动物营养学报  2015, Vol. 27 Issue (3): 820-828   PDF (1780 KB)    
引用本文
王超胜, 贾刚, 张克英, 丁雪梅, 吴秀群, 赵华, 陈小玲, 吴彩梅, 刘光芒. 评定蛋鸡豆粕代谢能和氨基酸可利用率的研究[J]. 动物营养学报, 2015, 27(3): 820-828.  
WANG Chaosheng, JIA Gang, ZHANG Keying, DING Xuemei, WU Xiuqun, ZHAO Hua, CHEN Xiaoling, WU Caimei, LIU Guangmang. Assessment of Metabolizable Energy and Amino Acid Availability of Soybean Meals in Laying Hens[J]. Chinese Journal of Animal Nutrition, 2015, 27(3): 820-828.  
评定蛋鸡豆粕代谢能和氨基酸可利用率的研究
王超胜, 贾刚 , 张克英, 丁雪梅, 吴秀群, 赵华, 陈小玲, 吴彩梅, 刘光芒    
四川农业大学动物营养研究所, 农业部动物抗病营养与饲料重点实验室, 雅安 625014
收稿日期：2014-10-11
基金项目：四川省优质蛋鸡现代产业链关键技术集成研究与产业化示范(2011NZ0073);四川科创饲料产业技术研究院科技支撑计划(2013NZ0054)
作者简介：王超胜(1987—),男,河南商丘人,硕士研究生,从事饲料资源开发与高效利用。E-mail:wangchaosheng.2008@163.com
通讯作者：贾刚,教授,博士生导师,E-mail:jiagang700510@163.com
摘要：本试验旨在评定罗曼蛋鸡对不同来源豆粕表观代谢能(AME)和氨基酸可利用率(AAA),并用傅里叶近红外光谱(NIRS)分析技术建立其预测模型。选择248只体重(1.60±0.10) kg、产蛋率85%的36周龄罗曼蛋鸡,按单因素完全随机设计,分为31组,每组8个重复,每个重复1只鸡。在训饲的基础上,采用全收粪法评定30种不同来源豆粕和1种基础饲粮的AME和AAA,然后用NIRS技术建立其生物效价的预测模型。结果如下:1)不同来源的30种豆粕AME在11.95~14.87 MJ/kg之间,平均值为(13.24±0.67) MJ/kg;总氨基酸可利用率(TAAA)在89.99%~94.96%之间,平均值为(93.73±1.23)%。2)豆粕AME的NIRS预测模型的校正决定系数(Rcal2)、交叉验证系数(Rcv2)、外部验证系数(Rval2)分别为99.24%、83.79%、80.73%,外部验证标准差(RMSEP)为0.22 MJ/kg;TAAA的NIRS预测模型的Rcal2、Rcv2、Rval2范围分别为94.20%~99.97%、76.38%~97.32%、61.80%~99.42%,RMSEP范围为0.06%~1.00%。结果表明:1)不同来源豆粕的AME、AAA在罗曼蛋鸡上有较大差异;2)利用NIRS分析技术可建立罗曼蛋鸡豆粕的AME、AAA预测模型,模型的Rcal2及预测的RMSEP较好。
关键词： 蛋鸡     豆粕     代谢能     氨基酸可利用率     近红外光谱预测模型    
Assessment of Metabolizable Energy and Amino Acid Availability of Soybean Meals in Laying Hens
WANG Chaosheng, JIA Gang , ZHANG Keying, DING Xuemei, WU Xiuqun, ZHAO Hua, CHEN Xiaoling, WU Caimei, LIU Guangmang    
Key Laboratory of Animal Disease-Resistant Nutrition and Feed Science of Ministry of Agriculture, Institute of Animal Nutrition, Sichuan Agriculture University, Ya'an 625014, China
Abstract: The study was conducted to investigate apparent metabolizable energy (AME) and amino acids availability (AAA) of different soybean meal samples, and explore feasibility of establishing prediction for the AME and AAA using Fourier near infrared spectroscopy (NIRS). A completely randomized design was used with a total of two hundred and forty six 36-week-old Lohmann laying hens with initial body weight of (1.60±0.10) kg and laying rate of 85%. Hens were divided into 31 groups with 8 replicates per group and 1 hen per replicate. The experiment was conducted to use the method of trained feeding and total excreta collection. Additionally, the near infrared spectroscopy (NIRS) calibrations were established to predict AME and AAA of soybean meal for laying hens feeds. The results showed as follows: 1) the average AME of 30 soybean meals was (13.24±0.67) MJ/kg, ranging from 11.95 to 14.87 MJ/kg. The range of 30 soybean total AAA (TAAA) of laying hens were 89.99%~94.96%, with average value of (93.73±1.23)%. 2) Adjusted determination coefficient (Rcal2), cross validation factor (Rcv2), coefficient of external verification (Rval2) and external validation standard deviation (RMSEP) of NIRS model for AME of soybean meals were83.79%, 99.24%, 80.73%, 0.22 MJ/kg. Rcal2, Rcv2, Rval2 and RMSEP of NIRS models for AAA of soybean meals were 76.38%~97.32%, 94.20%~99.97%, 61.80%~99.42%, 0.06%~1.00%. These results indicate as follows: 1) There are significant differences among the different soybean meal sources in their AME and AAA in Lohmann laying hens. 2) NIRS can be used to establish equations model to predict the AME and AAA of soybean meals in Lohmann laying hens, and the predicative models have relatively higher Rcal2 and minor RMSEP.
Key words: laying hens     soybean meal     apparent metabolizable energy     amino acids availability     NIRS prediction model    

