CHO)最高,和玉米秸秆含量相似,其次是海牛、牛魔王和苜蓿干草,甜高粱样本的CB₂含量比苜蓿干草高34.29% CHO~38.24% CHO。绿巨人的CC含量在所有样本中最低,为13.59% CHO,低于其他样本2.83%~16.27% CHO。苜蓿干草的CHO含量显著低于其他样本(P<0.05),其次是绿巨人、牛魔王、海牛和玉米秸秆。

2.3 能值

由表3可知,5种样本的可消化养分含量和能值存在差异(P<0.05)。苜蓿干草的td NFC含量(25.75% DM)最高,显著高于甜高粱(P<0.05),玉米秸秆最低。绿巨人的td CP含量(12.31% DM)仅次于苜蓿干草(15.65% DM),牛魔王和海牛td CP含量分别为8.22% DM和8.05% DM,甜高粱的td CP含量高于玉米秸秆6.15%~10.41% DM。玉米秸秆的td NDF含量显著高于其他4种样本(P<0.05)。绿巨人的TDN_1×含量(58.16%DM)和苜蓿干草(57.61% DM)相似,显著高于牛魔王、海牛和玉米秸秆(P<0.05)。5种样本的能值均以苜蓿干草和绿巨人最高,海牛和牛魔王次之,玉米秸秆的各能值最低。

表3 用NRC(2001)和NRC(1996)模型估算牛魔王甜高粱、海牛甜高粱、绿巨人甜高粱、苜蓿干草和玉米秸秆的可消化养分和能值

Table 3 Digestible nutrients and energy values estimated using NRC (2001) and NRC (1996) models in Bull Demon King sweet sorghum, Manatee sweet sorghum, Hulk sweet sorghum, alfalfa hay and corn straw

项目 Items	牛魔王甜高粱 Bull Demon King sweet sorghum	海牛甜高粱 Manatee sweet sorghum	绿巨人甜高粱 Hulk sweet sorghum	苜蓿干草 Alfalfa hay	玉米秸秆 Corn straw	SEM	P值 P-value
可消化养分 Digestible nutrient/% DM
总可消化非纤维性碳水化合物 td NFC	10.28^b	12.84^b	11.44^b	25.75^a	6.68^c	0.798	<0.01
总可消化粗蛋白质 td CP	8.22^c	8.05^c	12.31^b	15.65^a	1.90^d	0.671	<0.01
总可消化中性洗涤纤维 td NDF	36.41^b	37.35^b	37.17^b	17.34^c	43.85^a	0.810	<0.01
总可消化脂肪酸 td FA	0.97	1.01	1.89	2.61	1.20	0.405	0.13
1倍维持需要总可消化养分 TDN_1×	50.08^c	53.51^b	58.16^a	57.61^a	48.12^c	0.748	<0.01
能值Energy values/(MJ/kg)
1倍维持需要消化能 D $E 1 × 1)$	2.21^c	2.35^b	2.61^a	2.63^a	2.04^d	0.034	<0.01
3倍维持需要消化能 D $E 3 × 1)$	2.33^c	2.41^b	2.59^a	2.63^a	2.18^d	0.023	<0.01
3倍维持需要代谢能 M $E 3 × 1)$	1.90^c	1.99^b	2.17^a	2.20^a	1.75^d	0.023	<0.01
3倍维持产奶净能 N $E L 3 × 1)$	1.14^c	1.21^b	1.33^a	1.36^a	1.04^d	0.016	<0.01
代谢能 ME²⁾	1.81^c	1.93^b	2.14^a	2.16^a	1.67^d	0.028	<0.01
维持净能 N $E m 2)$	0.97^c	1.09^b	1.28^a	1.30^a	0.84^d	0.027	<0.01
生长净能 N $E g 2)$	0.43^c	0.53^b	0.71^a	0.73^a	0.30^d	0.025	<0.01

1)奶牛营养需要NRC(2001)。Dairy cow nutrient requirements NRC(2001).

