动物营养学报    2021, Vol. 33 Issue (12): 6833-6842    PDF    
引用本文
张相伦, 刘基伟, 赵红波, 王蕾, 刘晓牧, 游伟, 秦立红, 赵玉民, 万发春, 张国梁. 饲粮粗蛋白质水平对草原红牛呼吸代谢、养分表观消化率和血清生化指标的影响[J]. 动物营养学报, 2021, 33(12): 6833-6842.  
ZHANG Xianglun, LIU Jiwei, ZHAO Hongbo, WANG Lei, LIU Xiaomu, YOU Wei, QIN Lihong, ZHAO Yumin, WAN Fachun, ZHANG Guoliang. Effects of Dietary Crude Protein Levels on Respiration Metabolism, Nutrient Apparent Digestibility and Serum Biochemical Indices of Steppe Red Cattle[J]. Chinese Journal of Animal Nutrition, 2021, 33(12): 6833-6842.  
饲粮粗蛋白质水平对草原红牛呼吸代谢、养分表观消化率和血清生化指标的影响
张相伦1 , 刘基伟2 *, 赵红波1 , 王蕾2 , 刘晓牧1 , 游伟1 , 秦立红2 , 赵玉民2 , 万发春1,3 , 张国梁2     
1. 山东省农业科学院畜牧兽医研究所, 山东省畜禽疫病防治与繁育重点实验室, 济南 250100;
2. 吉林省农业科学院畜牧所, 公主岭 136100;
3. 湖南农业大学动物科学技术学院, 长沙 410128
收稿日期: 2021-05-16
基金项目: 山东省农业科学院农业科技创新工程（CXGC2021A14）；国家重点研发计划（2018YFD0501803）；现代农业（肉牛牦牛）产业技术体系建设专项资金（CARS-37）；山东省现代农业产业技术体系牛产业创新团队（SDAIT-09-07）
作者简介: 张相伦(1990-), 男, 山东莒县人, 助理研究员, 博士, 从事反刍动物营养研究。E-mail: xianglunzhang@163.com.
通信作者: 万发春, 研究员, 博士生导师, E-mail: wanfc@sina.com;
张国梁, 研究员, E-mail: zgl7777777@163.com.
* 同等贡献作者
摘要: 本研究旨在探讨饲粮粗蛋白质水平对草原红牛呼吸代谢、养分表观消化率和血清生化指标的影响，以期为草原红牛饲养标准的制订提供参考。选用12头体重相近[（473.08±14.20）kg]、健康的草原红牛公牛，随机分为3组（每组4头），分别饲喂粗蛋白质水平为8.00%（低蛋白质组）、10.00%（中蛋白质组）和12.00%（高蛋白质组）的饲粮。试验期20 d，包括预试期18 d和正试期2 d。正试期间采用"大型动物开放回流式呼吸测热装置"开展呼吸测热试验，采用全收粪尿法进行消化代谢试验，试验结束时公牛颈静脉采集血液分离血清待测。结果表明：1）低蛋白质组草原红牛甲烷产生量、氧气消耗量、二氧化碳产生量和产热量显著高于其他2组（P < 0.05），且上述各指标随饲粮粗蛋白质水平的升高而线性降低（P < 0.05）。2）高蛋白质组草原红牛尿氮排泄量显著高于其他2组（P < 0.05），低蛋白质组消化氮和沉积氮显著低于其他2组（P < 0.05），且上述指标随饲粮粗蛋白质水平的升高而线性升高（P < 0.05）。饲粮粗蛋白质水平对草原红牛氮的表观消化率和表观代谢率均无显著影响（P>0.05）。3）草原红牛尿能排泄量有随饲粮粗蛋白水平的升高而呈升高的趋势（P=0.056）。低蛋白质组草原红牛甲烷能排出量、甲烷能排出量/总能值均显著高于其他2组（P < 0.05），且二者随饲粮粗蛋白质水平的升高而线性降低（P < 0.05）；各组其余能量代谢参数无显著差异（P>0.05）。4）饲粮粗蛋白质水平对各养分表观消化率无显著影响（P>0.05）。5）高蛋白质组草原红牛血清尿素氮含量显著高于其他2组（P < 0.05），且血清尿素氮含量随饲粮粗蛋白质水平的升高而线性升高（P < 0.05）；各组其他血清生化指标无显著差异（P>0.05）。综合各项指标以中蛋白质组效果最佳，推荐450 kg左右草原红牛饲粮粗蛋白质水平以10.00%为宜，消化氮和消化能日供给量分别为110.61 g/d和102.21 MJ/d，沉积氮和代谢能日供给量分别为98.17 g/d和92.67 MJ/d。
关键词: 草原红牛    粗蛋白质    呼吸代谢    养分表观利用率    血清生化指标    
Effects of Dietary Crude Protein Levels on Respiration Metabolism, Nutrient Apparent Digestibility and Serum Biochemical Indices of Steppe Red Cattle
ZHANG Xianglun1 , LIU Jiwei2 *, ZHAO Hongbo1 , WANG Lei2 , LIU Xiaomu1 , YOU Wei1 , QIN Lihong2 , ZHAO Yumin2 , WAN Fachun1,3 , ZHANG Guoliang2     
1. Shandong Key Laboratory of Animal Disease Control and Breeding, Institute of Animal Science and Veterinary Medicine, Shandong Academy of Agricultural Sciences, Ji'nan 250100, China;
2. Institute of Animal Husbandry, Jilin Academy of Agricultural Sciences, Gongzhuling 136100, China;
3. College of Animal Science and Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China
Corresponding author: WAN Chunfa, professor, E-mail: wanfc@sina.com;
ZHANG Guoliang, professor, E-mail: zgl7777777@163.com.
* Contribued equally