以代谢能(ME)和氨基酸可利用率(AAA)为基础，配制家禽饲粮备受关注，但原料间由于产地、品种、加工方式等的不同会导致其生物效价具有较大的差异。因此准确、快速评定饲料原料的ME和AAA是进行精准配制饲料的关键之一。近红外光谱(near infrared spectroscopy,NIRS)分析技术能够为饲料工业提供一种简单、快速、准确的评定饲料原料生物效价的方法[1]。Losada等[2]在预测家禽6种蛋白饲料的氮校正表观代谢能(AMEn)，以AMEn与总能(GE)之比指标为依据，发现NIRS法优于化学成分预测法和酶解法；Liu等[3]采用NIRS在肉鸡上对豆粕的表观代谢能(AME)和可消化氨基酸进行实时分析，可使不同品质的豆粕得到高效利用，达到最大的生产效益。而迄今为止未见有关产蛋鸡对豆粕的ME、AAA以及采用NIRS进行预测的报道，因此本研究将以罗曼产蛋鸡为研究对象，在实测30个不同来源豆粕AME和AAA的基础上，采用NIRS分析技术来探讨建立其预测模型的可行性。 1 材料和方法 1.1 试验样品

收集30种豆粕样品，分布于我国豆粕的主产区，包括内蒙古、黑龙江、吉林、辽宁、河北、山东、河南、安徽、江苏、浙江、广东和广西等12省和自治区。其常规养分含量见表1。

表1 豆粕的常规养分含量(干物质基础) Table 1 Proximate nutrients contents of soybean meal (DM basis)
1.2 罗曼蛋鸡豆粕AME和AAA的评定

AME和AAA的评定采用“训饲+全收粪法”。选用248只体重(1.60±0.10) kg、36周龄、产蛋率85%，经过7 d采食训练的罗曼粉壳蛋鸡，随机分为31组，每组8个重复，每个重复1只鸡，置于代谢笼中单笼饲养。31种饲粮(1个玉米淀粉基础饲粮，30个豆粕试验饲粮)参考赵峰等[4]配制(表2)；采食训练在参考Hoai等[5]的基础上，根据产蛋鸡的消化生理特点，进行部分修改：采食训练期7 d，每天饲喂蛋鸡商品饲粮2次(每次1.5 h)；试验期7 d，每天饲喂试验饲粮3次(每次1.5 h)，用于补偿适口性的改变而引起采食速度的降低[6]，其中预试期3 d，正试期4 d。饲粮、粪样的能量采用氧弹式热量计(Parr1281，美国)测定。饲粮、粪样的氨基酸含量参考GB/T 18246—2000方法，采用氨基酸分析仪(日立L-8900)测定。