2)肉牛营养需要NRC(1996)。Beef nutrient requirements NRC(1996).

2.4 瘤胃降解特性

由表4可知,不同样本的CP和NDF瘤胃降解参数存在显著差异(P<0.05)。从CP瘤胃降解参数看,绿巨人的S组分(71.86 g/100 g CP)显著高于其他饲料样本,其次是苜蓿干草、海牛、牛魔王和玉米秸秆,甜高粱的S组分含量高于玉米秸秆15.20~33.31 g/100 g CP。甜高粱RUP和EDCP含量在苜蓿干草和玉米秸秆之间,苜蓿干草最高,玉米秸秆最低,绿巨人的EDCP含量高于其他品种甜高粱39.11~43.70 g/kg DM。不同饲料间K_d、D、U差异不显著(P>0.05)。

表4 牛魔王甜高粱、海牛甜高粱、绿巨人甜高粱、苜蓿干草和玉米秸秆的CP和NDF瘤胃降解参数

Table 4 Rumen degradation characteristics of CP and NDF in Bull Demon King sweet sorghum, Manatee sweet sorghum, Hulk sweet sorghum, alfalfa hay and corn straw

项目 Items	牛魔王甜高粱 Bull Demon King sweet sorghum	海牛甜高粱 Manatee sweet sorghum	绿巨人甜高粱 Hulk sweet sorghum	苜蓿干草 Alfalfa hay	玉米秸秆 Corn straw	SEM	P值 P-value
CP瘤胃降解参数 Rumen degradation characteristics of CP
K_d/h^-1	3.21	7.67	3.10	9.67	5.98	2.710	0.45
T₀/h	1.02	13.26	0.10	1.81	13.99	6.287	0.41
S/(g/100 g CP)	53.75^bc	58.92^ab	71.86^a	62.17^ab	38.55^c	4.218	0.02
D/(g/100 g CP)	38.11	29.13	25.33	32.12	18.11	15.448	0.91
U/(g/100 g CP)	8.14	11.95	2.81	5.70	43.34	19.456	0.61
RUP/(g/kg DM)	29.56^a	21.48^ab	24.72^a	27.06^a	15.74^b	2.299	0.05
EDCP/(g/kg DM)	67.67^c	72.26^c	111.37^b	142.65^a	8.05^d	5.272	<0.01
NDF瘤胃降解参数 Rumen degradation characteristics of NDF
K_d/h^-1	3.02	2.60	3.97	6.43	2.69	1.410	0.39
T₀/h	2.42	2.54	0.00	8.64	2.00	1.556	0.07
S/(g/100 g CP)	6.59^bc	8.22^b	1.13^d	17.23^a	3.70^cd	0.801	<0.01
D/(g/100 g CP)	69.45^a	72.95^a	68.27^a	37.09^c	56.14^b	2.676	<0.01
U/(g/100 g CP)	23.95^bc	18.83^c	30.60^b	45.67^a	40.16^a	2.074	<0.01
RUNDF/(g/kg DM)	470.88^b	461.87^b	450.34^b	294.95^c	634.02^a	10.657	<0.01
EDNDF/(g/kg DM)	247.61^a	247.64^a	222.46^ab	173.60^c	206.43^bc	10.015	0.01

	K_d为降解速率;T₀为滞后时间;S为可溶性组分;D为潜在可降解部分;U为潜在不可降解组分;RUP为瘤胃不可降解粗蛋白质;EDCP为瘤胃有效降解粗蛋白质;RUNDF为瘤胃不可降解中性洗涤纤维;EDNDF为瘤胃有效降解中性洗涤纤维。
	K_d was degradation rate; T₀ was lag time; S was soluble fraction; D was potentially degradable fraction; U was potentially undegradable fraction; RUP was undegradable crude protein in the rumen; EDCP was effective degradable crude protein in the rumen; RUNDF was undegradable neutral detergent fiber in the rumen; EDNDF was effective degradable neutral detergent fiber in the rumen.

