我国是世界上奶牛存栏数较多的国家之一。随着人民生活水平的不断提高和经济的迅速发展，奶牛产业也呈现迅猛上升的趋势。我国是粮食生产大国，粮食加工的过程中伴随着大量的副产物产生，但是我国大部分粮食加工副产物利用率很低或是直接丢弃，不但造成了资源的浪费，还污染了环境[1]。因此，全面评价粮食加工副产物营养价值，可为其作为奶牛的饲料提供可靠的科学依据。
粮食加工副产物如大豆皮(soybean hulls，SH)的粗纤维含量较高，而木质素(ADL)含量较低，使得大豆皮可以作为反刍动物很好的粗饲料[2]。利用大豆皮替代泌乳奶牛精料中的部分玉米和小麦麸的试验结果显示，与对照组相比，奶牛的日产奶量等均没有显著差异，但是经济效益有显著增加[3]。玉米纤维饲料(dry corn gluten feed，DCGF)的蛋白质和纤维含量几乎是玉米的3倍[4]。已有研究表明，粮食加工副产物用作反刍动物、家禽、猪、水产动物的饲料，可至少节约31.0%~46.8%的粮食类饲料，降低生产成本，提高经济效益[5-6]，因此，科学、全面地评价其营养价值具有重要的意义。康奈尔净碳水化合物-蛋白质体系(Cornell net carbohydrate and protein system, CNCPS)是美国康奈尔大学经过数十年的研究提出的一个预测瘤胃发酵时的动态模型[7]，它是一个基于瘤胃降解特征的饲料评价体系，将饲料化学成分与反刍动物瘤胃消化特点结合起来，对饲料的营养价值与动物生产性能进行预测，分析其价值。NRC(2001)制定的奶牛营养需要量标准在世界上具有很高影响力，许多国家和地区将该标准用作本地的基础和参考。根据模型的阐述，饲料蛋白质可以分为3部分，瘤胃可降解蛋白质(RDP)、过瘤胃蛋白质(RUP)和可代谢蛋白质(MP)。本试验应用CNCPS体系和NRC模型从营养成分测定、蛋白质和碳水化合物(CHO)组分的剖分、潜在应用价值预测以及能值估测等方面进行综合分析比较，研究了玉米纤维饲料、大豆皮、甜菜粕(sugar beet pulp，SBP)和豆渣(bear residue，BR)的营养价值，旨在为其在奶牛生产中科学、合理应用提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验材料4种粮食加工副产物包括玉米纤维饲料、大豆皮、甜菜粕和豆渣，分别来自吉林省松原市嘉吉生化公司、英联饲料公司、齐齐哈尔市克东飞鹤牧场和九三豆制品厂。玉米纤维饲料是在湿法生产玉米淀粉时由玉米皮和浓缩的玉米浆以大约2 : 1的比例混合而成的一种富含可消化纤维和可消化蛋白质的纤维性饲料；大豆皮是采用去皮浸出法生产大豆粕的一种主要副产品；甜菜粕是甜菜在制糖过程中经切丝、渗出、充分提取糖分后含糖很少的菜丝，烘干制粒；豆渣是豆类经加工、磨制豆腐或豆浆及豆奶等产品后的副产品。样品经风干、粉碎并过1 mm分析筛后放入自封袋中4 ℃保存备用。
1.2 试验方法 1.2.1 常规营养成分测定干物质(DM)、粗蛋白质(CP)、粗脂肪(EE)、粗灰分(Ash)、淀粉(starch)的含量测定按照AOAC[8]方法测定；酸性洗涤纤维(ADF)、酸性洗涤木质素(ADL)、中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤不溶粗蛋白质(ADICP)、中性洗涤纤维不溶粗蛋白质(NDICP)的含量测定按照Van Soest等[9]的方法测定；可溶性粗蛋白质(SCP)的含量按照Krishnamoorthy等[10]的方法测定；非蛋白氮(NPN)的含量按照Licitra等[11]方法测定。测定营养成分的重复数为3个。
1.2.2 CNCPS对蛋白质组分和CHO组分的剖分在CNCPS蛋白质剖分体系中，饲料蛋白质分为3个组分：非蛋白氮(PA, 即NPN)、真蛋白质(PB)、不可降解氮(PC)，其中PB又可分为快速降解真蛋白质(PB1)、中速降解真蛋白质(PB2)和慢速降解真蛋白质(PB3)，计算公式如下[12]：
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利用CNCPS将饲料CHO剖分为4部分：快速降解碳水化合物(CA)、中速降解碳水化合物(CB1)、缓慢降解碳水化合物(CB2)和不可利用碳水化合物(CC)。CA为糖类，CB1为淀粉和果胶，CB2为可利用纤维，CC为不可利用纤维，是ADL的2.4倍。其中CA、CB1为非结构性碳水化合物(NSC)，CB2、CC为结构性碳水化合物(SC)。计算公式如下[12]：
