动物营养学报  2013, Vol. 25 Issue (10): 2414-2421   PDF (1045 KB)    
引用本文
杨璐玲, 吕永艳, 张杰杰, 孙国强. 啤酒糟对瘤胃发酵参数及纤维素酶活性的影响[J]. 动物营养学报, 2013, 25(10): 2414-2421.  
YANG Luling, LYU Yongyan, ZHANG Jiejie, SUN Guoqiang. Effects of Brewer’s Grains on Fermentation Parameters and Cellulase Activity in Rumen[J]. Chinese Journal of Animal Nutrition, 2013, 25(10): 2414-2421.  
啤酒糟对瘤胃发酵参数及纤维素酶活性的影响
杨璐玲, 吕永艳, 张杰杰, 孙国强     
青岛农业大学动物科技学院, 青岛 266109
收稿日期：2013-4-26
基金项目：山东省现代农业产业技术体系牛产业创新团队(SATS-201329-6)
作者简介：杨璐玲(1988- ),女,河北藁城人,硕士研究生,从事反刍动物营养研究。E-mail: yllfly@126.com
通讯作者：孙国强,教授,硕士生导师,E-mail: qdnydxsgq@126.com
摘要：本试验旨在研究饲粮中添加不同水平啤酒糟对瘤胃发酵参数及纤维素酶活性的影响。选取4只(40.0±2.5) kg装有永久性瘤胃瘘管的崂山奶山羊,采用4×4拉丁方设计,对照组饲喂基础饲粮,不添加啤酒糟;试验1、2和3组啤酒糟的添加水平分别为基础饲粮干物质的10%、15%和20%。测定24 h内瘤胃液pH、氨态氮(NH3-N)浓度、微生物蛋白产量、挥发性脂肪酸浓度及羧甲基纤维素酶、纤维二糖酶、微晶纤维素酶和木聚糖酶活性。结果表明:1)各组瘤胃液pH及NH3-N浓度均在正常范围内,试验2组微生物蛋白产量均值极显著高于对照组(P<0.01)。2)试验2组乙酸浓度均值极显著高于其他各组(P<0.01),总挥发性脂肪酸浓度均值极显著高于对照组(P<0.01),显著高于试验1组(P<0.05)。3)在纤维素酶活性方面,试验2组4种酶活性的均值均极显著高于对照组(P<0.01)。由此可见,本试验条件下,啤酒糟添加水平为15%最有利于瘤胃发酵且能有效提高纤维素酶活性。
关键词： 啤酒糟     瘤胃发酵参数     纤维素酶活性    
Effects of Brewer’s Grains on Fermentation Parameters and Cellulase Activity in Rumen
YANG Luling, LYU Yongyan, ZHANG Jiejie, SUN Guoqiang     
College of Animal Science and Technology, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China
Abstract: This experiment was conducted to study the effects of different levels of brewer's grains (BSG) on fermentation parameters and cellulase activity in rumen. Four Laoshan dairy goats [(40.0±2.5) kg] fixed with permanent rumen fistulas were chosen as the experiment subjects, and a 4×4 Latin square design was adopted in this study. The dairy goats were fed the diets contained different levels of BSG: the control group was fed a basal diet without BSG, and the trial groups 1, 2 and 3 were fed the diets supplemented with 10%, 15% and 20% BSG based on the dry matter, respectively. Then the below values in rumen fluid were determined in 24 h: pH, ammonia nitrogen concentration, microbial protein production, volatile fatty acid concentration and the activities of carboxymethyl cellulose, cellobiase, microcrystalline cellulose and xylanase. The results showed as follows: 1) the pH and the ammonia nitrogen concentration in all groups were within the normal range; the microbial protein production in trial group 2 was significantly higher than that in control group (P<0.01). 2) the acetic acid concentration in trial group 2 was significantly higher than that in other groups (P<0.01), and the total volatile fatty acid concentration in trial group 2 was significantly higher than that in control group (P<0.01) and trial group 1 (P<0.05). 3) From the perspective of cellulase activity, the activities of the four kinds of enzymes in trial group 2 were significantly higher than those in control group (P<0.01). In conclusion, under the experimental condition, adding 15% BSG into the diet is the most conducive to fermentation and cellulase activity in rumen. [Chinese Journal of Animal Nutrition, 2013, 25(10):2414-2421]
Key words: brewer’s grains     rumen fermentation parameters     cellulase activity    

