不同比例青貯玉米和甜高粱組合對體外瘤胃發酵產氣量、甲烷、氫氣和揮發性脂肪酸生成的影響

童殷迪 ， 徐志鵬 ， 玉 霞 ， 侯振平 ， 張雪蕾 ， 劉大林 ， 吳端欽

（1.揚州大學動物科學與技術學院，江蘇揚州 225009；2.中國農業科學院麻類研究所，湖南長沙 410205）

青貯玉米是畜牧生產中廣泛使用的飼料之一，其生物產量大，營養價值豐富，易被瘤胃微生物消化吸收， 是反芻動物飼糧中的重要能量來源（崔大為，2020）。 隨著國家糧改飼政策的實施以及畜禽養殖規模的日益擴大， 其需求量穩步上升，進口需求大。 但是玉米生長期內需水量大，耐旱能力較差（楊大盛等，2019），因此產量波動大， 在中等地力條件下， 畝產量一般在7 t左右（王運濤等，2018）。 有研究表明，將甜高粱作為飼料飼喂奶牛，效果顯著，相比飼喂象草與青貯玉米，飼喂甜高粱奶牛增重可以提高29.5%和 9.5%（王楠等，2018）。 與玉米相比，甜高粱適應性強，畝產量高達10 t 左右，并且莖稈糖錘度可達到20%左右， 因此適口性更優 （梁欣等，2011），同時，甜高粱較青貯玉米在價格上更便宜。 王宏博等（2018）用飼用甜高粱替代不同比例玉米秸稈飼喂奶羔羊發現， 用甜高粱秸稈代替50%玉米秸稈對羔羊育肥具有顯著效果。 新型飼草的開發以及飼草間組合效應的研究是減輕飼糧需求壓力， 提高飼草利用價值的重要途經（張吉鹍等，2003）。 甜高粱和青貯玉米組合對家畜生長發育效果顯著， 且能夠降低生產成本（Babu 等，2015；Qu 等，2014）。 但是，兩種飼草的組合在瘤胃發酵方面的研究較少。 因此，本試驗旨在利用體外瘤胃發酵的方法， 研究不同比例下甜高粱和青貯玉米組合對體外瘤胃發酵甲烷、氫氣和揮發性脂肪酸生成的影響，為合理利用甜高粱和青貯玉米以及降低反芻動物飼養成本提供理論依據和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗動物及飼養管理 本試驗選用3只年齡為三年、體重為（25.0±2.0）kg 的安裝永久性瘤胃管的健康成年公湘東黑山羊。采用單欄飼養，日糧為600 g/頭（干物質基礎），精粗比為1:1，粗飼料采用稻草，精料組成為玉米47%、豆粕24%、麩皮22%、食鹽0.77%、石粉 2.23%、預混料4%，飼料原料的營養水平見表1。 分別于08:30 和18:00等量飼喂，自由飲水。

表1 飼料原料的營養水平（干物質基礎）

1.2 發酵底物 本試驗以青貯玉米和甜高粱為發酵底物，分為5組，青貯玉米和甜高粱的比例分別為 1:9（QY組 ）、3:7（QS組 ）、5:5（QW組）、7:3（QQ組）和 9:1（QJ組），將 5組混合均勻后 65 ℃烘干，再用粉碎機進行處理，直到顆粒直徑能通過篩孔直徑為1 mm 的篩后， 密封保存后作為體外瘤胃發酵底物。 每次使用不同羊的瘤胃液將每個發酵底物以相同步驟進行試驗，重復3 次。

1.3 體外瘤胃發酵試驗 晨飼前將3只試驗羊的瘤胃液通過瘤胃瘺管采集，迅速裝入充滿CO2的保溫瓶帶回實驗室。 參照Menke 等（1979）方法配制人工瘤胃營養液。 取紗布過濾后的瘤胃液，在不斷充滿CO2以保持厭氧環境的試劑瓶中，與前者兩倍量的人工瘤胃營養液混合，制成混合人工瘤胃培養液。 稱取0.6000 g 的發酵底物加入厭氧發酵瓶中，與60 mL 制備好的培養液混勻， 全程保持39.5 ℃恒溫，最后的體外發酵步驟使用全自動體外模擬瘤胃發酵系統， 時長 48 h， 該系統參考 Wang 等（2016）的方法。 最后甲烷、氫氣的產氣量可以通過計算發酵瓶頂部空間大小、壓力與氣體體積的轉化系數得出（Wang 等，2013）。

