利用體外產氣法對不同處理秸稈-薯渣混合料營養價值的評價研究

張微微， 何曉偉， 柴新義， 張永根， 向玉勇

（1.滁州學院生物與食品工程學院，安徽滁州239000；2.東北農業大學動物科學與技術學院，黑龍江哈爾濱150030）

利用體外產氣法對不同處理秸稈-薯渣混合料營養價值的評價研究

張微微1， 何曉偉1， 柴新義1， 張永根2， 向玉勇1

（1.滁州學院生物與食品工程學院，安徽滁州239000；2.東北農業大學動物科學與技術學院，黑龍江哈爾濱150030）

本試驗旨在通過體外產氣法評定不同處理水稻秸稈-馬鈴薯淀粉渣混合料（PSF：秸稈-薯渣混合料、SSF：秸稈-薯渣固態發酵產物、SFS：秸稈-薯渣青貯）的營養價值。混合料通過體外發酵試驗，測定不同時間點的累積產氣量，以及24 h體外發酵參數和養分降解率，并分析其發酵動力學參數與養分之間的相關性。結果表明：SFS除72 h，其余時間點的累積產氣量均顯著高于PSF和SSF（P＜0.05），SFS和SSF理論最大產氣量顯著高于PSF（P＜0.05），分別提高67.2%和71.6%，但PSF產氣速度、產氣延滯期顯著高于SSF和SFS（P＜0.05）。相比PSF，SSF和SFS顯著提高體外干物質降解率（IVDMD）、體外中性洗滌纖維降解率（IVNDFD）和體外粗蛋白質降解率（IVCPD）（P＜0.05），分別提高34.5%和5.1%、41.8%和5.9%、57.8%和50.0%。飼料最大產氣量與酸性洗滌纖維（ADF）含量呈顯著正相關關系（P＜0.05），產氣速度與ADF呈顯著負相關關系（P＜0.05），產氣延滯期與ADF之間呈極顯著負相關關系（P＜0.01），飼料發酵參數與粗蛋白質（CP）、粗灰分（Ash）、中性洗滌纖維（NDF）無相關性（P＞0.05）。結合產氣量與體外降解數據可知，SSF和SFS飼用價值較高，為秸稈-薯渣混合料作為飼料原料合理配制反芻動物日糧提供理論指導。

體外產氣；營養價值；水稻秸稈；馬鈴薯渣

馬鈴薯淀粉渣是加工過程中產生的富含高營養物質的殘渣（Karl和Pedersen，2005），是一種較理想的反芻動物粗飼料原料 （雷恒等，2011；Aibibula等，2004）。馬鈴薯淀粉鮮渣中可分離30多種菌種，且含水量高達90%，從而使得其應用受限（Mayer，1998）。研究發現，將秸稈等高纖維性吸收劑和馬鈴薯淀粉渣混合飼喂家畜，或者利用微生物進行發酵可以減緩薯渣和秸稈廢棄物對環境造成的污染（Wang等，2016；Liu等，2013；Sugimoto等，2010；Okine等，2005），通過發酵還可以良好貯存薯渣，提高其利用率（Fransen和Strubi，2006、1998）。飼料品質優劣會直接影響反芻動物營養水平，飼料原料不同的處理方式，會造成原料在瘤胃內發酵情況不同，從而影響反芻動物生長（王芳等，2016；曹志軍等，2015；Linehna等，1978）。因此，對不同處理的薯渣-秸稈混合飼料進行營養價值評定，使其在日糧配制中得到合理利用，充分發揮其飼用價值是非常必要的。目前評定飼料營養價值的方法主要有體外法、體內法和尼龍袋法（趙江波等，2016）。Menke等（1979）研究的體外法相比較體內法與尼龍袋法具有簡單、快速、重復性好、樣品數量大等優點而被廣泛應用（王芳等，2016；薛艷峰等，2015；陳光吉等，2015）。

本試驗主要利用體外產氣法評定不同處理水稻秸稈-馬鈴薯淀粉渣混合料的瘤胃發酵特性與體外降解情況，并分析其營養成分與產氣參數的相關性，為其在反芻動物日糧中合理配制提供技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料制備 PSF（秸稈-薯渣混合料）：水稻秸稈與馬鈴薯淀粉渣（以干基計）混合配制成含水量70%的飼料原料，該原料不做任何處理。

