动物营养学报    2020, Vol. 32 Issue (8): 3780-3788    PDF    
瘤胃体外发酵评价红曲米酒糟作为山羊饲料原料的可行性
简仕燕1 , 王菲1 , 郭子義1 , 马政发1 , 陈祥2 , 吴文旋1,2,3,4 , 陈鑫珠5 , 刘景5 , 吴佳海6 , 牟琼6     
1. 贵州大学动物科学学院动物营养与饲料科学研究所, 贵阳 550025;
2. 贵州大学高原山地动物遗传育种与繁殖教育部重点实验室, 贵阳 550025;
3. 贵州大学新农村发展研究院, 贵阳 550025;
4. 贵州省山地畜禽养殖污染控制与资源化技术工程实验室, 贵阳 550025;
5. 福建省农业科学院畜牧兽医研究所, 福州 350013;
6. 贵州省草业研究所, 贵阳 550006
摘要: 本试验旨在通过体外法研究红曲米酒糟对山羊瘤胃产气量与发酵参数的影响,评价其作为山羊饲料原料的可行性。采集9只山羊的瘤胃液,应用ANKOM RFS产气系统进行体外发酵,其中对照组发酵底物不含红曲米酒糟,试验Ⅰ组、试验Ⅱ组、试验Ⅲ组发酵底物分别含有50、100、150 mg/g的红曲米酒糟。测定指标包括:1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、24、36、48、72 h的产气量(GP)以及体外培养72 h的pH、干物质消失率(DMD)、氨态氮(NH3-N)与挥发性脂肪酸(VFA)浓度、纤维素酶活性。结果显示:1)试验Ⅲ组在1~5 h内产气量显著高于对照组(P < 0.05);各组干物质消失率差异不显著(P>0.05);各组发酵液pH均处于正常水平,且氨态氮浓度组间差异不显著(P>0.05)。2)各组发酵液乙酸、丙酸、丁酸、总挥发性脂肪酸浓度与乙酸/丙酸差异不显著(P>0.05)。3)试验Ⅲ组发酵液木聚糖酶、纤维二糖酶活性均显著高于对照组(P < 0.05)。由此可见,红曲米酒糟可增加山羊瘤胃体外发酵产气量、提高纤维素酶活性,促进瘤胃发酵,具有作为山羊饲料原料的潜力,值得开展饲养试验确定其在山羊饲粮中的适宜添加量。
关键词: 红曲米酒糟    山羊    瘤胃体外发酵    产气量    纤维素酶    
Evaluation of Red Yeast Rice Distillers' Grains Used as Feed for Goats by Rumen Fermentation in Vitro
JIAN Shiyan1 , WANG Fei1 , GUO Ziyi1 , MA Zhengfa1 , CHEN Xiang2 , WU Wenxuan1,2,3,4 , CHEN Xinzhu5 , LIU Jing5 , WU Jiahai6 , MOU Qiong6     
1. Institute of Animal Nutrition and Feed Science, College of Animal Science, Guizhou University, Guiyang 550025, China;
2. Ministry of Education Key Laboratory of Animal Genetics, Breeding and Reproduction of Plateau Mountain Region, Guizhou University, Guiyang 550025, China;
3. Institute of New Rural Development, Guizhou University, Guiyang 550025, China;
4. Engineering Key Lab of Plateau Mountain Livestock Pollution Control and Resource Reuse Technology of Guizhou Province, Guiyang 550025, China;
5. Animal Husbandry and Veterinary Institute, Fujian Academy of Agricultural Sciences, Fuzhou 350013, China;
6. Institute of Guizhou Paratulcure Science, Guiyang 550006, China
Abstract: The purpose of this experiment was to investigate the effects of red yeast rice distillers' grains (RYRDG) on rumen gas production and fermentation parameters of goats in vitro for evaluating the feasibility of RYRDG used as feed for goats. Nine goats were used as the donor of rumen fluid. The ANKOM RFS gas production measurement system was used for in vitro fermentation. Fermentation substances of control group did not contain RYRDG, while the fermentation substances of trial groups Ⅰ, Ⅱ and Ⅲ contained 50, 100 and 150 mg/g RYRDG, respectively. Gas production were determined after 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 24, 36, 48 and 72 h culture, and dry matter disappearance, pH, the concentrations of ammoniacal nitrogen (NH3-N) and volatile fat acids and cellulases activity were determined after 72 h culture. The results showed as follows:1) trial group Ⅲ had significantly higher gas production than control group after 1 to 5 h culture (P < 0.05). There was no significant difference in dry matter disappearance among 4 groups (P>0.05). The fermentation broth pH of each group was in the normal level, and the NH3-N concentration had no significant difference among 4 groups (P>0.05). 2) The concentrations of fermentation broth acetate, propionate, butyrate, total volatile fat acids and acetate/propionate were not significant difference among all groups (P>0.05). 3) The activities of fermentation broth xylanase and cellobiase of trial group Ⅲ was significantly increased compared with control group (P < 0.05). It is suggested that RYRDG can increase the gas production of rumen fermentation in vitro of goats, enhance the increase cellulase activity, and improve the rumen fermentation, and thus it has potential as feed for goats. Further feeding trial is needed to set the appropriate supplemental level in the diet of goats.
Key words: red yeast rice distillers' grains    goats    rumen fermentation in vitro    gas production    cellulase    

