动物营养学报  2013, Vol. 25 Issue (12): 2906-2912   PDF (1076KB)    
丙酸钙对高精料底物瘤胃体外发酵产气量、发酵参数和干物质降解率的影响
张心壮1 , 鲁琳2, 孟庆翔1, 赵丽萍1, 任丽萍1     
1. 中国农业大学动物科学技术学院, 动物营养学国家重点实验室, 北京 100193;
2. 北京农学院动物科技学院, 北京 102206
摘要:本试验旨在研究丙酸钙对高精料底物瘤胃体外发酵产气量、发酵参数和干物质降解率的影响。选取3头体重为350 kg左右,装有永久性瘤胃瘘管的西门塔尔阉牛作为瘤胃液供体牛,在基础发酵底物中分别添加0(对照组)、2.5%、5.0%、7.5%和10.0%的丙酸钙(干物质基础),采用瘤胃体外产气法发酵,并测定产气量、发酵参数和干物质降解率。结果表明:丙酸钙对高精料底物理论最大产气量、产气速率均没有显著影响(P>0.05)。随着丙酸钙添加量的提高,氨态氮和异丁酸浓度没有显著变化(P>0.05);乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、异戊酸和总挥发性脂肪酸浓度均呈现先降低后增加的二次曲线规律;发酵液pH有先增加后降低的二次曲线变化(PQ<0.05),且10.0%组与对照组数值接近;干物质降解率呈现先降低后增加的二次曲线变化(PQ<0.05)。在本试验条件下,高精料底物中添加丙酸钙不能改善瘤胃体外发酵和提高干物质降解率,对提高营养物质利用率没有显著效果,但是提高了发酵液pH,可以作为防止瘤胃酸中毒的饲料添加剂。
关键词丙酸钙     产气量     发酵参数     降解率    
Effects of Calcium Propionate on in Vitro Ruminal Gas Production, Fermentation Parameters and Dry Matter Degradation Rate of Substrate with High Concentrate
ZHANG Xinzhuang1 , LU Lin2, MENG Qingxiang1, ZHAO Liping1, REN Liping1     
1. State Key Laboratory of Animal Nutrition, College of Animal Science and Technology, China Agricultural University, Beijing 100193, China;
2. College of Animal Science and Technology, Beijing University of Agriculture, Beijing 102206, China
Abstract: This experiment aimed to study the effects of calcium propionate on in vitro ruminal gas production, fermentation parameters and dry matter degradation rate of substrate with high concentrate. Donor animals of rumen fluid were three 350 kg Simmental steers with permanent rumen fistulas. The basal fermentation substrate was supplemented with 0 (control group), 2.5%, 5.0%, 7.5% and 10.0% calcium propionate (dry matter basis), respectively. Gas production, fermentation parameters and dry matter degradation rate were determined after in vitro rumen fermentation by the method of in vitro gas production. The results showed as follows: calcium propionate had no significant influences on theoretical maximum gas production and gas production rate (P>0.05). With the increase of calcium propionate supplemental level, ammonia nitrogen and isobutyric acid concentrations were not significantly changed (P>0.05); the concentrations of acetic acid, propionic acid, butyric acid, valeric acid, isovaleric acid and total volatile fatty acid, as well as dry matter degradation rate showed the same quadric curve response, which were decreased at first and then increased (PQ<0.05); fermentation fluid pH showed an opposite quadric curve response, which was increased at first and then increased (PQ<0.05), and the values in 10.0% group and control group were close. Under conditions in the experiment, the supplementation of calcium propionate in substrate with high concentrate can't improve rumen fermentation, increase dry matter degradation rate and increase nutrients utilization, but can increase fermentation fluid pH and be used as feed additive to prevent rumen acidosis.
Key words: calcium propionate     gas production     fermentation parameter     degradation rate    

近年来,集中短期育肥已经成为现代肉牛产业的生产主体。而短期育肥的饲养特点是采用高精料饲喂,高精料饲粮会引起瘤胃微生物区系的改变,挥发性脂肪酸(VFA)浓度升高,瘤胃液pH下降,进而造成瘤胃酸中毒[1]。另一方面在肉牛育肥后期,机体生长进入脂肪沉积阶段,饲料利用率降低,生产成本上升[2]。因此,开发能够缓解瘤胃酸中毒及提高饲料利用率的添加剂是解决问题的途径之一。