SSF（秸稈-薯渣固態發酵產物）：將PSF混合料裝入500 mL錐形瓶，蒸汽滅菌5 min，冷卻至室溫，接種5%混合菌液白地霉：黑曲霉變種=10∶1 （V/V），菌種購自中國微生物工業菌種保藏中心，料層厚度6 cm，28℃發酵，發酵時間60 h。

SFS（秸稈-薯渣青貯）：將PSF混合料抽真空，袋封（聚乙烯袋，550×650 mm），暗處通風，冬季室溫23℃左右發酵45 d。

以上三種樣品由本實驗室前期制取，所有飼料原料均已經65℃烘干，粉碎過40目，密封保存。

1.2 體外發酵試驗 體外產氣量測定所采用的體外裝置是根據Menke等（1979）提出的，經由實驗室改裝的人工瘤胃發酵裝置，具體步驟參考劉薇等（2012）進行。本試驗發酵系統為注射器系統。瘤胃液取自3頭裝有永久瘤胃瘺管的非泌乳期中國荷斯坦奶牛。晨飼2 h前采集不同位點瘤胃液，裝入預熱并通入CO2保溫瓶中，封口，迅速帶回實驗室。用四層紗布過濾瘤胃液，按體積比與人工唾液混合（瘤胃液∶人工唾液1∶2），再快速分裝至裝有0.2 g（精確至萬分之一），且已預熱并持續通有CO2的玻璃注射器（容積100mL，最小分度1mL），39℃恒溫水浴搖床培養。其中人工唾液根據Menke等（1979）方法進行配制。每個處理3個空白管，除24 h增加3個培養管，用于測定體外發酵參數，其余時間點設置3個重復，用于測定體外產氣量，用發酵裝置主體為DSHZ-600恒溫水浴搖床，箱體具有56支培養管的圓形PVC材質插孔，水浴溫度和振蕩頻率都是可以調節的，培養管是德國制造的特種玻璃注射器，容積100mL，每次使用前涂少量液體石蠟層在針管移動四周，防止漏氣，并減少其向上移動的阻力。在產氣過程中，記錄2、4、8、10、12、16、24、36、48、72 h產氣量，并在發酵24 h后，迅速取出培養管，冰浴，將管中液體迅速排出測定pH （Sartorius PB-10型酸度計），然后培養液低溫離心（4℃，8000 r/min，15 min），上清液-20℃保存，用于測定揮發性脂肪酸（VFA）與氨氮（NH3-N）含量，具體參照辛杭書等（2015）方法進行測定。同時將離心沉淀物于自來水細流下沖洗，直至水澄清透亮，沒有任何氣味為止。然后65℃烘干，備用測定體外干物質降解率（IVDMD）、體外中性洗滌纖維降解率（IVNDFD）、體外粗蛋白質降解率（IVCPD）。

1.3 養分測定及指標計算公式

1.3.1 常規養分測定 飼料的干物質（DM）、粗蛋白質 （CP）、粗灰分 （Ash）含量測定按照楊勝（1993）中的方法進行。中性洗滌纖維（NDF）和酸性洗滌纖維 （ADF）含量分析根據Van Soest等（1981）方法進行測定。

1.3.2 計算方法 某一時間段凈產氣量/mL=某時間段累積產氣量/mL-對應時間段空白平均產氣量/mL。采用以下模型進行產氣動力學參數計算：Y=B（1-e-c（t-lag））

其中，該方程式主要針對底物0.2000 g；Y為t時間點的該底物DM的累積產氣量；B為該底物DM理論最大產氣量；c為產氣速度，mL/h；t為體外培養時間，h；lag為產氣延滯期，h。

體外DM（NDF、CP）降解率/%=[樣品中DM （NDF、CP）量－降解后殘渣中DM（NDF、CP）量]/樣品中DM（NDF、CP）量×100。

1.4 數據處理 數據用Excel進行整理，用SAS 9.0軟件的ANOVA程序分析和Duncan氏多重比較，并采用SAS中的CORR程序對飼料發酵動力學參數與營養成分之間做相關分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對秸稈-薯渣混合料成分組成的影響由表1可知，SSF處理組DM含量最高，占鮮重（FM）42.88%，顯著高于其他兩個處理組 （P＜0.05）。SFS處理組CP含量最低，為6.60%DM，最高為SSF處理組，含量為7.77%DM。PSF處理組Ash含量最低，為10.84%DM，顯著低于其他兩個處理組（P＜0.05）。