表2 饲粮组成及营养水平(饲喂基础) Table 2 Composition and nutrient levels of diets (as-fed basis)

AME计算公式如下：

AMEsoy=(AMEdiet-AMEBD×C1)/C2。

式中：AMEsoy为待测豆粕的AME；AMEdiet为试验饲粮的AME；AMEBD为淀粉基础饲粮的AME；C1为试验饲粮中淀粉的含量；C2为试验饲粮中待测豆粕的含量。

AAA计算公式：

AAA(%)=100×[氨基酸摄入量(AAI,mg)-氨基酸排泄量(AAO,mg)]/AAI。

式中：AAO根据代谢试验中所收蛋鸡的排泄物测定。 1.3 豆粕NIRS预测模型的建立

选用BRUKER公司生产的MPA型傅立叶变换近红外光谱仪扫描豆粕样品。豆粕粉碎过40目，在风干条件下，扫描得到豆粕的光谱。谱区范围4 000～12 000 cm-1，扫描次数64次，分辨率8 cm-1。仪器扫描样品前，室内(25 ℃)预热30 min，以仪器内置参比做背景校正。

按照AME和AAA分布从30个样品中选择5个作为外部验证集，其余25个样品作为校正集。用OPUS/QUENT 5.5光谱定量分析软件，以最小交叉验证标准差(RMSECV)为指标，筛选豆粕样品建模的最佳预处理方法，以校正集建立预测模型，并对模型进行外部检验，考察模型的外部验证系数(Rval2)和外部验证标准差(RMSEP)。 1.4 数据统计

试验数据采用SPSS 17.0描述性统计分析(descriptive statistic)模块对各指标进行描述性统计，利用其one-way ANONA对AME和AAA数据进行方差分析，其平均值再用LSD法进行多重比较，以P<0.05为差异显著水平，试验结果用平均值±标准差表示。 2 结果与分析 2.1 豆粕的光谱、常规养分、AME和AAA

30种豆粕的NIRS如图1所示，其吸光谱图基 本相同，均在8 500～8 000 cm-1、7 000～6 500 cm-1、 6 000～5 500 cm-1、5 000～4 500 cm-1等位置具有明显的吸收峰，但峰高不同，表明样品的特征性官能团基本相同而含量存在差异，这提示我们原料的构成基本相同相同而含量存在差异。

图1 30种不同来源豆粕样品的NIRS Fig. 1 The near infrared reflectance spectrum of 30 soybean meal samples

罗曼蛋鸡对30个不同来源豆粕AME的范围在11.95～14.87 MJ/kg之间，平均值为(13.24±0.67) MJ/kg，不同来源豆粕间差异极显著(P<0.01)；豆粕总氨基酸可利用率(TAAA)的范围为89.99%～94.96%，平均值为(93.73±1.23)%，不同来源的豆粕TAAA差异不显著(P=0.463 0)；总非必需氨基酸可利用率(TNEAAA)的范围90.08%～95.75%，平均值为(93.08±1.26)%，总体差异不显著(P=0.986 1)；总必需氨基酸可利用率(TEAAA)的范围91.18%～96.34%，平均值(94.10±1.23)%，不同来源间差异极显著(P=0.006 6)；必需氨基酸中的赖氨酸、精氨酸、缬氨酸的可利用率均值分别为94.81%、98.31%、92.26%。结果表明产蛋鸡对不同来源豆粕的AME和AAA存在差异，详见表3。

表3 30种豆粕AME和AAA(干物质基础) Table 3 AME and AAA of 30 soybean meal samples(DM basis)
2.2 豆粕AME和AAA的NIRS预测模型