从NDF瘤胃降解参数看,苜蓿干草的T₀、S组分和U组分显著高于其他饲料样本(P<0.05)。甜高粱的D组显著高于苜蓿干草和玉米秸秆(P<0.05),苜蓿干草最低,海牛D组分(72.95 g/100 g CP)最高,高于苜蓿干草35.86 g/100 g CP。甜高粱的U组分显著低于苜蓿干草和玉米秸秆(P<0.05),其中,海牛的U组分(18.83 g/100 g CP)最低,低于苜蓿干草26.84 g/100 g CP。甜高粱的RUNDF含量居于苜蓿干草和玉米秸秆之间,玉米秸秆最高,苜蓿干草最低,甜高粱的RUNDF含量低于玉米秸秆183.68~163.14 g/kg DM,绿巨人的RUNDF含量(450.34 g/kg DM)在甜高粱样本中最低。瘤胃EDNDF含量由高到低依次为海牛>牛魔王>绿巨人>玉米秸秆>苜蓿干草。饲料间K_d差异不显著(P>0.05)。

2.5 利用DVE/OEB₂₀₁₀模型评定饲料价值

使用DVE/OEB₂₀₁₀系统预测的5种饲料样本对奶牛潜在营养供应见表5。甜高粱的MCP含量在苜蓿干草和玉米秸秆之间,苜蓿干草最高,玉米秸秆最低。甜高粱与苜蓿干草的AMCP、BCP、DVE含量相似,均显著高于玉米秸秆(P<0.05),其中,甜高粱的DVE含量比玉米秸秆高21.56~25.33 g/kg DM。玉米秸秆的UDM和ENDP含量显著高于其他样本(P<0.05),分别高于甜高粱样本159.05~179.72 g/kg DM和11.93~13.48 g/kg DM,苜蓿干草UDM、ENDP含量均最低。NMCP和OEB值排序为:苜蓿干草>绿巨人>海牛>牛魔王>玉米秸秆。饲料间ABCP含量差异不显著(P>0.05)。

表5 使用更新的DVE/OEB₂₀₁₀系统预测牛魔王甜高粱、海牛甜高粱、绿巨人甜高粱、苜蓿干草和玉米秸秆对奶牛的潜在营养供应

Table 5 Prediction of potential nutrient supply to dairy cattle from Bull Demon King sweet sorghum, Manatee sweet sorghum, Hulk sweet sorghum, alfalfa hay and corn straw using the updated DVE/OE_B2010 systemg/kg DM

项目 Items	牛魔王甜高粱 Bull Demon King sweet sorghum	海牛甜高粱 Manatee sweet sorghum	绿巨人甜高粱 Hulk sweet sorghum	苜蓿干草 Alfalfa hay	玉米秸秆 Corn straw	SEM	P值 P-value
微生物蛋白质 Microbial protein
MCP	2.92^b	4.06^b	3.75^b	8.82^a	0.06^c	0.497	<0.01
AMCP	37.36^a	40.10^a	37.24^a	40.34^a	30.63^b	1.096	<0.01
未降解饲料蛋白质 Undegraded feed protein
BCP	29.56^a	21.48^ab	24.72^a	27.06^a	15.74^b	2.299	0.05
ABCP	12.48	7.33	7.44	8.23	5.81	1.452	0.13
内源性蛋白质 Endogenous protein
UDM	326.57^b	305.90^c	308.10^c	295.35^c	485.62^a	4.034	<0.01
ENDP	24.49^b	22.94^c	23.11^c	22.15^c	36.42^a	0.303	<0.01
代谢蛋白质 Metabolizable protein
DVE	25.35^a	24.49^a	21.58^a	26.42^a	0.02^b	2.026	<0.01
降解蛋白质平衡 Degraded protein balance
NMCP	67.67^c	72.26^c	111.37^b	142.65^a	8.05^d	5.272	<0.01
OEB	9.07^c	9.35^c	52.95^b	79.37^a	-40.01^d	4.938	<0.01