Abstract: This study was carried out to investigate the effects of dietary crude protein levels on respiration metabolism, nutrient apparent digestibility and serum biochemical indices of Steppe Red cattle and to provide reference for feeding standard formulation of Steppe Red cattle. A total of twelve healthy Steppe Red cattle with similar body weight of (473.08±14.20) kg were randomly allocated into three groups with four cattle each. Cattle was fed diets with crude protein level of 8.00% (low-protein group), 10.00% (middle-protein group) and 12.00% (high-protein group), respectively. The experiment lasted for 20 days, including a pre-trial period for 18 days and a formal trial period for 2 days. During the formal trial period, an equipment of macrofauna open-reflux type with respiration and calorimetric function was used to carry out the respiratory calorimetry test, and the digestion and metabolism test was carried out by the total fecal and urine collection method. At the end of the trial, blood samples were collected from jugular vein of cattle to isolate serum for measurement. The results showed as follows: 1) the methane production, oxygen consumption, carbon dioxide production and heat production of Steppe Red cattle in low-protein group were significantly higher than those in the other two groups (P < 0.05), and all the indices above were increased linearly with the increase of dietary crude protein level (P < 0.05). 2) The urinary nitrogen excretion of Steppe Red cattle in high-protein group was significantly higher than that in the other two groups (P < 0.05), while the digested nitrogen and deposited nitrogen in low-protein group were significantly lower than those in the other two groups (P < 0.05), and all the indices above were increased linearly with the increase of dietary crude protein level (P < 0.05). Dietary crude protein levels did not significantly affect the apparent digestibility and apparent metabolic rate of nitrogen of Steppe Red cattle (P>0.05). 3) The urinary energy excretion of Steppe Red cattle tended to be increased linearly with the increase of dietary crude protein level (P=0.056). The methane energy emission and the ratio of methane energy emission to gross energy of Steppe Red cattle in low-protein group were significantly lower than those in the other two groups (P < 0.05), and the two indices were decreased linearly with the increase of dietary crude protein level (P < 0.05). The other energy metabolism indices did not significantly differ among groups (P>0.05). 4) The nutrient apparent digestibility was not significantly affected by dietary crude protein levels (P>0.05). 5) The serum urea nitrogen content of Steppe Red cattle in high-protein group was significantly higher than that in the other two groups (P < 0.05), and it was increased linearly with the increase of dietary crude protein level (P < 0.05). The other serum biochemical indices did not significantly differ among groups (P>0.05). Overall, the effect of middle-protein group was the best, and the recommended dietary crude protein level for 450 kg Steppe Red cattle is 10.00%. The daily supply quantity of digested nitrogen and digestible energy was 110.61 g/d and 102.21 MJ/d, and that of deposited nitrogen and metabolic energy was 98.17 g/d and 92.67 MJ/d, respectively.
Key words: Steppe Red cattle    crude protein    respiration metabolism    nutrient apparent digestibility    serum biochemical indices    