丙酸钙是一种弱碱性的有机钙盐,可以提高瘤胃液pH,缓解瘤胃酸中毒。Sheperd等[3]在荷斯坦奶牛饲喂高饲草比例饲粮的基础上,瘤胃灌注丙酸缓冲盐发现,灌注丙酸缓冲盐的瘤胃液pH比单独饲喂高饲草饲粮高。丙酸钙进入瘤胃酸性环境中水解为丙酸和钙离子,丙酸是反刍动物最主要的生糖物质,体内所需90%的葡萄糖来自糖异生作用[4]。李胜利等[5]研究发现,血液葡萄糖含量与瘤胃内丙酸浓度成正线性相关。Liu等[6]研究表明,添加丙酸钙可以改善泌乳中期奶牛能量负平衡,降低体重损失。同样地,在肉牛上研究结果表明,添加丙酸钙能够促进瘤胃发酵,提高营养物质的消化率[7]。但是在高精料的饲养条件下添加丙酸钙的效果未见报道。本试验通过瘤胃体外产气法研究丙酸钙对高精料底物产气量、发酵参数和干物质降解率的影响,探讨丙酸钙在高精料饲养模式下对肉牛瘤胃发酵的调控作用,为其在肉牛育肥期合理应用提供参考。

1 材料与方法
1.1 试验材料

试验用丙酸钙为滕州市东信精细化工厂生产,白色粉末,纯度99.26%,各项指标均符合HG 2921—1999,丙酸钙质量检验报告见表1。

表1 丙酸钙质量检验报告

Table 1 Quality analysis report of the calcium propionate %

1.2 瘤胃液供体动物及其饲养管理

试验选取3头体重为350 kg左右,装有永久性瘤胃瘘管的西门塔尔阉牛作为瘤胃液供体牛,牛的饲粮由精料(主要包括玉米、棉籽粕、石粉、碳酸氢钙、预混料)、啤酒糟和青贮玉米秸等组成,营养水平(干物质基础)为:代谢能7.73 MJ/kg,粗蛋白质11.67%,钙0.66%,磷0.29%。每日饲喂2次,分别在08:00与16:00进行,自由饮水。

1.3 发酵底物

基础发酵底物组成及营养水平见表2。发酵底物风干、粉碎过1 mm筛片,备用。Liu等[6, 7]研究认为,200 g/d的丙酸钙添加量能够促进瘤胃发酵并且能够提高饲料消化率。根据干物质采食量8 kg/d计算,200 g/d相当于饲粮干物质的2.5%。但是作者在前期的饲养试验中发现,在高精料育肥的条件下添加200 g/d的丙酸钙并没有提高动物的生长性能[8],所以为了探索丙酸钙对高精料底物发酵的影响并考虑到丙酸钙的最大添加量,本试验在基础发酵底物中分别添加0(对照组)、2.5%、5.0%、7.5%和10.0%的丙酸钙(干物质基础)。

表2 基础发酵底物组成及营养水平(干物质基础)

Table 2 Composition and nutrient levels of the basal fermentation substrate (DM basis) %

1.4 瘤胃体外发酵

瘤胃体外发酵采用Menke等[9]的体外产气法进行。将0.200 0 g(精确到0.000 1 g)底物装入100 mL人工瘤胃培养管(德国Hberle Maschinenfabrik Gmbh公司,最小分度1 mL),预热至39 ℃。于晨饲前通过瘤胃瘘管分别采集3头试验牛的瘤胃内容物,以4层纱布过滤,合并滤液,39 ℃恒温,混匀,迅速加入装有经CO2饱和的39 ℃缓冲液(提前配制)中,配制成为混合发酵液。用自动分液器向人工瘤胃培养管中加入30 mL混合发酵液,迅速放入39 ℃人工瘤胃培养箱中,每个处理3个重复,分别记录3、6、12、18、24、36、48 h各培养管的产气量。

同时,各组底物进行另一批次3个重复的培养,每个培养管中称取1.000 0×g(精确到0.000 1 g)样品于纤维袋(中国农业大学肉牛中心研制产品)中,瘤胃液及缓冲液同上,培养24 h结束后,取出纤维袋测定干物质消化率。然后将培养管中内容物全部转入50 mL离心管中,4 ℃、8 000×g离心15 min。取上清用于测定发酵液pH、VFA和氨态氮浓度等发酵参数[10, 11]