MCP为瘤胃中合成的微生物蛋白质;AMCP为小肠中真正吸收的瘤胃合成微生物蛋白质;BCP为瘤胃未降解饲料蛋白质;ABCP为小肠中真正吸收未降解的饲料蛋白质;UDM为未消化干物质;ENDP为内源性蛋白质损失;DVE为小肠中真正消化和吸收的蛋白质;OEB为蛋白质降解平衡;NMCP=CP-BCP。

MCP was microbial protein synthesized in the rumen; AMCP was truly absorbed rumen synthesized microbial protein in the small intestine; BCP was ruminally undegraded feed CP fraction; ABCP was truly absorbed undegraded feed protein in the small intestine; UDM was undigested DM; ENDP was endogenous protein losses; DVE was truly absorbed protein in the small intestine; OEB was degraded protein balance; NMCP=CP-BCP.

2.6 蛋白质分子结构光谱参数

试验样本的蛋白质光谱结构见图1。表6为不同样本的蛋白质分子光谱结构特点。酰胺Ⅰ带峰面积(A_Amide Ⅰ)、酰胺Ⅰ带/酰胺Ⅱ带峰面积(A_Amide Ⅰ/Amide Ⅱ)、酰胺Ⅰ带峰高(H_Amide Ⅰ)、酰胺Ⅰ带/酰胺Ⅱ带峰高(H_ Amide Ⅰ/Amide Ⅱ)均为苜蓿干草最高,玉米秸秆最低,甜高粱居中。酰胺Ⅱ带峰面积(A_Amide Ⅱ)排序为玉米秸秆>绿巨人>苜蓿干草>海牛>牛魔王。对于蛋白质二级结构光谱特点,苜蓿干草的α-螺旋峰高(H_α-helix)、β-折叠峰高(H_β-sheet)均最高,其他样本间差异不显著(P>0.05)。海牛的α-螺旋/β-折叠峰高(H_α-helix/β-sheet)最大(1.09),其次是牛魔王、绿巨人、苜蓿干草和玉米秸秆。饲料间H_Amide Ⅱ差异不显著(P>0.05)。

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图1 牛魔王甜高粱、海牛甜高粱、绿巨人甜高粱、苜蓿干草和玉米秸秆在蛋白质相关光谱区域内的光谱图

Fig.1 Spectrum of Bull Demon King sweet sorghum, Manatee sweet sorghum, Hulk sweet sorghum, alfalfa hay and corn straw within protein related spectral region

表6 牛魔王甜高粱、海牛甜高粱、绿巨人甜高粱、苜蓿干草和玉米秸秆的蛋白质光谱分子结构特点比较

Table 6 Characteristics comparison of Bull Demon King sweet sorghum, Manatee sweet sorghum, Hulk sweet sorghum, alfalfa hay and corn straw in protein molecular structure spectral profiles

项目 Items	牛魔王甜高粱 Bull Demon King sweet sorghum	海牛甜高粱 Manatee sweet sorghum	绿巨人甜高粱 Hulk sweet sorghum	苜蓿干草 Alfalfa hay	玉米秸秆 Corn straw	SEM	P值 P-value
Amide Ⅰ和Ⅱ光谱峰面积特点 Characteristics of spectral peak areas of Amide Ⅰ and Ⅱ
酰胺Ⅰ带峰面积 A_Amide Ⅰ	39.17^bc	44.09^b	39.23^bc	76.27^a	28.84^c	3.855	<0.01
酰胺Ⅱ带峰面积 A_Amide Ⅱ	0.28^c	0.35^c	0.62^b	0.43^bc	1.24^a	0.080	<0.01
酰胺Ⅰ带/酰胺Ⅱ带峰面积 A_ Amide Ⅰ/Amide Ⅱ	152.47^b	128.39^b	66.42^c	203.95^a	23.42^d	10.900	<0.01
Amide Ⅰ和Ⅱ光谱峰高特点 Characteristics of spectral peak height of Amide Ⅰ and Ⅱ
酰胺Ⅰ带峰高 H_Amide Ⅰ	0.37^b	0.39^b	0.34^b	0.66^a	0.18^c	0.034	<0.01
酰胺Ⅱ带峰高 H_Amide Ⅱ	0.10	0.08	0.14	0.13	0.05	0.028	0.16
酰胺Ⅰ带/酰胺Ⅱ带峰高 H_ Amide Ⅰ/Amide Ⅱ	4.75^ab	4.67^abc	3.84^bc	5.15^a	3.73^c	0.324	0.01
蛋白质二级结构光谱结构特点 Characteristics of spectral structure of protein secondary structure
α-螺旋峰高 H_α-helix	1.47^b	1.04^b	1.03^b	3.13^a	0.59^b	0.343	<0.01
β-折叠峰高 H_β-sheet	1.47^b	0.96^b	1.03^b	3.33^a	0.84^b	0.360	<0.01
α-螺旋/β-折叠峰高 H_α-helix/β-sheet	1.06^a	1.09^a	1.02^ab	0.93^bc	0.88^c	0.038	<0.01