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根据CNCPS模型预测不同原料潜在营养价值供给量的指标包括RDP、RUP和MP，其中MP的供给量由菌体蛋白质(MCP)、可吸收菌体蛋白质(AMCP)、可吸收过瘤胃蛋白质(ARUP)、可吸收内源蛋白质(AECP)计算得出[12]。
在CNCPS模型中，分别以4种试验原料为单一饲料饲粮，衡量瘤胃能氮平衡(rumen energy nitrogen balance，RENB)，用瘤胃可降解蛋白可合成菌体蛋白质(MCPRDP)和总可消化养分(TDN)可合成菌体蛋白质(MCPTDN)之间的差值来预测，计算公式如下[12-13]：
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式中：A表示快速降解粗蛋白质部分; B表示可降解粗蛋白质部分; C表示完全不降解粗蛋白质部分；Kd表示B的降解速率；Kp表示待测饲料瘤胃流通速率。
MCP(g/kg DM)=0.13×TDNm×eNDFadj。
式中：TDNm为维持水平总可消化养分。当物理有效中性洗涤纤维(peNDF)/NDF>20%时，eNDFadj取1.0；当peNDF/NDF < 20%时，eNDFadj=1.0-[(20-peNDF)×0.025]。
AMCP(g/kg DM)=0.80×0.80×MCP。
式中：MCP中80%为PB，可在小肠内吸收[NRC(2001)]。
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式中：dRUP为可消化过瘤胃蛋白质，估计值为0.85。
ECP(g/kg DM)=6.25×1.9×DM(g/kg)。
式中：ECP为内源蛋白质，其中50%的ECP能到达十二指肠，且80%为PB[NRC(2001)]。
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使用NRC(2001)奶牛估测模型来估测4种饲料原料奶牛瘤胃真可消化粗蛋白质(tdCP)、真可消化脂肪酸(tdFA)、真可消化中性洗涤纤维(tdNDF)、真可消化非纤维碳水化合物(tdNFC)、维持水平总可消化养分(TDNm)、生产水平消化能(DEp)、生产水平代谢能(MEp)、生产水平泌乳净能(NELP)[14]。使用NRC(1996)肉牛模型估测维持净能(NEm)和增重净能(NEg)[15]，计算公式如下：
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式中：PAF为加工校正因子。
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式中：FA为脂肪酸，如果EE < 1，则FA=0。
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如果TDNm < 60%，消化率的折扣忽略不计。
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所有数据采用Excel 2007进行基本处理，再用SAS 9.2中的MIXED模型进行统计分析。
2 结果与分析 2.1 不同粮食加工副产物营养成分从表 1可见，不同粮食加工副产物的营养成分差异较大。甜菜粕的EE含量最低(4.8 g/kg DM)，而大豆皮的EE含量最高(50.0 g/kg DM)，二者差异显著(P < 0.05)；大豆皮的NDF和ADF含量最高，显著高于其他粮食加工副产物(P < 0.05)；玉米纤维饲料的淀粉含量最高(106.3 g/kg DM)，显著高于其他粮食加工副产物(P < 0.05)；甜菜粕的CHO含量最高(807.0 g/kg DM)，显著高于其他粮食加工副产物(P < 0.05)；豆渣的CP含量最高(231.2 g/kg DM)，显著高于其他粮食加工副产物(P < 0.05)，甜菜粕的CP含量最低(129.5 g/kg DM)，显著低于其他粮食加工副产物(P < 0.05)；玉米纤维饲料的SCP含量最高(643.8 g/kg CP)，显著高于其他粮食加工副产物(P < 0.05)，甜菜粕的SCP含量最低(238.8 g/kg CP)，显著低于其他粮食加工副产物(P < 0.05)；甜菜粕的NDICP和ADICP含量最高，显著高于其他粮食加工副产物(P < 0.05)。
