小麥與玉米的營養成分、瘤胃體外發酵參數及二級分子結構差異研究

趙欣雅， 劉桐博#， 田雨佳 ， 張學煒， 袁文煥， 潘振亮

（1.天津農學院動物科學與動物醫學學院，天津市農業動物繁育與健康養殖重點實驗室，天津 300392；2.天津市武清區農業發展服務中心，天津 301700；3.北京凰畜牧科技有限公司，北京 100020）

近年來， 國內傳統畜牧行業總體發展勢頭較好，對玉米的實際需求量有所增加，但由于季節性極端天氣條件、 疫情等問題導致玉米成本明顯增加（張靜波等，2021），從而極大地增加了飼料成本（ 張志棟，2020）。養殖業如果繼續使用玉米-豆粕型日糧，將會極大的增加養殖成本。 因此，養殖技術人員致力于不斷尋找代替玉米的能量原料。 實踐表明， 使用小麥替代玉米可以顯著節約飼料成本，為全國畜牧行業創造可觀的經濟效益。但在飼料配方中小麥替代玉米的比例及如何最大程度地發揮其營養優勢成為當下研究的熱點問題。 馮艷武等（ 2019）研究表明，小麥的粗蛋白質（CP）、粗纖維（CF）、中性洗滌纖維（NDF）和酸性洗滌纖維（ADF）水平都遠高于玉米。 劉梅等（2021）研究發現，小麥次粉作為玉米的替代物，在其他動物飼料中已被廣泛使用并且有顯著效果。 龐培等（2021）研究發現， 通過廣泛使用飼料酶制劑和動物氨基酸平衡技術， 小麥飼料可以部分或完全替代玉米飼料而無負面影響； 但是小麥淀粉結構與玉米淀粉結構不同，其3/4 為支鏈淀粉，黏性高，會降低適口性。盧萍和王衛國（2003）研究發現，在牛飼料的應用上由于瘤胃的作用， 小麥的抗營養因子對其他營養物質的生理消化或吸收都沒有產生顯著地影響， 但研究小麥對反芻動物的特殊營養價值仍需要仔細考慮它們在動物瘤胃系統中的生理發酵特性。 玉米和小麥的各種營養成分含量高低并不能完全準確解釋對動物的營養價值水平。 玉米和小麥的二級結構特征可能能夠解釋這些變化。Theodoridou 等（2013）研究指出，不同飼料的二級分子結構差異， 會影響飼料營養物質的可利用性及消化代謝指標。 傅里葉變換紅外光譜技術可通過二級分子結構特征圖譜揭示蛋白質或碳水化合物分子結構的差異（Zhang 等，2012）。

本文旨在以玉米和小麥的營養價值為研究對象，通過對兩種飼料原料的營養成分指標、體外發酵參數和二級分子結構特征參數進行比較， 進一步探索小麥在反芻動物日糧中替代玉米的可行性， 為我國小麥的基礎研究應用和更合理地開發推廣奠定基礎。

1 試驗材料和方法

1.1 樣品的制備與分組 2021 年5 月在河北省、河南省、 山東省采集有代表性的玉米和小麥樣品各1 份， 共6 份。 采用四分法對每個樣品縮分至0.5 kg 左右，用烘箱干燥（65 ℃，48 h）后，用粉碎機粉碎過40 目篩。 將采集的6 份樣品進行分組，分為玉米組和小麥組，每組做三個重復（每個地區是一個重復）， 每個樣品取3 個平行樣進行測定。瘤胃液采自6 頭體況相近且良好的泌乳后期中國荷斯坦奶牛，試驗牛由昊瑞豐牧業有限公司提供。

1.2 常規營養成分測定 測定兩組的干物質（DM）、 粗灰分 （Ash）、CP、 粗脂肪（EE）、NDF、ADF、鈣（Ca）和磷（P）含量（周春元等，2022）。非蛋白氮（NPN）采用三氯乙酸法測定；可溶性蛋白質（SCP） 主要使用硼酸鹽-磷酸鹽緩沖溶液進行測定（周榮，2011）； 結果以DM 基礎計算。

1.3 碳水化合物成分分析 碳水化合物成分測定的指標包括阿拉伯木聚糖、總糖、淀粉和可溶性糖。 使用蒽酮比色法測定總糖，采用Megazyme 淀粉總量檢測試劑盒（α-淀粉酶方法）測定淀粉，采用間苯三酚法測定阿拉伯木聚糖（章慧等，2019；高楊等，2012），采用蒽酮比色法測定可溶性糖（李曉旭，2013）。

1.4 瘤胃體外發酵參數的測定 將瘤胃液與玉米組和小麥組分別培養32 h，記錄產氣量。 采用PH400 臺式pH 計測定瘤胃液的pH。 采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定氨態氮（NH3-N）濃度，采用氣象色譜儀測定揮發性脂肪酸 （VFA） 的含量（Liu 等，2014）。