豆粕AME和AAA的NIRS预测模型的建模条件见表4。不同指标选择优化的谱区范围有所不同，但大部分在6 101.9～5 446.2 cm-1范围内。所建立豆粕AME和AAA的NIRS预测模型的参数见表5。AME的NIRS预测模型的预测值和实测值相关性如图2所示；总氨基酸和天冬氨酸的NIRS预测模型的预测值和实测值相关性如图3、图4所示。

图2 豆粕AME实测值与近红外内部交叉检验预测值(a)以及校正模型预测值(b)Fig 2 True and predicted AME value of the internal validation (a) and calibration (b) data set in soybean meals

图3 豆粕总AAA实测值与近红外内部交叉检验预测值(a)以及校正模型预测值(b)Fig. 3 True and predicted TAAA of the internal validation (a) and calibration (b) data set in soybean meals

图4 豆粕Asp可利用率实测值与近红外内部交叉检验预测值(a)以及校正模型预测值(b)Fig. 4 True and predicted Asp of the internal validation (a) and calibration (b) data set in soybean meals

AME的NIRS模型的校正决定系数(Rcal2)、交叉验证系数(Rcv2)、Rval2分别为99.24%、83.79%、80.73%；RMSEE、RMSECV、RMSEP分别为0.05、0.18、0.22 MJ/kg；外部检验相对标准差(RSD)为1.71%。

表4 豆粕AME和AAA建模条件 Table 4 The modeling conditions for AME and AAA of soybean meal samples

除丝氨酸(78.58%)外，其他氨基酸的Rcv2均在80%以上；各氨基酸的RMSECV均小于0.60%。氨基酸模型的Rcal2都在95%以上；除异亮氨酸(0.31%)外，其他氨基酸的RMSEE均小于0.30%。对于氨基酸模型的Rval2，异亮氨酸(99.42%)最高，精氨酸(61.80%)最低。除酪氨酸(0.90%)外，其余氨基酸的RSD均小于0.70%。上述结果表明大部分指标的预测值与实测值比较接近，模型可用来对未知样品进行实际预测。

表5 豆粕AME和AAA的NIRS预测模型参数 Table 5 Statistics of NIRS prediction models of AME and AAA of soybean meals

3 讨 论 3.1 豆粕AME和AAA

豆粕的品种、产地以及加工条件均会影响其生物效价。赵峰等[4]测定12种不同来源豆粕在肉鸭上ME为11.44～13.35 MJ/kg。Baker等[7]以肉鸡为试验对象，评定普通豆粕、低聚糖豆粕和高蛋白豆粕的氮校正真代谢能(TMEn)分别为12.40、12.49、12.99 MJ/kg。本研究30种豆粕AME值为11.95～14.87 MJ/kg，表明不同来源豆粕的蛋鸡ME存在较大的差异。本研究30种豆粕AME的平均值为13.24 MJ/kg，高于《中国饲料成分及营养价值表2012年(第23版)》[8]推荐值，但和仲菊等[9]报道母鸡对豆粕的AME值(13.72 MJ/kg)相似。由上述可知，产蛋鸡和公鸡对饲料的利用率有差异，因此实时预测蛋鸡对豆粕的有效能值对于饲料的高效利用具有重要意义。

30种豆粕TAAA的范围为89.99%～94.96%，TAAA的最大值比最小值高5.52%，平均值为92.63%，高于王冉等[10]的报道，而与Huang等[11]、赵峰等[4]的报道相似，这与豆粕来源/加工方式有关[12]。不同原料间同一氨基酸和同一原料间不同氨基酸的AAA都存在差异。不同原料间同一非必需氨基酸和同一原料间不同非必需氨基酸的AAA差异大，而其必需氨基酸的AAA差异小，具体原因还有待探究，可能是氨基酸之间消化吸收的具体机制不同[13]。限制性氨基酸中Lys可利用率高于Caria等[14]以及《中国饲料成分及营养价值表2012年(第23版)》[8]推荐值，但和赵峰等[4]的研究结果相似。因此在配制饲料时，采用豆粕AME和AAA的实时评定值进行饲料配制对于精准饲养具有关键性的意义。 3.2 豆粕AME和AAA的NIRS预测模型