1.5 测定指标与方法
1.5.1 产气量

根据rskov等[12]提出的公式,利用SAS 9.0中的非线性法,计算样本的动态产气参数。

Y=b(1-e-ct)。

式中:Ybct分别为发酵底物产气量(mL)、理论最大产气量(mL)、发酵底物的产气速度(%/h)和培养时间(h)。

1.5.2 发酵参数和干物质降解率

氨态氮浓度采用Broderick等[11]的方法进行测定。VFA浓度采用气相色谱仪(GC3420,北京分析仪器厂)测定,仪器条件:火焰离子检测器(FID),PEG-20M+H3PO4玻璃填充柱(2 m×6 mm×2 mm),柱温145 ℃,检测器温度200 ℃,进样器温度200 ℃,载气为氮气,流速30 mL/min,进样量0.6 μL。发酵液pH测定使用快速测定pH计(teso205,德国testoAG)。

按照AOAC[13]的105 ℃烘箱法测定发酵底物干物质含量;采用Tilley等[14]的方法测定体外瘤胃干物质降解率。

1.6 数据统计分析

试验采用单因子完全随机化设计,采用SAS 9.0统计软件中的GLM模型进行方差分析。采用contrast进行线性和二次相关分析,以P<0.05和0.05≤P<0.10分别作为差异显著和具有显著趋势的判断标准。

2 结果与分析
2.1 产气量

从图1和表3可以看出,各组产气速率在48 h培养过程中是有变化的,0~12 h曲线斜率较大,说明产气速率快,然后逐渐降低,36~48 h的斜率很小,说明已经接近最大产气量;0~24 h各组基本重合,24 h以后才有逐渐分开的趋势。48 h的产气量(图1)与模型计算出的理论最大产气量(表3)也是比较接近的。不同丙酸钙添加量对理论最大产气量、产气速率都没有显著影响(P>0.05)。


图1 丙酸钙对瘤胃体外发酵48 h产气量的影响 Fig.1 Effects of calcium propionate on gas production of rumen in vitro fermentation in 48 h

表3 丙酸钙对瘤胃体外发酵产气量的影响

Table 3 Effects of calcium propionate on gas production of rumen in vitro fermentation



2.2 发酵参数和干物质降解率

从表4中可以看出,除了发酵液氨态氮和异丁酸浓度随着丙酸钙添加量的增加无显著性变化(P>0.05)外,瘤胃体外发酵参数乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、异戊酸和总挥发性脂肪酸(TVFA)浓度都呈现先降低后增加的二次曲线规律[二次P值(PQ)<0.05];发酵液pH有先增加后降低的二次曲线变化(PQ<0.05),且10.0%组与对照组数值接近;干物质降解率呈现先降低后增加的二次曲线变化(PQ<0.05)。2.5%、5.0%和7.5%组TVFA浓度均显著低于对照组[线性P值(PL)<0.05],而10.0%组虽然TVFA浓度显著高于对照组(PL<0.05),但是与对照组相比,除了丙酸浓度显著增加(PL<0.05)外,其余各VFA浓度的并没有显著提高(PL>0.05),甚至丁酸和戊酸浓度还显著低于对照组(PL<0.05)。上述结果说明添加丙酸钙分解产生的丙酸对发酵没有产生影响,而是通过pH来调控的体外瘤胃发酵。结果提示,在高精料底物基础上添加丙酸钙可以调控发酵液pH,但是没有改善体外瘤胃发酵,干物质的降解率也没有显著提高,对提高营养物质利用率没有显著效果。

表4 丙酸钙对瘤胃体外发酵参数和干物质降解率的影响

Table 4 Effects of calcium propionate on fermentation parameters and dry matter degradation rate of in vitro rumen



3 讨 论
3.1 丙酸钙对瘤胃体外产气量的影响

体外瘤胃发酵产生的气体主要包括CO2、CH4和H2。气体是由饲料的微生物发酵直接产生的,或是伴随短链脂肪酸的产生从碳酸氢盐缓冲液中间接产生释放的(主要是CO2)。凡是能够影响体外培养瘤胃微生物对饲料发酵的一些重要因素,如厌氧环境、温度、pH、缓冲液、发酵液、发酵底物等都能够进一步影响产气量。Menke等[15]报道,产气量与饲料的可发酵成分存在高度相关性。本试验气体的产生趋势先快速再到平缓的过程,可能是由于本试验采用的高精料底物培养前期碳水化合物快速发酵出现6~12 h的产气高峰期,12 h以后可发酵成分减少,产气量及速率也随之下降。本试验中各处理对体外瘤胃产气量无显著影响,说明添加丙酸钙没有改变底物的可发酵成分。