啤酒糟(brewer’s grains,BSG)是籽实类原料经过发酵提取部分可溶性碳水化合物后剩余的工业副产品，富含丰富的矿物质、维生素和氨基酸，尤其是蛋白质含量高于其他农业副产品。2012年中国啤酒行业产量4 902万m3，同比增长3.1%，随着啤酒产量的逐年增加，BSG的产量也在迅速增长，如何充分开发和合理利用BSG资源，已成为当今畜牧业的研究热点。国内许多奶牛饲养场在BSG饲喂奶牛方面进行了大量的尝试，宋正明等[1]研究表明，饲喂8和12 kg BSG组分别比对照组产奶量提高2.1、2.3 kg。马文胜[2]报道，饲喂奶牛10 kg BSG可日均增产1.8 kg，降低成本1.1元。现有大量关于BSG饲喂反刍动物特别是在原饲粮基础上添加BSG饲喂奶牛的报道，而且其添加水平差异很大，变异范围从每头每天8~15 kg、20 kg甚至20 kg以上，即为饲粮干物质的1%~2%和2.5%甚至2.5%以上不等，添加BSG提高产奶量的幅度以及对奶品质的影响也不尽一致[3, 4]。有关确定BSG在奶牛饲粮中适宜添加水平的理论依据，如BSG对瘤胃发酵参数和纤维素酶活性影响的研究鲜见报道。本试验通过在饲粮中添加不同水平的BSG，探讨不同水平的BSG对瘤胃发酵参数和纤维素酶活性的影响，以确定最有利于瘤胃发酵和纤维素酶活性的添加水平，为BSG在奶牛饲粮中适宜添加水平的确定提供理论参考。

1 材料与方法
1.1 试验设计

本试验采用4×4拉丁方设计，选取4只体况良好、体重(40.0±2.5) kg、安装有永久性瘘管的崂山奶山羊，分别饲喂在基础饲粮的基础上额外添加不同水平BSG的试验饲粮：对照组饲喂基础饲粮，不添加BSG；试验1、2和3组的BSG添加水平分别为基础饲粮干物质的10%、15%和20%。试验羊基础饲粮干物质饲喂量为其体重的3%，即每只每天饲喂基础饲粮干物质1.2 kg，精粗比为40∶ 60，采用先精后粗的饲喂方式。BSG为烘干样，随精料饲喂。粗料由羊草(Leymus chinensis,LC)和花生蔓(peanut vine,PV)(各占1/2)组成，精料组成及营养水平见表1。每日饲喂2次 (07:30、19:30)，整个试验期68 d，分4期，每期17 d，包括14 d的预试期和3 d的正试期(采样期)。试验羊单圈饲养，自由饮水，按常规光照、驱虫及管理。

表1 精料组成及营养水平(风干基础)

Table 1 Composition and nutrient levels of the concentrate (air-dry basis) %

1.2 试验材料

BSG、LC、PV和精料均来自山东莱西同一牛场，BSG经65 ℃烘干至恒重备用。经过分析测定，BSG、LC与PV营养水平见表2。

表2 BSG与粗饲料营养水平(干物质基础)

Table 2 Nutrient levels of brewer’s grains and roughages (DM basis) %


1.3 瘤胃液的采集

每期试验在正试期第1天和第3天晨饲后，分别在0、3、6、9、12、24 h 6个时间点从瘤胃内取30 mL瘤胃液，现场立即采用pH计测定pH；瘤胃液用6~8层纱布过滤后，在4 ℃条件下，3 500 r/min离心15 min处理，取上清液，-20 ℃冷冻保存，用于测定氨态氮(NH3-N)浓度、微生物蛋白(MCP)产量、挥发性脂肪酸(VFA)浓度和纤维素酶活性。

1.4 测定指标与方法

瘤胃液pH采用25型酸度计测定(上海雷磁分析仪器厂，玻璃电极)；NH3-N浓度参照冯宗慈等[5]的比色法进行测定。MCP产量采用差速离心法测定，参照Cotta等[6]方法，将其含量换算成每毫升混合培养液中粗蛋白质(CP)的毫克数；VFA浓度参照曹庆云等[7]的气相色谱法进行测定；纤维素酶活性参照汪水平等[8]的比色法对羧甲基纤维素酶、纤维二糖酶、微晶纤维素酶和木聚糖酶活性进行测定，酶活性单位(U)定义为每分钟每毫升酶液作用于底物生成的还原糖量(μmol)为1个酶活性单位。