NIRS分析技术是基于物质的近红外吸收特性来判定其大致成分及含量的技术。NIR是红外分子从基态向激发态跃迁或分子转动能级的变化所产生的，此光谱区与含氢基团(O-H、N-H、C-H)振动的倍频和合频吸收紧密相关。物质的化学成分相同，其NIRS就会相同。我们知道由于物质在组成和结构上的特异性，从而使一种物质仅对某些特定频率的近红外光有强烈吸收，并在光谱图上表现有较高的吸收峰，形成特征光谱图。这表明样品的大致成分相同，而含量不同。本研究中30种豆粕的NIRS图相似、即吸收峰所在的波数相同，说明基本构成官能团相同；但它们峰高具有一定的差异，说明官能团的含量不同，这为我们建立预测模型进行定量预测提供了理论依据。为提高定标模型的可靠性，在对光谱进行偏最小二乘(PLS)法回归分析前，需要对光谱进行预处理。光谱预处理可净化谱图信息，消除光谱噪声及其他干扰因素，如光谱矢量归一化预处理对消除粒度、加样差异和不同次数扫描产生的差异非常有效。本研究建立不同指标的NIRS预测模型时，其共同最佳光谱区间在6 101.9～5 446.2 cm-1和7 502.1～4 246.7 cm-1等范围。本研究氨基酸的NIRS预测模型的共同最佳优化谱范围为7 502.1～4 246.7 cm-1，将4 677 cm-1处纯蛋白质吸收峰包含在内，这为我们准确预测蛋白质及氨基酸的有效性提供了保障。另外本试验在建立大部分指标定标模型时都需要对光谱进行预处理，并选择最佳光谱区间以及主成分维数，然后再进行PLS回归并建立预测模型。这样确定的NIRS校正模型，其决定系数较大、标准差较小，准确性高。

近年来国内外已有采用NIRS技术预测植物中成分含量，饲料的代谢能和可利用氨基酸含量的研究。本研究定标NIRS模型中，除总氨基酸、丝氨酸外，其他氨基酸的Rcv2都在80%以上，Rcal2均在90%以上，说明本试验建立的定标模型可靠。采用NIRS分析技术能够成功测定玉米秸秆的中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤纤维(ADF)的含量[15]，甜叶菊中微量物质甜菊醇糖苷的含量[16]，甚至成功地构建了预测紫花苜蓿干草多项指标指标的傅里叶NIRS预测模型[17]。这表明NIRS分析技术能够用于预测植物单一或多种成分的含量。Liu等[3]采用NIRS对肉鸡豆粕的AME和可消化氨基酸(DAA)进行实时分析，可使不同品质的豆粕达到最大生产效益。这进一步表明NIRS分析技术能够用于预测饲料的生物效价。本研究定标NIRS模型中总氨基酸、TNEAA、TEAA的定标效果稍微差些，可能是测定每种氨基酸都存在误差，各氨基酸的数据相加之后，得到结果的误差放大；另外也可能每个氨基酸的特征吸收峰存在较大差异，NIRS分析技术未能很好地获得其共同的吸收峰，因此不能建立有效的相关性。另外精氨酸和苏氨酸的检验效果不如其他氨基酸好，其精度需进一步提高，其可能原因是样品量比较少或者模型定标时所选样品代表性不强等所致。本研究中多数氨基酸的Rcv2都在80%以上，Rcal2均在90%以上，定标模型精度高。这表明NIRS分析技术运用于蛋鸡豆粕的AME和AAA的预测是可行的。 4 结 论

① 不同来源豆粕的罗曼蛋鸡AME、AAA存在较大的差异。

② 利用NIRS分析技术可建立罗曼蛋鸡豆粕的AME、AAA预测模型，模型的Rcal2及预测的RMSEP较好。

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