不同飼料原料的體外發酵性能及產甲烷潛力

齊 英，李政賢

（安陽市農業環境監測站，河南安陽 455000）

甲烷的溫室效應是二氧化碳的20～50倍，由于人們對全球變暖的日益關注，研究人員正在研究，以確定通過調控反芻動物飼料來降低甲烷排放，為減輕溫室效應作貢獻。蛋白質、淀粉和植物細胞壁被反芻動物瘤胃的微生物（如細菌、原生動物和真菌）水解生產氨基酸和糖，并進一步代謝產生揮發性脂肪酸、氫、二氧化碳和氨（Lee等，2003）。由于其他細菌，主要是產甲烷菌，利用瘤胃內的氫來產生甲烷，因此，氫在瘤胃內的積累不會成為發酵的主要最終產物。影響腸道內甲烷生產的因素很多，如采食量、消化率、動物種類、生理狀態、精料和粗料比例（喬升民等，2014）。飼料原料中碳水化合物含量占總產氣量的40%，雖然植物中結構性碳水化合物含量會影響甲烷生成，但粗蛋白質也會代謝，產生氨，然后被微生物利用形成甲烷（Kimihiro和 Matsui，2008）。在本研究中，我們利用體外瘤胃發酵技術測定糠麩、植物蛋白和谷物類飼料原料成分的甲烷排放和其他發酵參數。

1 材料與方法

1.1 原料與試驗設計 本試驗使用了14種已知營養成分的飼料原料，共分為3類：糠麩類（玉米皮、本地麩皮、進口麩皮和棕櫚粕）、植物蛋白類（豆粕、棉粕、菜粕、椰子粕、玉米DDGS、玉米蛋白粉）、谷物類（玉米、大麥和小麥），原料營養成分分析結果見表1。

1.2 瘤胃液體外發酵 選擇體重為650 kg的荷斯坦奶牛作為瘤胃液供體。奶牛每天飼喂濃縮料與水稻秸稈（2∶8）。通過瘤胃瘺管，取20 mL厭氧緩沖瘤胃液，置于血清瓶中，用丁基橡膠塞子和鋁蓋密封。每個樣品復制3次，并在39℃的振蕩培養箱中保存。在孵育過程中，分別在0、2、4、8、12、24、48和 72 h監測體外發酵參數。

1.3 樣品測定 使用傳感器測量每個血清瓶在不同階段的總氣體產量，而在打開每個瓶后，使用pH計測量pH。在體外發酵過程中產生的總氣體（1 mL）用來測定釋放的甲烷和二氧化碳。采用氣相色譜法測定揮發性脂肪酸濃度。

1.4 統計分析 所有處理均設3個重復。使用皮爾遜積差相關分析來確定研究中使用的不同參數之間的顯著關系。P＜0.05表示差異顯著。所有分析均使用統計分析系統SAS軟件進行。

2 結果與分析

2.1 原料營養成分 飼料成分的詳細營養成分如表1所示。根據其組成特點，將飼料分為糠麩類、植物蛋白類和谷物類，3類原料中總可消化養分水平最高的分別是棕櫚粕、玉米DDGS和小麥。

表1 不同原料營養成分分析 %

2.2 3類原料體外發酵參數相關性 麩皮類原料體外發酵參數的相關分析如表2所示，原料pH與除乙酸與丙酸比值外的所有參數均呈負相關，而乙酸與丙酸比值與除pH、CO2外的所有參數均呈負相關。