1.5 数据处理

试验数据采用Excel 2007初步处理后，使用SPSS 17.0统计软件进行方差分析，采用LSD检验法进行多重比较，结果以平均值±标准差表示，以P<0.05和P<0.01作为差异显著性判断标准。

2 结果与分析
2.1 不同水平BSG对瘤胃液pH、NH3-N浓度及MCP产量的影响

由表3可知，随着BSG水平的提高，瘤胃液pH均值总体呈降低趋势，NH3-N浓度和MCP产量的均值总体呈升高趋势。在1个饲喂周期内，各组瘤胃液pH、NH3-N浓度及MCP产量随时间延长呈周期性变化且趋于一致，饲喂3 h后瘤胃液pH降至最低点，NH3-N浓度和MCP产量达到最大值，3~6 h各项指标缓慢下降，至12 h后各项指标接近初始水平。各组pH均值差异不显著(P>0.05)；从NH3-N浓度均值来看，试验1组与对照组差异不显著(P>0.05)，试验2、3组显著高于对照组(P<0.05)，各试验组间差异不显著(P>0.05)；从MCP产量均值来看，试验1、3组与对照组差异不显著(P>0.05)，试验2组极显著高于对照组(P<0.01)，试验1组与其他试验组差异不显著(P>0.05)，试验2组显著高于试验3组(P<0.05)。

表3 不同水平BSG对瘤胃液pH、NH3-N浓度及MCP产量的影响

Table 3 Effects of different levels of BSG on pH, NH3-N concentration and MCP production in rumen fluid


2.2 不同水平BSG对瘤胃液VFA浓度的影响

由表4可知，各组瘤胃液中乙酸、丙酸及丁酸浓度24 h内变化趋势相似，均在饲喂后3 h出现最大值，3~6 h缓慢下降，9 h后迅速下降至略高或略低于初始水平。从乙酸浓度均值来看，各试验组均极显著高于对照组(P<0.01)，试验2组极显著高于其他各试验组(P<0.01)，试验1组与试验3组差异不显著(P>0.05)；从丙酸和丁酸浓度均值来看，各组差异不显著(P>0.05)，试验2组均值最高，对照组均值最低；各组乙酸/丙酸均值在2.50~3.30之间，各试验组均显著高于对照组(P<0.05)，各试验组之间差异不显著(P>0.05)；从总挥发性脂肪酸(TVFA)浓度均值来看，各试验组均极显著高于对照组(P<0.01)，试验2组最高，试验1组显著低于试验2组(P<0.05)，试验3组与试验1、2组差异不显著(P>0.05)。

表4 不同水平BSG对VFA瘤胃液浓度的影响

Table 4 Effects of different levels of BSG on VFA concentration in rumen fluid



由于各试验组瘤胃液pH与NH3-N浓度均在正常范围以内，且各组乙酸/丙酸均值也在正常范围，对瘤胃发酵参数的影响就取决于MCP产量、乙酸浓度和TVFA浓度，因此试验2组即添加15%的BSG最有利于瘤胃发酵。

2.3 不同水平BSG对瘤胃液纤维素酶活性的影响

由表5可知，瘤胃液中羧甲基纤维素酶、纤维二糖酶、微晶纤维素酶和木聚糖酶活性的动态变化趋势基本一致，均在饲喂后3 h降至最低值后逐渐上升，6~9 h达到最大值后保持平稳，12 h后下降至低于初始水平。从羧甲基纤维素酶和纤维二糖酶活性均值来看，试验1组和对照组之间差异不显著(P>0.05)，试验2、3组极显著高于对照组(P<0.01)，各试验组以试验2组活性均值最高，与其他组差异极显著(P<0.01)；从微晶纤维素酶活性均值来看，各试验组极显著高于对照组(P<0.01)，试验2组极显著高于试验1组(P<0.01)，显著高于试验3组(P<0.05)；从木聚糖酶活性均值来看，试验1组与对照组差异不显著(P>0.05)，试验2组极显著高于对照组(P<0.01)，试验3组显著高于对照组(P<0.05)，各试验组间差异不显著(P>0.05)。