表1 不同處理對秸稈-薯渣成分組成的影響

2.2 不同處理秸稈-薯渣對累積產氣量及產氣參數的影響 由表2可知，三種不同處理的秸稈飼料原料在體外培養中，產氣量隨著發酵時間的延長逐漸增加。在72 h之前，SFS產氣量一直處于最高，各個時間點的累積產氣量顯著高于其他兩個處理組（P＜0.05）。SSF各個時間點的累積產氣量一直比PSF高，且差異顯著（P＜0.05），而SSF 和SFS兩組間差異不顯著 （P＞0.05）。相比較PSF，SSF和 SFS產氣量分別提高了 67.2%和71.6%。PSF的產氣速度和產氣延滯期顯著高于其他兩個處理組 （P＜0.05）。SFS產氣速度為0.0712 mL/h，顯著高于SSF（P＜0.05），而產氣延滯期顯著低于SSF，其值為0.8110 h（P＜0.05）。

表2 不同處理秸稈-薯渣對累積產氣量及產氣參數的影響

2.3 不同處理秸稈-薯渣對pH、揮發性脂肪酸與氨氮含量的影響 由表3可知，不同處理方法對秸稈-薯渣混合料體外培養pH無顯著影響 （P＞0.05）。但是不同處理組體外培養對氨氮濃度影響顯著（P＜0.05），其中PSF氨氮濃度最高，其次是SFS處理組，最低為SSF處理組。不同處理方法對秸稈-薯渣混合物體外發酵的總揮發性脂肪酸、異丁酸、丁酸含量有顯著影響（P＜0.05），其中，SSF的總揮發性脂肪酸、異丁酸、丁酸含量最高，其次是SFS，最低是PSF處理組。與PSF處理組相比，SSF和SFS處理組間乙酸含量顯著提高 （P＜0.05），但SSF和SFS兩處理組乙酸含量差異不顯著 （P＞0.05）。SFS丙酸含量顯著高于 SSF和PSF，而SSF和PSF丙酸含量無顯著差異 （P＜0.05）。SFS與PSF異丁酸含量差異不顯著 （P＞0.05），而顯著低于SSF（P＜0.05）。PSF異戊酸含量顯著高于SSF和SFS（P＜0.05）。SFS戊酸含量顯著高于PSF和SSF（P＜0.05），而PSF和SSF戊酸含量無顯著差異（P＞0.05）。SSF、PSF與SFS乙酸與丙酸比值差異顯著（P＜0.05），且SSF乙酸與丙酸比值顯著高于PSF和SFS（P＜0.05）。

2.4 不同處理秸稈-薯渣對體外發酵降解率的影響 由表4可知，與PSF處理組相比，SSF和SFS處理組均顯著提高了體外干物質降解率、體外粗蛋白質降解率和體外中性洗滌纖維降解率 （P＜0.05），其中SSF處理組體外干物質降解率、體外粗蛋白質降解率和體外中性洗滌纖維降解率分別提高了34.5%、41.8%和57.8%。

2.5 產氣參數與營養成分的相關分析 由表5可知，不同處理秸稈-薯渣混合料體外發酵參數與酸性洗滌纖維存在相關性，與粗蛋白質和中性洗滌纖維無相關性。理論最大產氣量與酸性洗滌纖維含量呈現顯著正相關（P＜0.05），產氣速度與酸性洗滌纖維含量呈現極顯著負相關（P＜0.01），產氣延滯期與酸性洗滌纖維含量呈現顯著負相關（P＜0.05）。最大產氣量與產氣速度與中性洗滌纖維、粗蛋白質和粗灰分不存在相關性，而產氣延滯期與粗灰分含量呈現顯著正相關（P＜0.05）。