红曲是我国传统发酵物质,无毒无害,具有健脾消食、活血化淤等特殊功效。Shao等[1]指出,红曲霉属包括红色、紫色、丛毛、血红、新月、旱生、苍白、佛罗里达、阿根廷等9种红曲菌,其中用于发酵制作红曲米的是红色、紫色、丛毛红曲菌。红曲米以粳米为主要原料,通过接种红曲霉固态发酵而成,生物活性强,具有降脂[2-3]、降糖[4]、抗菌[5-6]、抗炎症[7-8]等作用,洪智勇等[9]、Izawa等[10]等研究还显示红曲米可以抗癌。红曲米酒糟是红曲米酿酒后剩余的残渣,其天然红色素丰富[11],主产于我国福建省,来源稳定,营养丰富。本课题组测定的红曲米酒糟的干物质含量为38%,其营养成分含量(干物质基础)如下:粗蛋白质48.06%,粗脂肪19.30%,有机物98.92%,中性洗涤纤维12.0%。经比较,红曲米酒糟的营养价值高于白酒糟[12-13],具备作为动物饲料资源开发利用的营养学条件,但目前鲜见相关研究报道,制约了红曲米酒糟的利用。鉴于此,本试验以山羊为试验动物,初步研究红曲米酒糟对其瘤胃体外发酵和纤维素酶活性的影响,为在生产实践中应用红曲米酒糟提供技术积累与理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验设计

以9只体况良好、年龄与体重接近的成年贵州白山羊作为瘤胃液供体动物,单栏全舍饲,自由饮水,干燥通风。山羊饲粮精粗比为30 : 70,其组成及营养水平见表 1。每天09:00、18:00各饲喂1次,持续10 d,在最后1天晨饲前用胃管式瘤胃液采样器(VP 30,北京莱伯泰科仪器股份有限公司)经口腔抽取瘤胃液,4层纱布过滤,装入温度为39 ℃、通有CO2的密闭保温瓶中,立即进入实验室进行瘤胃体外发酵试验。瘤胃体外发酵试验分为4个组,即对照组、试验Ⅰ组、试验Ⅱ组、试验Ⅲ组,每个组设7个重复,每个重复1个发酵产气瓶。各组体外发酵底物质量均为1 g,其中对照组体外发酵底物为经粉碎后的颗粒饲料,试验I组、试验Ⅱ组、试验Ⅲ组则分别以50、100、150 mg红曲米酒糟替代经粉碎后的颗粒饲料。体外发酵底物组成及营养水平见表 2

表 1 基础饲粮组成及营养水平(干物质基础) Table 1 Composition and nutrient levels of the basal diet (DM basis) 
表 2 体外发酵底物组成及营养水平(干物质基础) Table 2 Composition and nutrient levels of the fermentation substrate in vitro (DM basis) 
1.2 瘤胃体外培养