3 讨论

3.1 饲料的常规营养成分、CNCPS组分和瘤胃降解参数

饲草中Ash含量高,其中的矿物质更为丰富,植物茎秆中充足的硅、钾元素会使植株茎秆粗壮,机械性能改善,增强植株的抗倒伏能力^[26]。饲草中ADL含量高,可以增强茎秆的机械强度,茎秆ADL含量高的品种抗倒伏能力强^[27]。本试验所测的甜高粱品种中,牛魔王的Ash、ADL含量最高,因此在抗倒伏能力方面,可能要好于其他品种。在蛋白质含量上,绿巨人的NPN含量最高,CP、SCP含量仅次于苜蓿干草。孙玉琴等^[28]比较了16种饲用高粱的营养价值,也发现绿巨人的CP含量最高,为8.46%,低于本试验结果,这可能是种植条件不同所导致的。绿巨人不仅CP含量高,其ADICP含量也处于较低水平,众所周知,ADICP是附着在ADF上的蛋白质,降解率低,如果饲料中ADICP含量越低,可能表明其蛋白质质量越好^[29],由此可见,绿巨人甜高粱的蛋白品质较高。NDF是饲料中CHO的组成部分,由纤维素、半纤维素和木质素组成,ADF由纤维素和木质素组成,纤维素和半纤维素在瘤胃中缓慢降解,而木质素不能降解。本试验中,3个品种甜高粱的NDF、ADF含量低于玉米秸秆,高于苜蓿干草,说明甜高粱的纤维品质在苜蓿干草和玉米秸秆之间,3个品种甜高粱中,牛魔王的NDF、ADF含量最高,海牛居中,绿巨人最低,均可提供一定的CHO,又能维持瘤胃正常发酵。王若楠^[30]对禾本科牧草与豆科牧草的化学成分进行了比较,苜蓿等豆科牧草的CP、Ash、ADL含量高于高粱、玉米秸秆等禾本科牧草,NDF、ADF含量等低于禾本科牧草,与本试验结果相似。

CNCPS体系在饲料营养价值评估方面已得到广泛应用^[31]。蛋白质组分分析和CHO组分分析是该评价体系的核心。在CNCPS蛋白质组分中,PA为非蛋白氮,表示在零时间点瞬间溶解的CP部分,反刍动物瘤胃中微生物能将其转化为蛋白质,较快速地为机体提供营养。PB₁表示可以快速降解蛋白质组分,其一部分在瘤胃中发酵,另一部分进入下一段消化道;相比于PA和PB₁,PB₂表示只有少量降解,大部分剩余物流入后肠段;PB₃为慢降解蛋白质组分;PC被认为在瘤胃中是不可降解的,主要是饲料中的ADICP^[32]。数据显示,绿巨人的PA含量最高,且绿巨人的PC含量与苜蓿干草相似,在5个饲料样本中最低,说明绿巨人可以较快地为动物机体提供营养,且不可利用部分最少,因此总利用率高。3种甜高粱的PC含量高于苜蓿,低于玉米秸秆,所以,甜高粱的蛋白品质介于苜蓿和玉米秸秆之间。本试验苜蓿干草的蛋白质组成与王一强等^[33]研究结果相似。在3个品种的甜高粱中,绿巨人的CHO含量最低,海牛最高,牛魔王居中,并且,在CHO组分中,三者的结构也不尽相同,绿巨人的CC含量最低,牛魔王的CC含量最高,说明绿巨人甜高粱的CHO质量较好,另外,从本试验数据来看,3个品种甜高粱的CC含量均低于苜蓿和玉米秸秆,说明它们的CHO利用率要好于苜蓿和玉米秸秆,这也与瘤胃降解率的数据(表4)相吻合。