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表 1 不同粮食加工副产物营养成分 Table 1 Nutrient component of different by-products of food processing (n=3) |
从表 2可见，不同粮食加工副产物蛋白质和CHO组分存在较大差异。
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表 2 CNCPS对不同粮食加工副产物的蛋白质和碳水化合物的剖分 Table 2 Partition of subfractions of protein and carbohydrate of different by-products of food processing using CNCPS (n=3) |
在对蛋白质组分的剖分中，玉米纤维饲料的PA含量最高(599.2 g/kg CP)，显著高于其他粮食加工副产物(P < 0.05)，PC含量最低(15.2 g/kg CP)，显著低于其他粮食加工副产物(P < 0.05)。大豆皮的PB含量最高(806.8 g/kg CP)，显著高于其他粮食加工副产物(P < 0.05)，PA含量最低(132.8 g/kg CP)，显著低于其他粮食加工副产物(P < 0.05)。甜菜粕的PB3含量最高(355.4 g/kg CP)，显著高于其他粮食加工副产物(P < 0.05)。豆渣的PC含量最高(106.5 g/kg CP)，显著高于其他粮食加工副产物(P < 0.05)。
在对CHO组分的分剖分中，玉米纤维饲料的CB1与CB2含量显著高于其他粮食加工副产物(P < 0.05)，CC含量最低(81.4 g/kg CHO)。大豆皮的CC含量最高(349.8 g/kg CHO)，显著高于其他粮食加工副产物(P < 0.05)，CB1含量最低(31.4 g/kg CHO)，显著低于其他粮食加工副产物(P < 0.05)。豆渣的CA含量最高(481.7 g/kg CHO)，显著高于其他粮食加工副产物(P < 0.05)，CB1和CB2的含量都较低。从CHO组分分析来看，玉米纤维饲料的营养价值最高。
2.3 使用CNCPS模型对不同粮食加工副产物能量供给量的预测从表 3可见，玉米纤维饲料的RDP含量最高，甜菜粕的RUP含量最高，玉米纤维饲料的RUP含量最低。豆渣的AECP含量显著低于其他粮食加工副产物(P < 0.05)。各粮食加工副产物的MP含量差异显著(P < 0.05)，豆渣最高，玉米纤维饲料最低。根据MCPTDN与MCPRDP的差值，可得出REND的值。玉米纤维饲料与豆渣的REND为负值，说明其能量供给不足，可降解蛋白质供给量过剩；大豆皮与甜菜粕的REND为正值，说明其能量供给过剩，可降解蛋白质供给量不足。
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表 3 不同粮食加工副产物对奶牛潜在营养供应量的预测 Table 3 Prediction of potential nutrient supply to dairy cattle from different by-products of food processing (n=3) |
从表 4可见，豆渣的tdNFC含量最高(375.2 g/kg DM)，显著高于其他粮食加工副产物(P < 0.05)，这与其含有较低含量的纤维素和半纤维素有关；豆渣的tdCP含量最高(229.5 g/kg DM)，显著高于其他粮食加工副产物(P < 0.05)，这与其常规营养成分分析中较高的CP含量和较低的ADICP含量结果相一致。玉米纤维饲料的tdNDF含量最高(301.4 g/kg DM)，显著高于其他粮食加工副产物(P < 0.05)，这与常规营养成分分析中的NDF和ADF的含量有关。豆渣和玉米纤维饲料的TDNm含量较高，且差异不显著(P>0.05)；甜菜粕的TDNm含量最低(576.7 g/kg DM)，显著低于其他粮食加工副产物(P < 0.05)；豆渣的DEP、MEP、NELP、NEM和NEG值最高，玉米纤维饲料次之，大豆皮和甜菜粕的各能值水平较低。