草原红牛是我国自主培育的乳肉兼用型优良地方品种，具有适应性强、耐粗饲、抗逆性强以及肉质鲜嫩等优良特性，广泛分布于吉林、河北和内蒙古等地[1]。为促进草原红牛品种的开发利用，部分学者从遗传育种角度，围绕草原红牛的种质资源特性、功能基因挖掘和遗传性状改良等方面开展研究，取得了系列成果[2-3]。而从动物营养角度开展的草原红牛营养需要及养分代谢规律方面的研究还不足，这导致草原红牛的饲养缺乏参考标准，严重制约了品种的推广应用，亟需开展相关研究。蛋白质是动物机体的重要组成成分，饲粮粗蛋白质是动物生长所需蛋白质的主要来源，与动物生产性能、屠宰性能和畜产品品质等密切相关[4]。赵洋洋等[5]研究表明，提高饲粮粗蛋白质水平可以提高奶公牛饲料转化率，增加眼肌面积，改善生产和屠宰性能。Hristov等[6]研究报道，给泌乳奶牛供给过高的饲粮粗蛋白质会显著降低氮利用率，且过多的氮会转变成尿氮排出。Li等[7]研究发现，饲粮粗蛋白质水平对安格斯和湘西黄牛杂交牛的生产性能和养分利用率无显著影响，但可提高其屠宰率。可见，适宜的饲粮粗蛋白质水平对于发挥动物最佳生产性能、提高饲料利用效率以及改善胴体品质等具有重要作用。本课题组前期已完成饲粮能量水平对草原红牛消化代谢的影响研究，得出适宜饲粮能量水平[8]，但关于饲粮粗蛋白质水平对草原红牛的影响研究尚未见报道，需开展系统研究。基于此，为进一步提高草原红牛科学饲养水平，深入挖掘品种生长特性，本研究以体重为450 kg左右的草原红牛为研究对象，继续开展饲粮粗蛋白质水平对草原红牛呼吸代谢、养分表观消化率和血清生化指标等方面的研究，以明确饲粮粗蛋白质的适宜水平，为草原红牛饲养标准的制订提供基础数据。

