基于主成分分析的精料、構樹和全株玉米青貯的組合效應評價

張丹丹， 張元慶*， 梁 圓， 程 景， 王棟才， 李 博， 孫銳鋒， 靳 光， 徐 芳

(1. 山西農業大學動物科學學院， 山西 太原 030032； 2. 山西農業大學動物醫學學院， 山西 太原 030031)

節糧型畜牧業，是指充分利用牧草、農副產品、輕工副產品等非糧飼料資源，在減少糧食消耗的同時達到高效畜產品產出的畜牧產業，主要包括奶牛、肉牛、肉羊、絨毛羊、兔和鵝等。農業農村部印發的《全國節糧型畜牧業發展規劃(2011—2020年)》中提到，發展節糧型畜牧業是保障畜產品有效供給、緩解糧食供求矛盾、豐富居民膳食結構的重要途徑[1]。我國非糧飼料資源主要有農作物副產物類(秸稈類、非主食的莖葉)、糟渣類、餅粕類、林業副產品類和其他飼草料資源[2]。加大對非糧飼料資源的開發利用研究，是草食畜牧業發展的重要方向，也是緩解我國肉牛飼料資源不足、提高養殖效益的有效途徑，對于促進飼料業和畜牧業的可持續發展具有重要意義[3]。

構樹(Broussonetiapapyrifera)粗蛋白含量(29.41% DM)較高(苜蓿18.3% DM)[4]，是目前極具開發價值的蛋白飼料資源之一。且也因其營養價值高(中性洗滌纖維42.94% DM，水溶性碳水化合物7.98% DM)[4]，具有抗氧化等生物活性成分，如香豆素、木酚素、1,3-二苯基丙烷、查爾酮、黃酮或黃酮醇等[5]，被廣泛研究。有研究證明構樹青貯可以作為新型飼料資源用于畜牧生產中，低蛋白質飼糧中添加10%構樹全株發酵飼料可提高育肥豬肌肉中游離氨基酸和肌內脂肪含量，改善肉的風味和營養價值[6]。日糧中添加15%構樹青貯可以提高肉牛生長性能以及抗氧化性能，通過降低肉質pH提高多不飽和脂肪酸進而改善肉質[7]。10%～15%的構樹青貯能夠提高奶牛的免疫和抗氧化能力，以及牛奶中的多不飽和脂肪酸[8]。為促進構樹作為反芻動物飼料利用，孔凡林等[9]比較了構樹不同部位的瘤胃降解特性，其中，構樹葉可以作為蛋白質飼料資源利用，去葉枝條和全株構樹可作為優質粗飼料利用。

本試驗設計不同精粗比的日糧，研究以全株玉米青貯為主要粗飼料的日糧中添加不同比例的全株構樹對晉南牛瘤胃發酵性能的影響，通過主成分分析綜合評價組合效應，篩選適宜組合比例。一方面為構樹在肉牛飼料中的利用提供數據基礎，推動非糧飼料資源的開發利用，另一方面促進晉南牛的優質高效生產技術研究，為緩解中國因牛肉產量不足產生的供需矛盾提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

全株野生構樹采自山西省平遙縣，全株玉米青貯和精料取自山西省和順縣大友牛場，65℃烘干后，粉碎制成風干試樣。精料配方及構樹、全株玉米青貯常規營養成分見表1，表2。

表1 構樹、全株玉米青貯和精料常規營養成分(風干基礎)Table 1 Nutrient levels of Broussonetia papyrifera,whole plant corn silage and Concentrate (Air dry base)

表2 精料組成表(風干基礎)Table 2 Composition of concentrate (Air dry base)

1.2 試驗設計

以精粗比40∶60,50∶50,60∶40，設置15個混合飼料，每個處理中精料、構樹和全株玉米青貯比例見表3。每個處理設置3個重復，通過體外模擬瘤胃發酵試驗評價各組合的瘤胃發酵性能。

表3 試驗設計Table 3 Experimental design

1.3 試驗方法

1.3.1瘤胃液采集 晨飼前利用瘤胃瘺管從2頭晉南牛瘤胃中采集瘤胃液1 000 mL，混勻后，用4層紗布過濾，置于39℃水浴中保存，并持續充入CO2以確保瘤胃液處于厭氧環境。