应用ANKOM RFS产气测量系统进行体外培养。此系统与传统的注射器法比较,操作简便,数据精确。该系统已得到学界的认可,Benedeti等[14]、Hannah等[15]、Adesogan[16]、杨康[17]、张一帆[18]、普宣宣等[19]、许锦聪等[20]、邵丽玮等[21]、谢明欣[22]利用该系统分别测定了瘤胃饲草料的体外产气量。根据该系统推荐的方法配制人工唾液,每份人工唾液由2 g胰蛋白酶、400 mL蒸馏水、0.1 mL微量元素溶液(表 3)、200 mL体内缓冲液(表 3)、200 mL常量元素溶液(表 3)、1.0 mL刃天青溶液(表 3)组成,通入CO2至饱和升温至39 ℃后,加20 mL还原液(表 3),继续通入CO2,直至溶液由淡蓝色转变为无色,备用。每套发酵产气模块瓶内盛入20 mL瘤胃液与80 mL人工唾液后,迅速通入CO2,置于事先设定为39 ℃的卧式恒温振荡器(HNY-211B,天津欧诺仪器股份有限公司)中进行体外培养。

表 3 体外培养相关溶液的组成 Table 3 Composition of solutions related culture in vitro
1.3 指标检测 1.3.1 瘤胃体外发酵产气量

读取培养至1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、24、36、48、72 h时的累积产气压力,根据下式计算体外产气量。

1) 利用理想气体方程,将产气压力(psi)转换为摩尔单位(mol),公式如下:

式中:n=产气的物质的量(mol);P=气压(kPa,1 psi=6.894 757 293 kPa);V=模块瓶内液面上部空间的体积(L,0.15 L);T=温度(K,273 K+39 ℃=312 K);R=气体常数[8.314 472 L·kPa/(K·mol)]。

2) 利用阿佛加德罗定律,1 mol气体在39 ℃(312 K)时所占有的体积为22.4 L,1 psi=6.894 757 293 kPa。39 ℃时所产气体的体积即产气量如下:

式中:Vx=产气量(mL);n=产气的物质的量(mol)。

1.3.2 瘤胃体外发酵参数

体外培养72 h后终止,用Seven2GoTM pH计(Mettler Toledo)测定培养液pH;单独收集每个发酵瓶内的发酵液于已编号和称重的100 mL离心管内,10 000 r/min、4 ℃离心10 min,收集上清液测定氨态氮(NH3-N)浓度[23]、纤维素酶(微晶纤维素酶、羧甲基纤维素酶、纤维二糖酶与木聚糖酶)活性[24-25],并采用气相色谱法测定挥发性脂肪酸浓度[26]。离心管内的固形物在65 ℃条件下烘48 h至恒重,测定干物质消失率。

1.4 数据统计与分析

试验数据以平均值±标准差(mean±SD)表示。应用SAS 9.2统计软件进行单因素方差分析,各组间平均值的多重比较采用Duncan氏法进行。P<0.05表示差异显著,0.05≤P<0.10表示差异有显著的趋势。

2 结果与分析 2.1 产气量

表 4可知,在发酵前期(<8 h),红曲米酒糟有利于瘤胃发酵。其中在1 h时,试验Ⅲ组产气量显著高于对照组和试验Ⅰ组(P<0.05);在2~3 h时,试验Ⅱ组、试验Ⅲ组产气量显著高于对照组和试验Ⅰ组(P<0.05);在4 h时,试验Ⅲ组产气量显著高于对照组和试验Ⅰ组(P<0.05);在5 h时,试验Ⅲ组产气量显著高于试验Ⅰ组(P<0.05);在6~8 h时,试验Ⅱ组、试验Ⅲ组有增加产气量的趋势(0.05≤P<0.10);其余时间点(9~72 h)各组产气量差异均不显著(P>0.05)。

表 4 红曲米酒糟对瘤胃体外发酵产气量的影响 Table 4 Effects of red yeast rice distillers' grains on gas production of rumen fermentation in vitro 
2.2 瘤胃体外发酵参数 2.2.1 干物质消失率、pH及氨态氮浓度

表 5可知,红曲米酒糟对干物质消失率没有产生显著影响(P>0.05)。试验Ⅲ组发酵液pH显著低于其余3组(P<0.05),但数值差异很小。各组氨态氮浓度差异不显著(P>0.05)。

表 5 红曲米酒糟对瘤胃体外发酵干物质消失率、pH及氨态氮浓度的影响 Table 5 Effects of red yeast rice distillers' grains on DMD, pH and NH3-N concentration of rumen fermentation in vitro
2.2.2 挥发性脂肪酸浓度