根据NRC(2001)^[18]模型,饲料中的CHO分为非纤维性碳水化合物(NFC)和纤维性碳水化合物(FC),苜蓿干草和海牛的td NFC含量较高,这与其NFC含量较高有关。td CP与ADICP占CP的比例呈指数关系^[18],5种饲料样本中,苜蓿干草和绿巨人的CP含量最高,ADICP含量较低,故含有较高的td CP,即苜蓿干草和绿巨人的CP对能量供应所作贡献更大。玉米秸秆的td NDF含量最高,苜蓿干草最低,甜高粱居中,这与NDF含量趋势一致。3个品种甜高粱中,绿巨人的td NDF含量与牛魔王和海牛相似,但绿巨人的NDF含量显著低于牛魔王和海牛,说明绿巨人的NDF对能量供应的贡献可能更大。饲料的TDN_1×含量为真可消化养分之和减去粪中的可代谢TN

D 1 ×

^[18],本试验中,绿巨人与苜蓿干草的TDN_1×含量相似,均高于其他饲料,能值也有相同的趋势。这表明在提供能量方面,绿巨人与苜蓿干草优势最大,其次为牛魔王、海牛,玉米秸秆提供的能量较少。试验原料的可消化养分和各能值是基于预测模型计算得出的,并非体内代谢试验实测值。饲料的消化率及能值还受其营养成分和DM采食量影响,如果饲粮不能维持瘤胃最佳的发酵状态,其能值可能低于预测模型估算出的能值。

饲料营养成分的瘤胃降解特性可以反映饲料的营养价值。饲料的瘤胃降解参数会因为其种类、来源和营养物质的不同存在差异^[34]。反刍动物蛋白质营养的目标就是用最少的饲料蛋白质来满足瘤胃微生物最佳合成效率所需的瘤胃降解蛋白质,并使动物表现出理想的生产性能。从CP瘤胃降解参数数据可以看出,绿巨人的S组分最高,U组分最低,即其不可降解部分最少。绿巨人的EDCP含量在甜高粱中最高,RUP含量低于牛魔王,高于海牛,说明绿巨人中的蛋白质除了在瘤胃中被降解,也有一定量的蛋白质可以供小肠和后消化道消化。苜蓿干草的RUP和EDCP含量均最高,可能与苜蓿干草本身的蛋白质含量高(表1)有关。NDF瘤胃降解参数体现了反刍动物对饲料纤维物质的利用程度,饲料中的纤维对反刍动物瘤胃正常发酵具有重要作用。由表4中NDF瘤胃降解参数数据可知,甜高粱的潜在可降解部分D组分显著高于苜蓿干草和玉米秸秆,不可降解部分U组分在样本中含量最低,海牛在3个品种甜高粱中D组分最高,U组分最低,说明甜高粱的NDF更易被反刍动物的瘤胃消化利用,尤其是海牛甜高粱。