1.3.2體外發酵試驗 按照Menke等[12]介紹的方法配制緩沖液后，持續通入CO2并預熱至39℃。將采集的晉南牛瘤胃液與緩沖液以1∶2的比例混合后制成人工瘤胃培養液。準確稱量0.22 g發酵底物，加入30 mL人工瘤胃培養液后，在水浴恒溫搖床中反應72 h后，終止發酵。將培養管中發酵液離心(4℃，5 400 r·min-1，15 min)，所得上清液于-80℃保存，用于揮發性脂肪酸(volatile fatty acid，VFA)、氨態氮(NH3-N)以及微生物蛋白(microbial protein，MCP)等指標測定。多次清洗殘渣后，烘干，測定體外干物質降解率(in vitro dry matter degradation rate，IVDMD)。

1.4 測定指標及方法

1.4.1產氣量(gas production，GP)的測定 記錄72 h產氣量，按下式計算：

GPt=(Vt樣-V0樣)-(Vt空-V0空)

式中：GPt，樣品在t時刻的產氣量(mL)；Vt樣，t時刻樣品培養管的刻度；V0樣，開始發酵時樣品培養管刻度；Vt空，t時刻空白管的刻度；V0空，開始發酵時空白管的刻度。

1.4.2發酵液pH測定 用便攜式pH計(雷磁S-25，上海儀電科學儀器股份有限公司)測定終止發酵的體外發酵液的pH值。

1.4.3發酵液氨態氮(NH3-N)測定 將發酵液解凍后，利用次氯酸鈉法在630 nm波長處比色(T2602分光光度計，上海)測定氨態氮[13]。

1.4.4發酵液微生物蛋白(MCP)測定 考馬斯亮藍法測定瘤胃液中的微生物蛋白，在波長595 nm處比色(T2602分光光度計，上海)[14]。

1.4.5發酵液揮發性脂肪酸(VFA)測定 用氣相色譜儀(Aglient 7890A，美國)測定乙酸(acetate，AA)、丙酸(propionate，PA)、丁酸(butyrate，BA)、異丁酸(isobutyrate，IBA)、戊酸(valerate，VA)和異戊酸(isovalerate，IVA)，TVFA=AA+PA+BA+IBA+VA+IVA。以2-乙基丁酸(2EB)作為內標物。

1.4.6體外干物質降解率(IVDMD)的測定 IVDMD=100%×[發酵底物干物質含量-(樣品殘渣干物質含量-空白管殘渣干物質含量)]/發酵底物干物質含量

1.5 數據處理與分析

用Excel 2016整理數據，采用SPSS 21.0進行數據分析。對選取的13個與瘤胃發酵性能相關的指標進行單因素方差分析，采用Duncan’s進行多重比較。P<0.05為差異顯著，P≥0.05為差異不顯著。對13個瘤胃發酵指標進行相關性分析和主成分分析。

2 結果與分析

2.1 不同精粗比日糧中構樹比例對體外發酵指標的影響

由表4可知，精粗比40∶60時，GP72和IVDMD均表現出相同趨勢，以40∶0∶60組顯著高于其他各組(P<0.05)，NH3-N則為40∶60∶0和40∶45∶15組較高，兩組間差異不顯著(P>0.05)。精粗比50∶50時，50∶0∶50，50∶12.5∶37.5和50∶25∶25組的GP72較高，且各組間差異不顯著(P>0.05)，50∶50∶0組的IVDMD顯著低于其他各組(P<0.05)，50∶25∶25組的NH3-N含量最高，與50∶50∶0和50∶37.5∶12.5組差異不顯著(P>0.05)。精粗比60∶40時，60∶0∶40組的GP72顯著高于其他各組(P<0.05)。

表4 不同精粗比日糧中構樹比例對體外發酵指標的影響Table 4 Effects of BP levels in diet with different concentrate to forage ratio on in vitro fermentation parameters

2.2 不同精粗比日糧中構樹比例對體外發酵揮發性脂肪酸的影響

由表5可知，當精粗比為40∶60時，乙酸、異丁酸、異戊酸、戊酸和TVFA的濃度隨著構樹比例降低呈降低的趨勢(P<0.05)。精粗比50∶50時，50∶50∶0和50∶25∶25組的異丁酸濃度顯著高于50∶37.5∶12.5和50∶12.5∶37.5組(P<0.05)，與50∶0∶50組差異不顯著(P>0.05)。50∶0∶50組丁酸的濃度顯著高于其他各組(P<0.05)，戊酸濃度則以50∶50∶0和50∶25∶25組顯著高于其他各組(P<0.05)。精粗比60∶40時，60∶10∶30組的乙酸、丙酸和TVFA濃度顯著高于其他各組(P<0.05)。