1 材料与方法 1.1 试验设计

试验采用单因素试验设计，选用12头体重相近[(473.08±14.20) kg]、健康的草原红牛公牛，随机分为3组，每组4头。各组分别饲喂不同粗蛋白质水平的饲粮，饲粮参考NRC(2016)[9]并结合生产实际进行配制，低蛋白质组、中蛋白质组和高蛋白质组饲粮粗蛋白质水平理论值分别为8.00%、10.00%和12.00%，实测值分别为8.15%、10.67%和12.60%，饲粮组成及营养水平见表 1。试验期20 d，包括预试期18 d和正试期2 d。试验在吉林省农业科学院畜牧分院试验牛场进行，于2020年11月开展。

表 1 饲粮组成及营养水平(风干基础) Table 1 Composition and nutrient levels of diets (air-dry basis)  
1.2 试验方法和饲养管理

预试期，试验牛单栏栓系饲养，每天07:00和17:00分别饲喂1次，先精后粗，自由饮水。预试期监测各组采食量，调节各组采食量基本一致。正试期将所有试验牛转入呼吸测热室内栓系饲养，饲养程序与预试期完全相同。正试期利用吉林省农业科学院自主研制的“大型动物开放回流式呼吸测热装置”进行呼吸代谢试验[10]，检测并记录呼吸代谢室气体及气体变化，连续记录2 d。同时，采用全收粪尿法收集每头牛每天的粪便和尿液，连续收集2 d，开仓收集粪尿的时间为每日气体数据采集完成之后。每天采集的粪便全部称重并作好记录，充分混合均匀后分成2份，1份制备风干样本待测，1份固氮后用于氮含量检测。每天的尿液全部收集后，用量筒准确记录，用6层纱布过滤后，量取每头牛每天尿样的10%置于干净塑料瓶中，固氮后密封于-20 ℃待测。试验结束时，每头牛颈静脉采集血样10 mL，4 ℃条件下3 000 r/min离心15 min，分离血清后于-20 ℃保存待测。

1.3 测定指标及方法 1.3.1 气体代谢及产热量

利用呼吸代谢室检测试验牛的氧气消耗量、二氧化碳产生量和甲烷产生量等，并计算呼吸熵和产热量[11]。

1.3.2 氮及能量代谢参数

利用凯氏定氮仪(Kjeltec 8400，FOSS)测定样本氮含量，计算氮代谢相关参数。

利用氧弹式测热仪(C2000，IKA)测定样本能量值，根据甲烷产生量计算甲烷能量值，并计算能量代谢参数。

1.3.3 养分表观消化率

按照《饲料分析及饲料质量检测技术》[12]测定饲粮、粪便样本的干物质(DM)、有机物(OM)、粗脂肪(EE)、中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤纤维(ADF)含量，计算养分表观利用率。

1.3.4 血清生化指标

利用试剂盒(南京建成生物工程研究所)检测血清葡萄糖(GLU)、甘油三酯(TG)、总胆固醇(TC)、总蛋白(TP)和尿素氮(UN)含量。

1.4 数据统计分析

数据经Excel 2010整理后，采用SPSS 20.0软件中的单因素方差分析(one-way ANOVA)进行统计分析，多重比较采用Tukey法进行，采用多项式比较分析一次线性效应，结果以平均值和均值标准误(SEM)表示，P < 0.05为差异显著，0.05≤P < 0.10表示有变化趋势。

2 结果 2.1 饲粮粗蛋白质水平对草原红牛呼吸代谢的影响

由表 2可知，低蛋白质组草原红牛甲烷产生量、氧气消耗量、二氧化碳产生量和产热量均显著高于其他2组(P < 0.05)，且上述指标均随饲粮粗蛋白质水平的升高而线性降低(P < 0.05)；低蛋白质组呼吸熵显著低于其他2组(P < 0.05)，且呼吸熵随饲粮粗蛋白质水平的升高而线性升高(P < 0.05)。

表 2 饲粮粗蛋白质水平对草原红牛呼吸代谢的影响 Table 2 Effects of dietary crude protein levels on respiration metabolism of Steppe Red cattle
2.2 饲粮粗蛋白质水平对草原红牛氮代谢的影响

由表 3可知，各组草原红牛粪氮排泄量无显著差异(P>0.05)；高蛋白质组尿氮排泄量显著高于其他2组(P < 0.05)，低蛋白质组消化氮和沉积氮显著低于其他2组(P < 0.05)，且上述指标随饲粮粗蛋白质水平的升高而线性升高(P < 0.05)；饲粮粗蛋白质水平对草原红牛氮表观消化率和氮表观代谢率均无显著影响(P>0.05)。

表 3 饲粮粗蛋白质水平对草原红牛氮代谢的影响 Table 3 Effects of dietary crude protein levels on nitrogen metabolism of Steppe Red cattle
2.3 饲粮粗蛋白质水平对草原红牛能量代谢的影响