表 6可知,各组乙酸、丙酸、丁酸、总挥发性脂肪酸浓度以及乙酸/丙酸均无显著差异(P>0.05)。

表 6 红曲米酒糟对瘤胃体外发酵挥发性脂肪酸浓度的影响 Table 6 Effects of red yeast rice distillers' grains on volatile fatty acid concentrations of rumen fermentation in vitro
2.3 纤维素酶活性

表 7可知,试验Ⅲ组木聚糖酶活性较对照组提高12.68%,差异显著(P<0.05);并且,试验Ⅲ组纤维二糖酶活性分别较对照组和试验Ⅰ组提高9.56%和7.20%,差异显著(P<0.05)。各组羧甲基纤维素酶及微结晶纤维素酶活性差异不显著(P>0.05)。

表 7 红曲米酒糟对瘤胃体外发酵纤维素酶活性的影响 Table 7 Effects of red yeast rice distillers' grains on cellulose activities of rumen fermentation in vitro 
3 讨 论 3.1 红曲米酒糟对山羊瘤胃体外发酵产气量的影响

体外产气量是衡量瘤胃中可发酵物质的多少、微生物活性的强弱以及评价发酵底物可利用程度的重要指标之一[27-28]。由于目前尚未见有关红曲米酒糟体外产气量的研究报道,本试验将结合其他饲料资源的瘤胃体外产气量来讨论。本试验结果表明,在发酵前期,各试验组的累积产气量显著高于对照组,随着发酵时间延长,各组发酵虽有所停滞,但各试验组发酵后期的产气量在数值上仍高于对照组,说明红曲米酒糟能被微生物发酵利用,有助于瘤胃发酵,具备了作为山羊饲料原料的基本营养学条件。这是因为,进行体外培养时,产气量与饲粮在瘤胃液中的发酵强度成正比,即产气量越高,饲粮的发酵强度越大[29]。这得到包玲玲等[30]、白齐昌等[31]、刁小高等[32]的支持,他们分别研究得出沙葱黄酮、沙棘黄酮、沙棘果渣均能提高体外产气量。此外,从本试验72 h的体外产气量动态结果可看出,各组均呈现从缓慢增加、快速增加到趋于平缓的过程。吴万成等[33]、李文娟等[34]有类似报道。此外,Cozzi等[35]、李平等[36]指出,饲粮中添加玉米干酒糟可以有效改善奶牛瘤胃发酵状况。杨璐玲等[37]研究报道,在崂山羊饲粮中添加15%的啤酒糟时最有利于瘤胃发酵。袁鑫等[12]研究得出,利用20%的白酒糟替代精料时黔北麻羊瘤胃发酵状态最佳。上述结果与本试验结果类似。因此,总体上看红曲米酒糟有利于瘤胃发酵。

3.2 红曲米酒糟对山羊瘤胃体外发酵参数的影响 3.2.1 干物质消失率、pH及氨态氮浓度

本试验中,瘤胃体外发酵72 h后的干物质消失率各组之间差异不显著。马雪云等[38]指出,公鸡对粉碎、膨化和未加工的啤酒糟的干物质表观消化率分别为54.86%、54.97%、53.30%。本试验中各组间的干物质消失率差异不大,处于52%~56%,与上述报道结果类似。这可能与山羊主要靠微生物消化饲料有关,因为瘤胃内的微生物数量众多、区系完善。瘤胃液pH是反映瘤胃发酵状态的基本指标。在正常变化范围内,较低的瘤胃液pH会有利于挥发性脂肪酸的产生[39]。本试验中各组发酵液pH均处于正常范围内的较低水平,数值差异很小,说明红曲米酒糟未对瘤胃稳恒功能产生负面影响,但各组的乙酸、丙酸、丁酸比例以及乙酸/丙酸差异不显著,其原因有待进一步研究。氨态氮浓度可反映瘤胃微生物分解含氮物质产生氨气(NH3)的速率以及对其摄取利用情况。瘤胃微生物可以利用饲粮蛋白质在瘤胃中降解产生的NH3合成菌体蛋白,以保证瘤胃NH3浓度不会太高,但当瘤胃中的碳水化合物和能量不匹配时,瘤胃微生物就不能利用NH3合成菌体蛋白,将导致瘤胃氨态氮浓度增加,甚至引起瘤胃氨中毒。Murphy等[40]指出,反刍动物瘤胃氨态氮浓度正常范围是6.3~27.5 mg/dL;若氨态氮浓度高于30.0 mg/dL,说明氮源产生量大于利用量,可能会造成瘤胃氨中毒[41-42];若氨态氮浓度低于5.0 mg/dL,说明菌体蛋白的合成效率降低,可抑制瘤胃微生物的活性,进而降低微生物对纤维素的降解。本试验结果显示,各组发酵液氨态氮浓度在18.15~23.84 mg/dL,处于正常范围内,说明红曲米酒糟不会影响山羊瘤胃氮利用率。该结果与杨璐玲等[37]的研究结果一致。杨璐玲等[37]在崂山奶山羊中添加啤酒糟,结果也表明各组间氨态氮浓度差异不显著。