1.4 樣品采集及測定 對飼糧樣品中干物質（DM）、有機物（OM）、粗蛋白質（CP）含量的測定采用 AOAC（1984）方法；對中性洗滌纖維（NDF）和酸性洗滌纖維 （ADF） 含量的測定采用Van Soest 等（1991）的方法；測定總能使用等溫式全自動熱量儀（5E-AC8018，長沙開元儀器有限公司）。

取2 mL 體外發酵試驗結束后的發酵液離心，參考 Xu 等（2015）使用氣相色譜儀（Agilent 7890A）測定上清液中揮發性脂肪酸（VFA）濃度。用Watherburn（1967）的步驟使用分光光度計，得出上清液中氨態氮含量。 用300 目紗布過濾剩余的發酵內容物，105 ℃烘干至恒重，得出前后的干物質重量差算出干物質降解率（DMO）。

1.5 數據統計分析

1.5.1 產氣擬合曲線 在NLREG 軟件里， 采用計算公式（Wang 等，2016）如下：

式中：GPt為t 時間點底物的累計產量，mL；VF 為潛在最大產氣量，mL；k 為產氣速率，h-1；b為曲線形狀參數。

1.5.2 數據處理 利用Excel 2010 對試驗數據進行初步整理和計算， 采用SPSS 21.0 統計軟件對處理結果進行單因素方差分析（one-way ANOVA），并用 Duncan’s 法進行多重比較，P ＜ 0.05 為差異顯著，P ＜0.01 為差異極顯著。

2 結果與分析

2.1 不同比例青貯玉米和甜高粱組合48 h 體外瘤胃發酵氣體生成參數的差異 由圖1 可知，不同比例青貯玉米和甜高粱體外瘤胃發酵產氣量、產氣速率曲線總體變化趨勢相同但數值略有差異。 由表2 可知，各組間的產氣量差異極顯著（P ＜0.01），其中 QJ組最高，分別比 QQ、QW、QS、QY組高 11.5%、19.8%、25.1%、45.5%。 各組間的產氣速率差異顯著 （P ＜ 0.01），QJ組最高， 較 QQ、QW、QS、QY組分別高出28%、33%、72%、106%。各組間干物質降解率和潛在最大產氣量無顯著差異 （P ＞0.05）。 起始底物降解速率 QJ、QQ 和 QW組間無顯著差異，但極顯著高于QS組和 QY組（P ＜ 0.01）。

表2 不同比例的青貯玉米和甜高粱組合體外瘤胃發酵干物質降解率和氣體生成參數的差異

圖1 不同比例青貯玉米和甜高粱組合體外瘤胃發酵產氣量和產氣速率曲線的差異

2.2 不同比例青貯玉米和甜高粱組合48 h 體外瘤胃發酵氫氣和甲烷生成的差異 由圖2 和圖3可知，QJ組的氫氣產量、 甲烷產量和甲烷產氣速率在整個體外發酵過程中始終高于其他各組，QQ組的氫氣產氣速率在發酵起始時最高， 隨后各組的氫氣產氣速率迅速降低，在體外發酵20 h 后各組間無明顯差異， 但甲烷產氣速率均為先升后降的規律，且在10 h 左右時，速率最高。 由表3 可知，各組間的氫氣產氣量、氫氣潛在最大產氣量、降解每克底物產氣量和氫氣產氣速率差異不顯著（P ＞ 0.05）。 各組甲烷的產氣量差異極顯著 （P ＜0.01）其中 QJ組最高，分別比 QQ、QW、QS 和 QY組高出7.3%、16.1%、21.2%和45.3%。

表3 不同比例青貯玉米和甜高粱組合體外瘤胃發酵48 h 氫氣和甲烷生成的差異

圖2 不同比例青貯玉米和甜高粱組合瘤胃發酵48 h 氫氣產量和產氣速率曲線的差異

圖3 不同比例青貯玉米和甜高粱組合瘤胃發酵甲烷產量和產氣速率曲線的差異

2.3 不同比例青貯玉米和甜高粱組合對體外瘤胃發酵氨態氮和揮發性脂肪酸濃度的影響 由表4 可知， 各組的氨態氮濃度、pH 以及揮發性脂肪酸濃度沒有顯著差異（P ＞ 0.05）。