由表 4可知，饲粮粗蛋白质水平对草原红牛粪能排泄量、尿能排泄量、消化能采食量、代谢能采食量、总能消化率和总能代谢率等均无显著影响(P>0.05)，尿能排泄量有随饲粮粗蛋白质水平的升高而升高的趋势(P=0.056)；低蛋白质组甲烷能排出量和甲烷能排出量/总能值均显著高于其他2组(P < 0.05)，且两者随饲粮粗蛋白质水平的升高而线性降低(P < 0.05)。

表 4 饲粮粗蛋白质水平对草原红牛能量代谢的影响 Table 4 Effects of dietary crude protein levels on energy metabolism of Steppe Red cattle
2.4 饲粮粗蛋白质水平对草原红牛养分表观消化率的影响

由表 5可知，饲粮粗蛋白质水平对各组草原红牛的干物质、有机物、粗脂肪、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维的表观消化率均无显著影响(P>0.05)。

表 5 饲粮粗蛋白质水平对草原红牛养分表观消化率的影响 Table 5 Effects of dietary crude protein levels on nutrient apparent digestibility of Steppe Red cattle  
2.5 饲粮粗蛋白质水平对草原红牛血清生化指标的影响

由表 6可知，各组草原红牛血清葡萄糖、甘油三酯、总胆固醇和总蛋白含量均无显著差异(P> 0.05)。高蛋白质组血清尿素氮含量显著高于其他2组(P < 0.05)，且血清尿素氮含量随饲粮粗蛋白质水平的升高而线性升高(P < 0.05)。

表 6 饲粮粗蛋白质水平对草原红牛血清生化指标的影响 Table 6 Effects of dietary crude protein levels on serum biochemical indices of Steppe Red cattle
3 讨论 3.1 饲粮粗蛋白质水平对草原红牛呼吸代谢的影响

反刍动物瘤胃发酵产生甲烷，据报道，饲粮中的总能有2%~15%以甲烷形式损失；氧气消耗量和二氧化碳产生量通常与机体代谢强度有关，从营养学角度降低动物碳排放一直是研究的热点问题[13-14]。蛋白质是动物饲粮营养成分的重要指标，已有报道发现饲粮蛋白质水平与反刍动物气体代谢存在相关性，但研究结论存在差异。Moss等[15]在饲喂牧草青贮的杂交羊饲粮中添加豆粕，发现当饲粮粗蛋白质水平提高时(13.9%~22.5%)，杂交羊的甲烷产生量降低。Kidane等[16]报道，饲粮粗蛋白质水平(13.0%~17.5%)对奶牛的甲烷产生量无显著影响，但高蛋白质水平组奶牛的每千克牛奶折合的甲烷产生量升高。陈跃凤[17]报道，饲粮粗蛋白质水平(13.93%~15.77%)对夏南牛甲烷产生量无显著影响，但提高粗蛋白质水平有降低甲烷产生量的趋势。本研究发现，低蛋白质组草原红牛甲烷产生量最高，提高饲粮粗蛋白质水平可降低甲烷产生量，这与Moss等[15]和陈跃凤[17]研究结果类似。反刍动物甲烷的产生与瘤胃产甲烷微生物活动有关，同时瘤胃挥发性脂肪酸的比例也影响甲烷产生[4]。已有报道表明，饲粮粗蛋白质水平对瘤胃挥发性脂肪酸含量无显著影响[18-19]，因此推测甲烷产生量差异可能与不同蛋白质组草原红牛瘤胃产甲烷微生物活动不同有关，但具体机制尚需验证。此外，研究结果还发现，低蛋白质组草原红牛氧气消耗量、二氧化碳产生量和产热量显著高于其他2组，而本研究中各组草原红牛采食量基本一致，饲粮能量摄入量无显著区别，推测低蛋白质组草原红牛可能由于饲粮蛋白质供给量低、能蛋比不平衡造成机体代谢强度发生变化[20]。