表5 不同水平BSG对瘤胃液纤维素酶活性的影响

Table 5 Effects of different levels of BSG on cellulase activity in rumen fluid U



上述4种纤维素酶各时间点酶活性及其均值表明试验2组即添加15%的BSG最能有效提高瘤胃内纤维素分解酶活性。

3 讨 论
3.1 不同水平BSG对瘤胃液pH、NH3-N浓度及MCP产量的影响

瘤胃液pH主要受饲粮成分、唾液分泌和缓冲的影响，作为瘤胃生理状况的反映指标，对瘤胃的发酵起重要作用。瘤胃液pH的范围为6~7[9]，本试验中各组瘤胃液pH在6.20~6.79之间，属于瘤胃发酵的正常范围。各组瘤胃液pH先下降后上升的原因可能是饲喂后可发酵碳水化合物被瘤胃微生物大量分解，起缓冲作用的唾液来不及中和大量产生的VFA及其他有机酸，瘤胃本身对这些酸的吸收和外流速度低于产生速度，因而pH降低；随着时间的延长和瘤胃的排空，瘤胃内可发酵有机物含量减少，瘤胃微生物发酵速度减缓，VFA和其他有机酸的产量减少及动物本身反刍产生的富含碳酸氢盐和磷酸氢盐的唾液的中和作用，瘤胃液pH逐渐回升。

NH3-N是饲粮中肽、氨基酸、蛋白质、尿素、氨化物及其他非蛋白氮的最终产物，同时也是瘤胃微生物合成MCP的主要氮源。瘤胃液最适NH3-N范围为8~10 mg/dL，但6.3~27.5 mg/dL也属于正常变动范围[10]，本试验NH3-N浓度为11.68~19.33 mg/dL，处于正常范围之内，说明瘤胃微生物活性正常。MCP能提供反刍动物蛋白质需要量的60%～65%，维持微生物生长最主要的是能量和蛋白质，因此能量和蛋白质的水平和来源对保障瘤胃微生物生长非常重要。本试验中NH3-N浓度随着BSG添加水平的提高而逐渐升高，MCP产量以BSG添加水平为15%时最高，原因可能与BSG中所含中性洗涤纤维(NDF)和CP较多有关。对照组饲粮中所含的可发酵有机物较多而CP含量较低且易于消化，虽能提供一部分氮源，但由于氮源较少，导致NH3-N浓度和MCP产量低于各试验组。MCP的合成量主要取决于碳水化合物与氮源的降解数量和速度是否匹配，即能氮是否平衡的问题，NDF与CP含量的增加可为瘤胃微生物的生长繁殖提供一定数量的碳水化合物和氮源，能够促进瘤胃微生物的生长繁殖，加速瘤胃微生物对饲粮中蛋白质的降解和脱氨基作用，增强氮的代谢。当饲粮中BSG水平升高到20%时，可能出现了能氮失衡，导致瘤胃微生物未得到足够的能量来合成MCP，大量的氮以氨的形式损失掉，MCP产量随之降低。赵国琦等[11]研究表明，随着瘤胃pH下降，在酸性环境中释放出氨转变成铵离子，与氨相比，铵离子不易跨越瘤胃壁吸收，因此瘤胃中的pH越低，被固定的氨越多。Lees等[12]研究表明，奶牛补饲蛋白质饲料能提高瘤胃液NH3-N浓度。保持瘤胃中能量与氮源的释放在速度和数量上匹配，是提高MCP合成量的关键[13]。上述研究结果与本试验结果相一致。