2.3 不同組合飼料各項指標的相關性分析

對15個組合的13個瘤胃發酵指標進行相關性分析(表6)。有20對指標間呈極顯著相關(P<0.01)，18對指標呈顯著相關(P<0.05)。GP72與丁酸濃度呈顯著的相關(P<0.05)，相關系數為0.462。IVDMD與乙酸、丁酸、異戊酸、戊酸、TVFA、乙丙比呈顯著的正相關(P<0.05)，與異丁酸呈極顯著相關(P<0.01)。在所有指標中，乙酸與TVFA的相關系數最大，為0.993(P<0.01)，其次為丙酸與TVFA的相關系數，為0.901(P<0.01)。

2.4 主成分分析不同精粗比日糧中全株玉米青貯與構樹的組合效應

將特征值≥1作為判別條件，可提取3項主成分因子(表7)。主成分1的特征值為6.119，貢獻率為47.068%；主成分2的特征值為2.968，貢獻率為22.834%；主成分3的特征值為1.274，貢獻率為9.802%。前3個主成分累計貢獻率達79.704%，具有較好的代表性，可用于評價不同飼料組合的瘤胃發酵性能。

表5 不同精粗比日糧中構樹比例對體外發酵揮發性脂肪酸的影響Table 5 Effects of BP levels in diet with different concentrate to forage ratio on VFA content in vitro fermentation

表6 飼料組合的各項指標間的相關系數Table 6 Correlation analysis of various indicators of combination

表7 各指標系數及貢獻率Table 7 Coefficients and proportion rates of various comprehensive indicators

本研究選取了前3個主成分，將得到的特征向量與標準化后的數據相乘，然后就可以得出主成分表達式。依據主成分所對應的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權重得出主成分綜合模型：

F=-0.0894p1+0.2117p2+0.0193p3+0.2218p4+0.1435p5+0.1710p6+0.0928p7+0.2421p8+0.1240p9+0.2477p10+0.2691p11+0.1704p12+0.2107p13。

將標準化后的數據代入，可以得出根據主成分綜合模型計算出的綜合主成分值，并對其按綜合主成分值進行排序。各組合的標準化主成分值、組合效果的綜合值(F值)及排序見表8。在15個組合中，精料∶構樹∶全株玉米青貯比例為60∶10∶30，組合效果最佳。

表8 標準化主成分值及組合效果評價排序Table 8 Standard values of principal component and evaluated ranking of combination

3 討論

3.1 不同精粗比日糧中構樹比例對體外發酵指標的影響

構樹，桑科落葉喬木，具有適應性強，生長快，生物產量高的優勢，目前已經作為一種新型的飼料資源而被廣泛種植。構樹不僅富含粗蛋白及高度易消化的纖維和礦物質，另外其含有的多種生物活性成分能提高反芻動物的抗氧化和抗炎癥的能力，這些優點使得構樹應用于畜禽飼料中有很大的發展潛力。Li等[15]用構樹代替部分苜蓿制作青貯，減少了青貯過程中的氮損失。張生偉等[16-17]在飼料中利用青貯雜交構樹替代部分豆粕可提高杜湖雜交肉羊的增重和免疫力，改善肉品質。構樹的樹葉、莖稈的抗氧化物質含量較高，且灌木和喬木的總抗氧化能力要高于精料、牧草和干草，飼料中補充構樹可以促進肉牛提高抗氧化能力[18-19]，可以考慮在日糧中補充構樹緩解飼料短缺的問題。

本試驗設計了不同精粗比的日糧，研究以全株玉米青貯為主要粗飼料的日糧中添加不同比例的全株構樹對晉南牛瘤胃發酵性能的影響。體外常用來評價瘤胃發酵性能的指標有產氣量、體外干物質降解率、氨態氮、揮發性脂肪酸等。產氣量的差異很大程度上取決于日糧的化學成分、降解速率和程度。日糧經過發酵后產生氣體主要由于日糧中的可發酵成分在微生物的作用下生成揮發性脂肪酸的同時產生甲烷和二氧化碳等，所以日糧中成分的差異會導致氣體產生量的不同。與碳水化合物發酵相比，蛋白質和脂肪發酵產生的氣體產量相對較少。本研究中構樹比例提高了日糧中的蛋白比例，相應的產氣量呈降低的趨勢；日糧的精粗比增加，日糧中快速發酵的非結構性碳水化合物增加，瘤胃微生物活力增強，導致產氣量改變[14,20]。IVDMD通常會被用來衡量日糧營養價值，Unnawong[21]認為日糧蛋白水平與日糧的降解率呈正相關，Silva等[22]則認為日糧中的蛋白水平對營養成分降解率影響不大，主要是蛋白組成的影響。本研究中構樹比例的增加，并未增加日糧的IVDMD。分析原因，日糧中蛋白比例增加，碳水化合物比例減少，碳氮比降低，瘤胃微生物增殖需要的碳源受到限制，導致IVDMD降低。