3.2 饲料粗蛋白质水平对草原红牛氮和能量代谢的影响

饲粮适宜粗蛋白质水平是提高动物氮和能量利用效率的重要因素，饲粮蛋白质供给不足时难以满足动物营养需要影响生产性能，而饲粮蛋白质供给过高时过多的氮会从粪尿中排出，会加重机体代谢负担，降低饲料利用率[4]。本研究结果表明，高蛋白质组草原红牛尿氮排泄量显著高于其他2组，是其他组近2倍，但高蛋白质组和中蛋白质组之间消化氮和沉积氮无显著差异，这说明给草原红牛饲粮中提供过量的蛋白质时，大量的氮会通过尿液排出体外，氮的利用率难以提高，这与已有报道结果[21-22]类似。此外，虽然低蛋白质组草原红牛粪氮和尿氮排泄量较中蛋白质组差异不显著，但其消化氮和沉积氮却显著降低，分析原因可能是饲粮蛋白质过低导致瘤胃微生物蛋白合成受阻，影响了饲粮中氮的利用效率[4, 23]。进一步分析草原红牛的能量代谢参数发现，尿能排泄量随饲粮粗蛋白质水平的升高而呈线性升高趋势，这可能与饲粮高蛋白质水平导致尿氮排泄量提高有关，其他能量代谢指标不受饲粮粗蛋白质水平的影响。此外，与气体代谢结果一致的是，草原红牛甲烷能排出量、甲烷能排出量/总能值均以低蛋白质组最高，说明饲粮粗蛋白质水平过低时，饲粮能量以甲烷形式损失的比例提高，这可能与饲粮蛋白质水平过低影响瘤胃产甲烷微生物活动有关，具体机理还需深入研究。

3.3 饲粮粗蛋白质水平对草原红牛养分表观消化率的影响

养分表观消化率是反映饲粮配比是否合理、营养是否均衡的重要指标，饲粮粗蛋白质水平可影响养分表观消化率。Broderick[24]报道，初产荷斯坦奶牛的中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维的表观消化率随饲粮粗蛋白质水平的升高(15.1%~18.4%)而线性升高，但干物质和有机物表观消化率不受影响。Aguerre等[25]研究发现，提高饲粮粗蛋白质水平(15.3%~16.6%)可提高荷斯坦奶牛的干物质和有机物的表观消化率，不影响中性洗涤纤维表观消化率。但Hristov等[6]、Corea等[26]的研究均表明饲粮粗蛋白质水平对养分表观消化率无显著影响。本课题组前期研究发现，草原红牛的养分表观消化率随饲粮能量水平的升高而升高[8]，但本研究发现饲粮粗蛋白质水平对养分表观消化率无显著影响，说明草原红牛可能对饲粮粗蛋白质水平变化的敏感度较低。

3.4 饲粮粗蛋白质水平对草原红牛血清生化指标的影响

血清生化指标的变化与动物机体对饲粮养分的吸收代谢过程密切相关。本研究结果表明，饲粮粗蛋白质水平对草原红牛血清葡萄糖、甘油三酯和总胆固醇含量等指标均无显著影响，说明饲粮粗蛋白质水平对草原红牛的碳水化合物和脂肪代谢过程未产生较大影响。但高蛋白质组血清尿素氮含量显著高于其他2组，这与Park等[27]、程光民等[28]的研究结果类似。血清尿素氮是反映机体氮代谢的重要指标，受进食氮和内源氮的影响，血清尿素氮与进食氮含量在一定范围内呈正相关[29]。本研究中，随着饲粮粗蛋白质水平的提高，草原红牛进食的蛋白质含量逐渐升高，因此血清尿素氮含量随之上升[30]。

4 结论

本试验条件下，适宜提高饲粮粗蛋白质水平可降低草原红牛的甲烷产生量，降低氧气消耗量、二氧化碳产生量和产热量；适宜提高饲粮粗蛋白质水平可提高草原红牛消化氮和沉积氮的量，但不影响能量和各养分的表观消化率。综合各项指标以中蛋白质组效果最佳，推荐450 kg左右草原红牛饲粮粗蛋白质水平以10.00%为宜，消化氮和消化能日供给量分别为110.61 g/d和102.21 MJ/d，沉积氮和代谢能日供给量分别为98.17 g/d和92.67 MJ/d。

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