3.2.2 挥发性脂肪酸浓度

作为反刍动物最重要的能源物质,挥发性脂肪酸可提供70%的代谢能量,同时挥发性脂肪酸也是合成动物体脂、乳脂和乳蛋白的主要原料,其产量及组分与饲粮组成结构、环境温度等因素有关。陈光吉等[43]在牦牛基础饲粮中添加9.25%的发酵酒糟后发现瘤胃液中总挥发性脂肪酸、乙酸和丙酸浓度增加。贺鸣等[44]研究发现,玉米或高粱酒糟处理均能使瘤胃液乙酸/丙酸达到满足纤维细胞壁发酵的瘤胃环境最佳状态。本试验中各组乙酸、丙酸、总挥发性脂肪酸浓度以及乙酸/丙酸均无显著差异,与上述研究结果不一致。Benchaar等[45]提出,乙酸/丙酸反映了瘤胃的发酵模式。Christen等[46]研究表明,奶牛饲粮中添加20%的干酒糟及其可溶物(DDGS)未改变瘤胃中乙酸/丙酸,与本试验结果一致,表明红曲米酒糟未改变瘤胃发酵类型。荆元强[47]认为,乙酸/丙酸的适宜范围为2.0~3.6,本试验中乙酸/丙酸变化范围为2.18~2.48,各组的数值均在正常范围内。从理论上分析,红曲米酒糟有机物含量高达98.92%,非结构性碳水化合物含量高,可促进瘤胃发酵,使挥发性脂肪酸产量增加,但本试验中各组却没有显著差异,且3个试验组的总挥发性脂肪酸浓度还呈下降趋势。其原因有待进一步研究。

3.2.3 纤维素酶活性

Fondevila等[48]、黄庆生等[49]均指出,反刍动物瘤胃液中的纤维素酶主要是由木聚糖酶、纤维二糖酶、羧甲基纤维素酶和微结晶纤维素酶构成的复合体,需要酶的协同作用才能降解纤维,纤维素酶活性是反映瘤胃微生物对纤维物质分解利用程度的重要指标。林奕[50]指出,玉米和豆粕按照40 : 60的比例混合为精料并添加40%的白酒糟时,采用体外产气法得出肉牛瘤胃液中的微结晶纤维素酶活性显著提高。袁鑫等[12]报道,白酒糟替代40%的基础饲粮能显著提高黔北麻羊瘤胃木聚糖酶活性。本试验中,试验Ⅲ组发酵液木聚糖与微结晶纤维素酶活性均优于其他各组,这与上述报道基本一致。另外,陈光吉等[51]研究指出,微生物发酵饲料能提高肉牛瘤胃液中白色瘤胃球菌和黄色瘤胃球菌的数量;此外,研究发现发酵酒糟可改善瘤胃液微生物菌群的结构,让纤维分解菌成为主要的菌群,从而使内源酶活性提高[43]。进一步地,杨璐玲等[37]研究表明,以啤酒糟替代15%的萨能奶山羊的基础饲粮,上述4种纤维素酶活性均显著增强。上述研究结果提示,红曲米酒糟不会影响纤维物质在瘤胃内的消化,可提高纤维分解能力,具备作为反刍动物饲料原料的基本条件,其生产利用价值与适宜添加量值得进一步深入研究。

4 结 论

在体外发酵条件下,红曲米酒糟不影响山羊瘤胃发酵状态,可提高产气量和纤维素酶活性,促进瘤胃发酵,具备作为山羊饲料原料的营养学条件,值得开展饲养试验确定其在山羊饲粮中的适宜添加量。

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