3.2 不同水平BSG对瘤胃液VFA浓度的影响

VFA可为宿主动物提供所需能量的70%~80%，其产量和水平可显著影响反刍动物对营养物质的吸收、利用及生产性能的发挥。乙酸是反刍动物代谢所需的主要能量来源，主要由瘤胃中纤维分解菌慢速发酵饲粮中的纤维物质所产生，丙酸是反刍动物葡萄糖合成的首要前提。本试验添加3种不同水平的BSG，以15%组乙酸浓度最高，对照组最低，乙酸浓度在一定范围内的变化可能与BSG中所含NDF和CP含量较高有关，瘤胃发酵产生VFA的过程中微生物快速分解NDF产生的能量与氮的同步释放速度较为匹配，瘤胃中能氮分解达到平衡且此时的pH和NH3-N浓度最为适宜，能够增强瘤胃中微生物的发酵功能，促进纤维分解菌对粗纤维物质的分解能力，乙酸浓度相应升高。当饲粮中CP含量增高到一定水平后，蛋白质的分解速度过快，NH3-N的生成速度超过了瘤胃内微生物的利用速度，瘤胃发酵NDF所释放的可利用能量和氨的不同步释放打破了瘤胃内能氮平衡，抑制了纤维分解菌的活性，使纤维分解菌对纤维物质的分解速度减慢，此时瘤胃内的乙酸浓度并不随着CP含量的提高而升高，反而下降。乙酸/丙酸也明显地影响着饲粮纤维物质的发酵与降解利用率，本试验各组乙酸/丙酸均值在2.50~3.30之间，属于乙酸/丙酸的正常范围(2.0~3.6)[10]，BSG中所含NDF和CP较高，随着BSG添加水平的增加，饲粮中的NDF和CP含量增加，瘤胃微生物活性增强，乙酸/丙酸呈增高趋势，但乙酸/丙酸的差异并不显著，没有改变瘤胃的发酵类型。乙酸、丙酸、丁酸3种VFA的浓度总和约占总瘤胃发酵VFA的95%，其中乙酸的比例最大，为VFA总量70%~75%，因此这3项VFA的总和能代表瘤胃微生物的发酵能力。当瘤胃纤维分解菌分解能力增强时，乙酸、丙酸、丁酸浓度增加，TVFA浓度也随之增加，瘤胃发酵功能增强，TVFA浓度变化与MCP产量结果一致。孙龙生等[14]研究发现，乙酸/丙酸随着饲粮中NDF含量的提高逐渐增大；Vanzant等[15]研究表明，随着增加谷物饲粮，对乙酸/丙酸并没有显著影响，与本试验结果一致。

3.3 不同水平BSG对瘤胃液纤维素酶活性的影响

反刍动物主要依靠瘤胃内微生物的发酵来降解饲粮中的纤维物质，发酵过程中纤维分解菌能分泌的一系列多酶复合体[16]，主要包括内切型葡聚糖酶、外切型葡聚糖酶和葡萄糖苷酶，这些酶中的任一种单一酶类都不能完全降解纤维素的结晶结构，只有3种酶的协同作用才能完全降解纤维物质。这些酶的活性能够更加确切地反映出瘤胃微生物对饲粮中纤维物质的分解利用能力以及合成MCP的效率。本试验添加3种不同水平的BSG对4种纤维素酶活性均有所提高，其中以添加水平为15%时效果最为显著，原因可能是当BSG添加水平为15%时，饲粮中CP含量适宜，且可发酵碳水化合物分解释放的能量充足，微生物分解饲粮所产生的NH3-N浓度与能量的供应水平最适宜瘤胃微生物的生长，MCP产量的增大又进一步促进了瘤胃发酵功能，纤维分解菌分泌酶的能力也得到提高，有效促进了饲粮纤维物质的分解利用。瘤胃微生物所需的主要营养物质碳水化合物和蛋白质，碳水化合物释放能量的速度与蛋白质的降解速度是控制微生物生长的主要因素，当BSG添加水平升高到20%时，4种纤维分解酶的活性均有所降低，原因可能是由于饲粮中NDF提高的幅度与CP提高的幅度不匹配，CP的降解速度和氮的释放速度高于能量的释放速度，NH3-N浓度的提高与可利用能的不足抑制瘤胃微生物活性的同时也降低了纤维分解菌分泌纤维素酶的能力，导致瘤胃微生物对饲粮中纤维物质的分解速度降低，瘤胃内乙酸浓度和TVFA浓度也随之下降，这一结果与NH3-N浓度、MCP产量和VFA浓度结果相一致。

4 结 论

① 添加不同水平的BSG对瘤胃液pH影响不显著，对瘤胃NH3-N浓度影响显著，但均在正常范围内。

②添加不同水平的BSG对瘤胃液乙酸浓度和TVFA浓度具有显著或极显著影响，15%BSG组优于其他试验组和对照组。

③ 添加15%的BSG可显著提高瘤胃液羧甲基纤维素酶、纤维二糖酶、微晶纤维素酶、木聚糖酶活性。

④ 综上所述，在本试验条件下，BSG添加水平为15%最有利于瘤胃发酵且能有效提高纤维素酶活性。

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