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表 4 NRC模型估测不同粮食加工副产物的可消化养分含量和能值 Table 4 Prediction of digestible nutrient contents and energy values of different by-products of food processing using NRC model (n=3) |
本试验较全面地分析了我国几种比较常见的粮食加工副产物的营养成分。大豆皮营养成分的含量与石风华等[16]研究的结果相比，除了ADL、ADICP含量略高外，其他营养成分含量基本接近。大豆皮细胞壁成分(NDF、ADF和ADL)含量较高，能够有效地促进奶牛瘤胃健康。豆渣营养成分含量与穆会杰等[18]的研究结果相比，除CP含量略高，EE含量与SCP含量略低外，其他营养成分含量基本接近。本试验结果与其他研究相比有差异，这可能与原料来源、品种及加工工艺有关。如大豆原料品质不同，豆渣的CP含量也不同。另外，加工方法也影响其营养价值[17]。目前，国内关于玉米纤维饲料的营养成分研究报道较少，本研究中玉米纤维饲料营养成分含量与潘春芳等[18]报道的湿玉米纤维饲料(WCGF)相比，除DM、ADF、SCP、ADICP含量略高外，其他营养成分含量基本相近。玉米纤维饲料的淀粉含量虽然高于其他粮食加工副产物，但与其原料玉米相比，淀粉含量仅占玉米的1/6不到；且玉米纤维饲料可消化NDF含量高于普通粗饲料，对稳定奶牛瘤胃发酵有重要作用。国外有关玉米纤维饲料低淀粉、高果胶、高可发酵CHO含量对保证奶牛、肉牛瘤胃健康的报道已有很多[4, 19]。甜菜粕的CHO含量最高，NSC含量达到CHO含量的1/2，淀粉含量最低，果胶含量很高，这与林曦等[14]结果一致。从CHO角度分析，玉米纤维饲料和甜菜粕的营养水平较高；从蛋白质角度分析，豆渣具有更明显的优势。
3.2 不同粮食加工副产物蛋白质和CHO营养成分在大量研究反刍动物瘤胃发酵规律和饲料分析方法的基础上，CNCPS体系把饲料成分的化学分析与反刍动物瘤胃的消化利用结合起来，使得饲料营养价值评价结果对科研和生产实践更具有参考价值，同时也反映出动物营养学新的发展方向。周俊华等[21]研究表明，PA对反刍动物具有较高的营养价值，但对于单胃动物营养价值很低。玉米纤维饲料含有较高的PA含量，可以为瘤胃微生物提供充足的氮源。玉米纤维饲料是由玉米皮和玉米浆混合干燥制成，未喷浆的玉米皮CP含量大约为9.50% DM，而玉米浆CP中SCP和NPN比例较大，因此二者混合后生产的玉米纤维饲料含有的PA含量较高，而PB含量较低。本研究结果中大豆皮和豆渣的PB2含量高于玉米纤维饲料和甜菜粕，后两者的蛋白质比其他饲料具有更高的优势。PC部分不能被瘤胃微生物消化，一般认为在反刍动物饲粮中PC含量不能超过10%[21]。4种粮食加工副产物中豆渣的PC含量最高，说明其CP降解率较低。大豆皮和甜菜粕PB含量相近，但PB2和PB3含量差异较大，可能是与2种饲料蛋白质分子结构不同有关。
CNCPS将CHO划分为NSC和SC，在此基础上，根据饲料样品在瘤胃中降解的速度，进一步将NSC划分为CA、CB1，将SC划分为CB2、CC[21]。瘤胃微生物能将SC发酵产生挥发性脂肪酸，为奶牛提供能量。玉米纤维饲料的CB1和CB2含量最高，说明玉米纤维饲料的可利用纤维含量较高。大豆皮的CC含量显著高于其他几种粮食加工副产物，这是由于其ADL含量较高导致的。甜菜粕的CB1组分主要为果胶，对于稳定反刍动物瘤胃发酵有重要作用[22]。豆渣的CA含量最高，说明其快速降解的可溶性糖含量较高。综合CHO的各组分分析来看，玉米纤维饲料、甜菜粕、大豆皮可以作为奶牛的纤维原饲料。