表2 糠麩類原料體外發酵參數的相關性

由表3可知，pH和乙酸與丙酸比值呈正相關，而這兩個參數與其他參數的呈負相關。除了pH和丁酸外，其余參數存在顯著相關性（P＜ 0.05）。

由表4可知，pH和乙酸與丙酸的比值為正相關，而與其他參數表現為負相關。除pH和乙酸與丙酸比值外，糠麩、植物蛋白和谷物原料甲烷產量與其他參數均呈正相關。

2.3 不同原料體外發酵甲烷產量及相關性 由表5可知，當以玉米皮、棉粕和大麥為基質孵育72 h后，甲烷產量最低，而以本地麩皮、豆粕和玉米為基質時，甲烷產量最高。

由表6可知，低甲烷產量組的非纖維碳水化合物最高，但甲烷產量最低，其次是中、高甲烷產量組。

表3 植物蛋白原料體外發酵參數的相關性

表4 谷物原料體外發酵參數的相關性

表5 不同原料體外不同孵育時間對甲烷產量的影響 mL

表6 甲烷產氣量分級后原料混合物化學成分

表7 不同產甲烷量原料體外發酵參數的相關性

如表7可知，pH和乙酸與丙酸比值呈正相關，而這些參數與其他參數呈負相關。除pH與丁酸的相關性外，其余均顯著（P＜0.05）。另一方面，除了pH和乙酸與丙酸比值外，甲烷產量幾乎與其他所有發酵參數都呈正相關（P＜0.05）。非纖維碳水化合物、總可消化養分與瘤胃發酵參數呈正相關關系。

3 討論

本試驗結果發現，當以玉米皮、棉粕和大麥作為基質孵育72 h后，甲烷產量最低，而以本地麩皮、豆粕和玉米為基質時，甲烷產量最高。Qin等（2012）報道，小麥干物質的有效降解能力相對較高，瘤胃微生物對干物質的發酵速度更快。因此，本研究小麥甲烷產量較高可能與其可降解干物質水平較高有關。此外，其他飼料成分的甲烷產量低也可能是由于干物質可降解性低，從而導致瘤胃微生物發酵緩慢。飼料成分的降解也依賴于淀粉顆粒在籽粒中的分布，如Qin等（2012）發現，小麥胚乳淀粉顆粒呈粉狀，顆粒相對較小。因此，更小的淀粉顆粒有更大的表面積可供微生物和酶解淀粉，從而導致快速降解。Bonhomme（2010）報道，由于細菌和原生動物之間的最佳共生關系及這些微生物之間氫的有效交換，可以觀察到甲烷排放的增加。此外，甲烷產生還受日糧碳水化合物種類的影響。

本研究結果也發現，谷物甲烷產量最高，這可能是由于谷物具有高含量、易發酵的淀粉、糖或半纖維素，這些物質作為底物瘤胃微生物生產氣體。本研究谷物組的甲烷產量與Lee等（2003）報道的結果相似，這些谷物都含有大量的無氮提取物，它極易被瘤胃微生物發酵，為微生物生產甲烷提供了大量底物。當反芻動物食用可溶性碳水化合物和富含淀粉的飼料時，丙酸鹽產量增加，甲烷、乙酸以及乙酸與丙酸的比例降低（李嵐捷等，2017）。Lee等（2003）指出，粗纖維是產甲烷的重要組成部分，隨著粗纖維含量的增加，產甲烷量減少，這與本研究粗纖維含量最低的谷物組產甲烷量最高的結果一致。

根據所建立的飼料成分組，我們制備了含有高、中和低產甲烷的3組飼料成分混合物，再進行體外發酵試驗，并對發酵參數進行分析。結果發現，低甲烷產量組的非纖維碳水化合物最高，但甲烷產量最低。pH和乙酸與丙酸比值呈正相關，而這些參數與其他參數呈負相關。另一方面，除了pH和乙酸與丙酸比值外，甲烷產量幾乎與其他所有發酵參數都呈正相關。因此，增加瘤胃發酵意味著降低pH。低甲烷組具有較高的非纖維碳水化合物和總可消化養分，從而降低了pH，抑制了產甲烷菌的活性。

4 結論

不同飼料成分的甲烷生產潛力因營養成分、谷粒類型、加工工藝和消化率的不同而不同。雖然低產甲烷飼料配方可以降低甲烷產量，但提高了非纖維碳水化物、總可消化養分和揮發性脂肪酸產量。因此，有必要對反芻動物研究設計成分恰當、營養合理的配方飼料，使用甲烷產量低的優化日糧飼料，有助于實現環保與經濟的協調發展。