pH是反映瘤胃發酵水平的綜合性指標之一，pH過高過低都會影響瘤胃的發酵性能。瘤胃液pH的變化與發酵日糧中營養成分以及組成比例有關，不同日糧配方導致的pH變化范圍在5.6～7.5[23]，一般常用瘤胃液pH的變化來評價瘤胃內部環境及瘤胃微生物區系。本試驗中，日糧精粗比和構樹比例對體外發酵液的pH影響不顯著，均保持在5.98～6.12，略低于Wang和曾鈺等[23-24]的研究結果(6.60～6.62和6.16～6.31)，但均處在瘤胃正常發酵所需的pH范圍內(5.5～7.0)[25]。隨著精粗比增加，非結構性碳水化合物含量增加，產生的VFA和乳酸增加，導致pH降低，但是由于體外發酵裝置的密閉系統，瘤胃pH低于6.2時抑制了對酸堿度敏感的纖維分解菌的生長繁殖，所以對于纖維素降解能力下降，各組間pH變化不大[25]。

瘤胃內的NH3-N主要是微生物降解日糧蛋白質和內源含氮物質的產物，一部分用于合成MCP，一部分溶解在發酵液中。隨著構樹比例增加，NH3-N濃度顯著提高，各組的NH3-N濃度變化范圍24.51～34.00 mg·100 mL-1，滿足瘤胃微生物生長的最佳濃度(15～30 mg·100 mL-1)[26]，同時也能提供合成MCP所需的NH3-N(5～30 mg·100 mL-1)[20]，全株玉米青貯比例大的組，其可溶性碳水化合物比例也高，能夠促進微生物生長，瘤胃微生物利用氮合成MCP增加，導致NH3-N濃度降低[27]，本研究中微生物蛋白含量差異不顯著，但基本符合這個規律。

VFA主要來源于瘤胃微生物對日糧碳水化合物的降解，一般可以用來是反映瘤胃微生物的活性，有維持瘤胃內環境穩定以及為動物機體提供能量等作用[28]。VFA濃度受到NDF和ADF降解率的影響，因為瘤胃微生物降解纖維主要產生VFA[27]，在各精粗比日糧中，都表現出構樹比例為100組的乙酸和TVFA濃度較高，但是干物質降解率較低，與Castro M等[29]研究結果TVFA的含量與日糧的DM降解率正相關相反，這個可能與構樹纖維含量有關系。VFA的積累可以抑制引起破壞的微生物的生長，構樹比例增加有提高乙酸比例的趨勢，表明添加構樹趨使瘤胃發酵模式向乙酸型發酵模式變化，這可能是因為本次所采集為野生構樹，其纖維含量相對要高[30]，相對來說，野生構樹更合適作為粗飼料應用于肉牛養殖中。隨著精粗比增加，組合的乙酸、丙酸比例都呈顯著增加，這與通常的研究結果不一致，這可能與精粗比和粗飼料比例對乙酸、丙酸有極顯著的互作效應有關。楊艷等[31]結果表明隨著發酵底物精料比例的增加，乙酸含量降低，而丙酸、丁酸、總VFA含量升高。但也有研究結果為高精料日糧乙酸和丙酸都略高于高粗料飼糧[32-33]。

3.3 主成分分析精料、構樹和全株玉米青貯的組合效應

對于飼料的瘤胃發酵性能，一般我們會用產氣量、體外干物質降解率以及揮發性脂肪酸等來評價。本研究選取了13個指標，對15個不同比例的精料、構樹和全株玉米青貯組合進行了瘤胃發酵性能評價。通過相關性分析，發現有20對指標呈極顯著相關(P<0.01)，有研究表明，各指標間呈高度相關會造成不同指標所反映結果因為重復而導致結果的不準確。利用主成分分析將多個復雜的單項指標轉化為幾個綜合指標，可以確保在原有信息不損失的前提下降低了單一指標的片面性，提高評價的準確性[34]。主成分分析結果為精料∶構樹∶全株玉米青貯比例60∶10∶30，符合實際生產中肉牛育肥中后期日糧能量水平提高。

4 結論

構樹蛋白含量相對較高，在本試驗條件下，日糧中添加構樹可以改善肉牛瘤胃發酵性能。利用主成分分析，精料∶構樹∶全株玉米青貯比例為60∶10∶30，組合效果最佳。生產中可以考慮將構樹作為晉南牛的粗飼料來源，但適宜的添加比例仍需動物試驗進一步驗證。