3.3 潜在营养价值在CNCPS蛋白质剖分体系中，饲料蛋白质包括PB和PA。CP一般在瘤胃中有70%被微生物降解，即RDP；剩余的CP不被降解，即RUP部分。瘤胃微生物蛋白质利用饲料提供的碳源和氮源生长繁殖合成MCP，并同RUP进入真胃和小肠，被分解成肽和氨基酸被利用。NRC(2001)建议，RUP的饲喂量占奶牛饲粮CP的33%～40%，RUP对高产奶牛和泌乳早期奶牛非常重要[14]。RDP是合成MCP的主要氮源，对反刍动物瘤胃代谢至关重要。在CNCPS预测模型中，MCP产量与饲料的TDNm含量呈正相关关系，本试验结果表明豆渣的TDNm含量最高，其次为玉米纤维饲料，甜菜粕最低，故豆渣的MCP含量最高，而甜菜粕MCP含量最低。瘤胃内源氮ECP的含量与饲料DM含量呈正相关，且有50%的ECP可到达十二指肠被吸收利用，故豆渣ECP和AECP含量显著低于其他3种粮食加工副产物。MP在小肠中吸收的蛋白质的总和，以豆渣的MP含量最高，其次为大豆皮，而玉米纤维饲料最低。从蛋白质角度分析，豆渣对奶牛的潜在营养量及营养价值最高。
瘤胃微生物蛋白质的合成效率是反刍动物饲料蛋白质利用率的决定因素，另外CHO、脂肪等营养物质的分解，也依赖于瘤胃微生物。而瘤胃微生物的生长和繁殖要以蛋白质降解释放的氮为营养，以CHO为能量，只有两者平衡才能使微生物生长、繁殖效率最佳，饲粮营养成分的利用才更为有效。饲粮的能氮平衡过程，就是分别根据饲粮的TDN和RDP含量分别推算MCP的合成量，计算两者之差。如果差值为零，则表明平衡良好；差值为负，则前者不足需要补充；差值为正，则后者不足需要补充[23]。玉米纤维饲料与豆渣的REND为负值，大豆皮与甜菜粕的REND为正值，4种粮食加工副产物的能氮供给都不平衡。玉米纤维饲料和豆渣需补充能量饲料，大豆皮与甜菜粕需补充蛋白质饲料。
3.4 不同粮食加工副产物的可消化养分含量和能值NRC模型根据饲料的真可消化养分含量估测饲料的能量供给量，各营养组分对能量的贡献能力不同。豆渣和甜菜粕的tdNFC含量较高，原因是其非纤维性碳水化合物(NFC)含量较高，并且在计算饲料tdNFC时，需要考虑饲料的加工校正因子(processing adjustment factor，PAF)[24]。豆渣和玉米纤维饲料的tdCP含量较高，饲料CP对能量的贡献率主要与CHO和ADICP含量有关[24]。甜菜粕的tdFA含量极少，对能量的贡献值为零。尽管大豆皮的NDF含量高于玉米纤维饲料，但其tdNDF含量低于玉米纤维饲料，即4种粮食加工副产物中玉米纤维饲料的NDF对能量供应的贡献值最大。Biricik等[25]和Kelzer等[26]也报道玉米纤维饲料的瘤胃可降解NDF含量高，可发酵的纤维性CHO含量较高。因此，豆渣的TDNm含量最高，玉米纤维饲料次之，甜菜粕最低，且相应的能量值DEP、MEP、NELP、NEM和NEG也具有相同的趋势。这表明在提供能量方面，豆渣和玉米纤维饲料具有的更强的优势。但是，试验原料的可消化养分及各能值是基于前人的预测模型所得，非体内代谢试验实测值，还需要进一步的体内试验进行验证比较。
CNCPS自产生以来，不断更新，在生产中显示了很好的应用价值。在CNCPS中，饲料代谢蛋白质的计算引用了NRC(2001)模型的代谢蛋白质的计算方式。NRC(2001)模型是目前世界各地广泛应用的奶牛饲养标准。在NRC模型中，将饲料蛋白质分解为RDP和RUP 2部分。而在CNCPS中，将饲料蛋白质分为PA、PB1、PB2、PB3和PC 5部分，其中PB1、PB2、PB3和PC被认为是经过瘤胃到达小肠的蛋白质，比NRC(2001)模型的划分更为详细。NRC(2001)模型引用了CNCPS分析方法，通过饲料中TDN值，计算出饲料蛋白质在瘤胃以及小肠中的变化及饲料能值，所以也叫以CNCPS为基础的模型。在实际生产过程中，可以根据需要进行相关的体系综合分析与测定，进行更好的实践指导。
4 结论①不同粮食加工副产物的CP、NDF、纤维素、NSC等含量不同，因而不同副产物对反刍动物的MCP、MP、各能量等营养物质供给量存在差异，但是各营养值均为模型推算结果，还需要在动物试验中进一步验证。
②玉米纤维饲料和大豆皮的tdNDF含量较高，可以作为奶牛的纤维源饲料；豆渣的RUP、MP含量最高，可以作为奶牛的蛋白质源饲料。
③豆渣的MCP和MP含量最高；玉米纤维饲料的TDNm含量仅次于豆渣，因而4种粮食加工副产物的能值由高到低依次为豆渣、玉米纤维饲料、大豆皮、甜菜粕。
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