3.2 丙酸钙对瘤胃体外发酵参数和干物质降解率的影响

pH是反映反刍动物瘤胃发酵最重要的指标之一,保持pH在一个正常的范围是保证瘤胃正常发酵的前提。影响瘤胃液pH的因素很多,主要包括饲粮性质、饲喂方式、唾液分泌量以及有机酸生成、吸收和排出速度等,但其波动的根本原因则是饲粮结构与营养水平[16]。丙酸钙是食品防腐剂,在酸性条件下,迅速产生游离丙酸和钙离子,其10.0%水溶液pH等于7.4,呈弱碱性。所以本试验结果24 h发酵液pH随着丙酸钙添加量从0增加到5.0%的增加而升高。虽然10.0%组发酵液pH与对照组相比没有升高,但是前者的TVFA浓度要显著高于后者,这也能从另外一个方面说明丙酸钙具有提高瘤胃液pH的作用,在实际生产中可一定程度上缓解瘤胃酸中毒。

随着丙酸钙添加量增加,除丙酸外的体外发酵参数均呈二次曲线变化均有对称性,这说明由丙酸钙快速分解产生的丙酸作为底物并没有影响后期的发酵情况,而是添加丙酸钙导致发酵液pH变化,其他指标与发酵液pH同步改变。Russell[17]研究表明,瘤胃液pH从6.5下降到5.3时,乙酸产生受到抑制,乙酸与丙酸比值显著降低。孙云章等[18]研究同样表明,随精料比例的增加,瘤胃液pH降低,丙酸浓度呈上升趋势,乙酸与丙酸比值呈下降趋势。所以,pH可能是通过改变瘤胃微生物的活动及酶的活性对体外发酵系统中乙酸与丙酸比值产生影响的——pH低有利于丙酸生成,pH高有利于乙酸生成。本试验在高精料底物中添加丙酸钙,丙酸发酵占主导,pH较低。当丙酸钙添加量从0增加到5.0%时,丙酸钙水解造成发酵液pH升高,乙酸和丙酸浓度均逐渐降低,可能是由于pH改变造成的微生物活性以及酶活力下降造成。但是当丙酸钙添加量从5.0%增加到10.0%的时候,发酵液pH继续升高,纤维素分解菌等活性加强,乙酸浓度增加,继而造成pH下降,丙酸浓度增加。丁酸浓度随着丙酸钙添加量增加同样呈现与饲料干物质降解率和乙酸浓度相同的变化趋势——先降低后增加的二次曲线变化,可能的原因一方面是添加丙酸钙改变发酵液pH影响干物质降解率进而造成丙酸浓度先增加后降低。另一方面,瘤胃发酵过程存在乙酸与丁酸的转化[19],所以本试验中丁酸浓度随着乙酸浓度的变化而改变。此外,发酵液pH的改变速率对体外发酵也有影响。Fellner等[20]研究发现,相同添加量的粉末状丙酸钙发酵液中VFA、丁酸、异丁酸和异戊酸浓度都显著高于颗粒丙酸钙,而丙酸浓度没有显著差异。

饲料瘤胃降解是瘤胃微生物对饲料中碳水化合物、蛋白质等营养物质的分解作用的结果。瘤胃干物质降解率可以反映出瘤胃微生物对饲料的分解程度的强弱,本试验中瘤胃干物质降解率随着丙酸钙添加量的增加呈现二次曲线变化,说明添加丙酸钙对瘤胃微生物作用产生了影响,结合体外瘤胃发酵参数的结果可以得出,丙酸钙通过改变发酵液pH影响微生物的活动进而影响瘤胃干物质降解率和发酵参数。

4 结 论

高精料底物中添加丙酸钙不能改善体外瘤胃发酵和提高干物质降解率,对提高营养物质利用率没有显著效果,但是提高了发酵液pH,可以作为防止瘤胃酸中毒的饲料添加剂。

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