表4 不同比例青貯玉米和甜高粱組合對體外瘤胃48 h 發酵氨態氮和揮發性脂肪酸濃度的影響

3 討論

產氣量和消化率是判斷飼糧在瘤胃中可發酵程度的重要指標， 直接反映了其營養價值的高低（陳攀亮等，2019）。飼糧中如果含有豐富的非結構性碳水化合物，并且能快速參與發酵，那么這種飼料在被瘤胃微生物降解時，其降解速率更快，氣體產生更多（Hatew 等，2015）。 研究表明，青貯玉米中富含易發酵的非結構性碳水化合物， 其中淀粉的快速降解部分高達 40%（Laresen 等，2009），這會導致飼糧的降解速率升高并且氣體體積增多（鄭立鑫，2020）， 是反芻動物瘤胃迅速脹滿的誘因，會對瘤胃壁血管產生壓迫，從而減弱機體的氣體吸收能力，不僅使飼糧能量損失，嚴重時可導致原生性瘤胃脹氣，影響動物健康甚至威脅生命（王鐵，2017）。在本試驗中，提高的甜高粱比例顯著降低了瘤胃48 h 產氣量和產氣速率，這可能是由于甜高粱中中性和酸性洗滌纖維含量相對較高，因而降低飼糧的發酵速率（王榮等，2019），試驗還發現，各組合的潛在最大產氣量無顯著差異，說明瘤胃對各組合的利用程度較接近。

反芻動物瘤胃的液相和固相食糜滯留時間分別小于14 h 和22 h，因此，體外模擬瘤胃發酵的起始底物降解速率（ ＜12 h）可以反映反芻動物對飼糧的消化降解情況。 較高的起始底物降解速率能促進反芻動物對飼糧的消化吸收（Oshita 等，2008）。 茹彩霞等（2006）試驗指出，起始底物降解速率與飼糧CP 含量呈顯著正相關，與NDF 含量呈顯著負相關。 在本試驗中， 當青貯玉米比例在50%以下時， 起始底物降解速率的變化符合該規律，但是隨著組合中青貯玉米比例進一步提高，飼糧的CP 和NDF 含量差距進一步變大，但起始底物降解速率卻未觀察到顯著變化。 這可能是由于當兩者的組合比例達到一個平衡點時， 反芻動物瘤胃微生物對組合飼糧的消化降解能力達到了極限，CP 和NDF 的含量不再能夠顯著影響到起始底物的降解速率。

甲烷作為瘤胃發酵產物的一種，既是造成溫室效應加重的原因之一（Devisscher 等，2003），也是對飼料利用的一種浪費（Jhnson 等，1995）。 因此， 減少反芻動物甲烷生成能夠幫助實現生態養殖和有效降低飼養成本。 研究表明，易消化的非結構性碳水化合物在瘤胃中發酵過程中，會伴生甲烷菌合成甲烷的主要前體物質——溶解態氫氣（Czerkawaski 等，1972）。 同時，甲烷的合成還與甲烷菌的數量和活性有關， 較高的纖維含量對甲烷菌的繁殖與活性均有抑制作用（Tuyen 等，2013）。 在本試驗中，隨著甜高粱比例提高，易消化的非結構性碳水化合物含量降低，但氫氣產量并沒有發生顯著變化。 這可能是組合中的較高的纖維含量抑制了甲烷菌的活性，導致甲烷菌對溶解態氫氣的利用率降低， 最終冗余的溶解態氫氣狀態發生改變， 變成氣態氫氣，與原有的氣態氫氣混合排除，從而導致氫氣產量變化不顯著， 但也可能是由于甲烷菌的活性受到抑制，同時飼糧中CP 含量降低，氮源減少，因而甲烷產量降低。

揮發性脂肪酸是瘤胃代謝中最為關鍵的一環， 能夠滿足動物機體80%左右的能量需要，其中丙酸是葡萄糖合成的前體物質， 而乙酸則是合成乳脂的主要成分， 二者可占總揮發性脂肪酸90%以上（葛翠翠等，2018）。乙酸主要由植物細胞壁中的纖維素和半纖維素被瘤胃中的纖維分解菌降解而成（Iwamoto 等，2001），在本試驗中，各組合的乙酸濃度較高且沒有顯著差異， 說明青貯玉米和甜高粱的植物纖維都易于被瘤胃消化利用。 同時，各組合丙酸的濃度也較為接近。這可能是因為丙酸屬于耗氫產物， 其生成與氫氣的累積有密切關系（Demeyer，1981），而本試驗中各組合的氫氣產量沒有顯著差異。

4 結論

本試驗條件下，提高組合中青貯玉米的比例，能夠提高瘤胃產氣量、 產氣速率和起始底物降解速率，從而提高發酵強度，而提高組合中甜高粱的比例，能夠降低飼養成本，降低瘤胃甲烷的生成，減少能量損失。 推薦青貯玉米與甜高粱組合的比例為5:5，在此比例下，瘤胃起始底物降解速率較高，飼糧的吸收效果較好，甲烷產量較低，能量損失較少，在環保與經濟效益之間取得一個平衡。