表3 不同處理秸稈-薯渣對pH、揮發性脂肪酸含量與氨氮含量的影響

表4 不同處理秸稈-薯渣混合物的體外降解率%

表5 體外產氣參數與營養成分的關系

3 討論

3.1 秸稈與薯渣混合料營養成分 本研究中SSF的DM含量最高，主要原因可能是SSF是采用固態發酵秸稈-薯渣混合物的產物，其含水量必須滿足固態發酵要求（郭維烈和郭慶華，2000）。而SSF的CP含量也最高，主要原因可能是SSF混合接種中有白地霉，該菌株在發酵過程中可生成飼料蛋白。SFS的DM、NDF、CP與ADF含量比PSF低，這是因為飼料在青貯過程中會造成營養物質流失，從而導致營養物質下降，這和王加啟等（2005）研究結果一致。

3.2 不同處理秸稈體外產氣量與體外降解率瘤胃微生物主要利用飼料中含碳部分代謝產生氣體，體外產氣量對于評價飼料價值，尤其對于組分含量相似的飼料營養價值，體外產氣量更具有高度正相關性 （Muck等，2007）。本試驗中SFS和SSF理論最大產氣量比PSF高，因此，SFS和SSF具有較高的營養價值，說明微生物發酵在一定程度上可提高飼料質量。同時也有研究表明，飼料中蛋白組分含量越高，其產氣量越低（布同良，2006；王芳等，2016），王芳等（2016）還指出經過微生物作用，可以改變纖維類成分的相對含量，從而利于瘤胃微生物發酵。

體外發酵產氣量可以有效預測飼料消化率，但不能直接衡量飼料降解率，必須結合營養物質的體外降解指標來綜合評定其營養價值（Menke等，1979）。本研究中SSF和SFS產氣量都高于PSF，其營養物質降解率比PSF要高，說明PSF營養價值最低。本試驗中，SSF的IVDMD最高，主要原因可能是SSF是接種黑曲霉和白地霉發酵薯渣和秸稈混合物的產物。其中黑曲霉可以利用纖維物質產生檸檬酸，而白地霉可以分解含氮物質生產菌體蛋白，因此提高了飼料中可降解部分。而SFS的IVDMD含量也高于PSF，主要原因在于秸稈-薯渣經過青貯，其產物含有大量非結構性碳水化合物，利于瘤胃微生物作用，且研究證明青貯處理可以提高飼料的營養價值 （Muck等，2007）。IVCPD是反芻動物蛋白質體系的基本參數。SFS由于纖維含量高而導致IVCPD較低。

飼料NDF組分會影響其在瘤胃中的降解率。NDF主要有纖維素、半纖維素和木質素組成。一般動物對木質素難以利用，因此，NDF含量與消化率并不存在一定的相關關系（王芳等，2016）。本試驗結果顯示，SSF的IVNDFD最高，主要是SSF中含有的黑曲霉可以高效利用纖維物質，使得其纖維組分發生變化，從而提高了NDF降解。而SFS的IVNDFD比PSF高，主要是青貯處理可以改變原料纖維類成分的相對比值，從而有效提高秸稈類飼料的瘤胃利用率 （王芳等，2016），同時TVFA的提高也為瘤胃微生物生長創造了更好的環境，利于纖維素的降解，這與張元慶等（2006）研究結果一致。

3.3 不同處理秸稈pH、氨氮與揮發性脂肪酸瘤胃液pH值是衡量瘤胃發酵狀況的主要指標，當瘤胃內環境特別是pH改變時，會對纖維物質的消化產生影響。本試驗中處理組間的pH值沒有顯著差異性，其值為6.65～6.71，與DePeters和Bath（1986）報道一致。

瘤胃內氨氮濃度可以綜合反映飼料蛋白質在瘤胃中的降解以及微生物利用氮的情況。氨氮主要為微生物合成菌體蛋白提供氮源。一般情況下，NH3-N最適濃度為20～50mg/L，而PSF處理組NH3-N含量＞5 mg/100 mL（5.21 mg/100 mL），不在最適宜的氨氮濃度范圍之內，容易造成氨中毒，進而降低動物采食量，影響生產性能（Calabro等，2009）。其中SSF處理組NH3-N含量低于SFS處理組，這可能是由于SSF處理組中的支鏈脂肪酸含量高于SFS處理組，促進微生物蛋白質的合成，因此減少了氨氮的產生。