3.2 DVE/OEB₂₀₁₀模型评定饲料价值

DVE/OEB₂₀₁₀系统表示,微生物生长或微生物蛋白质合成的效率可能受到底物类型、组分传代速率或微生物种类的影响^[24]。DVE表示饲料中的蛋白质在小肠中消化和吸收的部分,这部分蛋白质能够被动物利用,用于生长、泌乳等生理功能。试验数据表明,除玉米秸秆外,其他4种饲料均具有较高的DVE值,说明甜高粱和苜蓿干草的微生物蛋白质(AMCP)、瘤胃未降解饲料蛋白质(ABCP)和内源性蛋白质(ENDP)向小肠的代谢蛋白质供应较高^[24],如果其他因素差异不大,均可作为良好的蛋白质来源。OEB值反映了饲料中蛋白质在瘤胃内的代谢情况。本试验中,绿巨人和苜蓿干草均出现了较高的OEB值(52.95和79.37 g/kg DM),这可能导致瘤胃微生物对这2种饲料的蛋白质的利用效率降低,即饲料在瘤胃中出现了氮损失的情况,从而影响奶牛的生产性能。而玉米秸秆的OEB值很低,为-40.01 g/kg DM,这会使瘤胃内缺乏可利用氮,进而限制瘤胃MCP的合成,过低的OEB值可能会导致小肠对蛋白质的吸收不足。在之前的研究中发现,玉米粒、小麦也出现了负的OEB值(-82.82和-68 g/kg DM)^[25,35],与本研究结果类似。适中的OEB值有助于维持瘤胃微生物的正常生长和发酵功能,从而提高动物对饲料中营养成分的利用。因此,制定饲粮配方时,需要考虑所有饲料的OEB值,尽可能使得配制后的饲粮OEB值接近0^[35]。

3.3 蛋白质分子结构光谱参数

饲料中蛋白质的营养价值与蛋白质内部分子结构密切相关,有研究表明,酰胺Ⅰ带和酰胺Ⅱ带在峰面积和峰高方面的光谱强度差异表明了官能团或蛋白质含量的定量差异,它们的比例表明了饲料之间蛋白质分子结构组成的差异^[36]。根据以上说法,本研究试验数据得出,甜高粱、苜蓿干草、玉米秸秆的蛋白质含量和蛋白质分子结构组成存在显著差异。本研究发现,甜高粱的A_Amide Ⅰ、H_Amide Ⅰ在苜蓿干草和玉米秸秆之间,苜蓿干草最高,玉米秸秆最低,这说明甜高粱的蛋白质含量显著高于玉米秸秆,苜蓿干草蛋白质含量最高,与所测营养成分数据(表1)吻合。Liu等^[37]在研究不同类型干酒糟蛋白质分子结构时发现,不同种类饲料的A_Amide Ⅰ/Amide Ⅱ存在差异。本试验中,样本间的A_Amide Ⅰ/Amide Ⅱ也存在差异。蛋白质的二级结构特征可能影响蛋白质量、营养利用和消化特性^[38-39],α-螺旋和β-折叠以及它们的比值会影响小肠中蛋白质的吸收,高比例的β-折叠会减少小肠内消化酶与蛋白质的接触,导致蛋白质利用率降低^[40]。本试验数据显示,在甜高粱品种中,绿巨人的H_α-helix/β-sheet最小(1.02),蛋白质利用率要优于牛魔王(1.06)和海牛(1.09)。本研究结果说明,几种不同饲料原料的蛋白质分子结构存在显著差异,这可能与它们的营养价值不同,以及在奶牛体内的消化利用率不同有关。

4 结论

① 3个品种甜高粱中,绿巨人的CP、NPN、SCP、td CP含量、TDN_1×和能值均高于其他甜高粱样本;NDF瘤胃降解参数中,牛魔王的RUNDF含量最高,海牛的EDNDF含量最高。使用DVE/OEB₂₀₁₀系统估测后发现,牛魔王的OEB值(9.07 g/kg DM)最低。因此,绿巨人可以为反刍动物提供更多丰富优良的蛋白质,而牛魔王和海牛则可以提供更多的纤维物质。

② 蛋白质一级结构(酰胺Ⅰ带和酰胺Ⅱ带)和二级结构(α-螺旋和β-折叠)的光谱参数在不同品种甜高粱间存在差异。

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