在反芻動物瘤胃中，絕大部分碳水化合物被微生物降解為揮發性脂肪酸（VFA），成為瘤胃微生物增殖的主要碳架來源（王芳等，2016），主要由乙酸、丙酸和丁酸構成。本研究結果顯示，SSF 和SFS提高了TVFA，說明青貯和固態發酵可以提高飼料的TVFA，可能由于飼料在微生物作用下，原料細胞壁結構松動，底物易于被微生物利用，產生更多 TVFA（Calabro等，2009）。SSF和SFS的乙酸/丙酸提高，說明其發酵模式傾向于乙酸模式。乙酸是乳脂合成主要物質，因此，該原料經過微生物作用提高了乙酸比例，促進了反芻動物生產性能。

3.4 產氣參數與營養成分的相關性 飼料在發酵過程中所產生的氣體主要來源于碳水化合物發酵。本試驗結果表明，飼料體外瘤胃發酵參數主要受飼料中ADF組分的影響。該結果顯示產氣量與ADF存在正相關性，這與隋美霞研究結果一致（隋美霞，2009）。瘤胃體外發酵參數與NDF和CP含量不存在相關性，這可能是由于體外產氣僅是模擬瘤胃環境，與真實體內環境有一定的差距，其次可能是飼料中部分NDF的緩慢降解與CP溶解性等引起飼料各成分化學性質不均一（王芳等，2016；王加啟等，2005）。

4 結論

本研究結果表明，青貯或者固態發酵等微生物作用可以提高秸稈-薯渣混合料的體外產氣量，促進原料的瘤胃消化率，還可以提高瘤胃乙酸型發酵，促進反芻動物生產性能。相關分析表明，飼料CP和NDF與體外瘤胃發酵參數無相關性，Ash僅與產氣延滯期呈現負相關性，而ADF含量與體外瘤胃發酵參數最大理論產氣量呈現顯著正相關性，與產氣速度與延滯期呈現不同程度負相關性。

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The objective of this study was to evaluate the nutritional value of straw-pulp at different treatments using in vitro gas production.The treatments were PSF，SSF and SFS.The PSF was the combination of the rice straw and the potato pulp with no additive.The SSF was the solid-state fermentation of the rice straw and the potato pulp.The SFSwas the silage of the rice straw and the potato pulp.The volume of gas production in different time，fermentation parameters and nutrient degradation rate of the three different feeds（PSF，SSF，SFS）at 24 h by in vitro weremeasured.Otherwise，the relationships between fermentation kinetics and nutrient composition were analyzed.The results showed that the volume of gas production of the SFS，was significantly increased except at 72 h compared with PSF and SSF（P＜0.05）.The theoretical gas production of the SFS and SSF were significantly increased compare with the PSF（P＜0.05），the value were 67.2% and 71.6%.But the rate of gas production and the demurrage time of the gas production in PSFwere both higher than the other two groups（P＜0.05）.The IVDMD，IVNDFD and IVCPD of the SSF and SFSwere higher than the PSF（P＜0.05）. Comparing to PSF the IVDMD in the two groups were increased by 34.5%and 5.1%，the IVNDFD were increased by 41.8%and 5.9%；the IVCPD were increased by 57.8%and 50.0%.Correlation analyses indicated that the theoreticalmaximum gas production was significant positively related to ADF（P＜0.05），the rate of gas production was significant negatively related to ADF（P＜0.05），and the demurrage time of the gas production was extremely significantnegatively related to ADF（P＜0.01）.But the gas production kinetic parameterswere no significant related to CP，Ash and NDF（P＞0.05）. Considering to the gas production and the degrade rate，the SSF and SFS have the high nutrition value as forage，which could supply scientific basis for diet formulation in dairy practice.

in vitro gas production；nutrient value；rice straw；potato pulp

S816.15

A

1004-3314（2017）01-0018-05

10.15906/j.cnki.cn11-2975/s.20170104

安徽省高校自然科學研究項目（K2015B18）；滁州學院科研啟動金（2014qd046）；農業部現代農業（奶牛）產業技術體系 （CARS-37）；滁州學院規劃項目（2014GH47）