1.5 玉米及小麥二級分子結構分析 使用已處理好的樣品， 啟動ATR-FT/IR-7600 掃描波段為800 ～4000 nm，掃描次數為64 次，每個樣品平行掃描8 次，共采集48 個圖譜，同時采集環境圖譜。將所采集圖譜由GIF 格式轉化為CSV 格式，然后利用OMNIC 7.5 軟件分析兩組所采集的圖譜（江國慶等，2016）。

碳水化合物分子結構參數主要包括結構性碳水化合物吸收峰的峰高 （STCHOH） 及峰面積（STCHOA）、 總碳水化合物第一亞峰峰高（TCHO1H）及峰面積（TCHO1A）、總碳水化合物第二亞峰峰高（TCHO2H）及峰面積（TCHO2A）、總碳水化合物第三亞峰峰高 （TCHO3H） 及峰面積（TCHO3A） 和總碳水化合物吸收峰的總峰高（TCHOH）及總峰面積（TCHOA）。

蛋白質分子結構特征參數包括酰胺I 區面積、酰胺I 區高度、酰胺II 區面積、酰胺II 區高度、酰胺I 區與酰胺II 區面積和、酰胺I 區與酰胺II 區面積比、 酰胺I 區與酰胺II 區高度比、α-螺旋區中心高度、β-折疊區中心高度、α-螺旋區與β-折疊區中心高度比。

1.6 數據處理 采用SPSS 21.0 軟件對玉米組和小麥組測定的營養成分指標和體外發酵參數進行單因素分析， 再分別對碳水化合物組分和蛋白質組分與二級結構做相關性分析，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 常規營養組分測定結果 從表1 可見，玉米組的DM、CP、NDF、SCP 和NPN 含量極顯著低于小麥組（P＜0.01）；玉米組的EE 含量極顯著高于小麥組（P＜0.01）； 玉米組和小麥組的Ash、Ca、ADF 和P 含量相比差異不顯著（P＞0.05）。

表1 玉米組與小麥組常規營養組分差異%

2.2 碳水化合物組分測定結果 從表2 可見，玉米組的總糖、 阿拉伯木聚糖含量都極顯著低于小麥組（P＜0.01）。玉米組與小麥組的淀粉和可溶性糖含量相比差異不顯著（P＞0.05）。

表2 玉米與小麥碳水化合物成分的差異

2.3 瘤胃體外發酵參數測定結果 從表3 可見，玉米組的pH 顯著低于小麥組（P＜0.05）；玉米組的NH3-N 含量和乙酸與丙酸的比值都極顯著低于小麥組（P＜0.01）；玉米組和小麥組的產氣量、乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸、戊酸和總揮發性脂肪酸含量相比差異不顯著（P＞0.05）。

表3 玉米與小麥在瘤胃體外發酵參數的差異

2.4 碳水化合物二級分子結構特征參數測定結果 從表4 可見：玉米組的TCHO1A 極顯著高于小麥組（P＜0.01），TCHO2A 均顯著高于小麥組（P＜0.05）。 玉米組與小麥組的STCHOH、STCHOA、TCHO1H、TCHO2H、TCHO3H、TCHO3A、TCHOH、TCHOA 無顯著差異（P＞0.05）。

表4 玉米與小麥碳水化合物分子結構特征參數的差異

2.5 蛋白質組分二級分子結構特征參數測定結果 從表5 可見，玉米組中蛋白質分子酰胺I 區基線范圍為1764.547/1579.414，小麥組酰胺I 區基線范圍為1774.189/1579.414，玉米組的酰胺I 區峰面積和峰高均極顯著低于小麥組（P＜0.01）。 玉米組中酰胺II 區基線范圍為1579.414/1486.848， 小麥組中酰胺II 區基線范圍為1579.414/1484.919，玉米組的酰胺II 區峰面積和峰高均極顯著低于小麥組（P＜0.01） 。 酰胺I 區與酰胺II 區面積比和高度比均存在顯著差異，玉米組顯著高于小麥組（P＜0.05） 。 玉米組酰胺I 區與酰胺II 區面積和均極顯著低于小麥組（P＜0.01） 。 玉米組的α-螺旋區峰高極顯著低于小麥組（P＜0.01），β-折疊區峰高顯著低于小麥組（P＜0.05）。 玉米組與小麥組的α-螺旋區與β-折疊高度比無顯著性差異（P＞0.05）。

表5 玉米組與小麥組蛋白質分子結構特征參數的差異

2.6 碳水化合物組分與二級分子結構特征參數的相關性 將表1 和表2 中顯著的指標與表4中顯著的指標進行相關性分析， 結果由表6 可知，玉米組和小麥組樣品中AX、總糖、NDF 的含量與TCHO1A 和TCHO2A 之間無顯著相關關系（P＞0.05）。

表6 玉米小麥AX、總糖、NDF 與二級分子結構特征參數的相關性%

2.7 蛋白質組分與二級分子結構特征參數的相關性 將表1 中蛋白相關顯著的指標和表5 中顯著的指標進行相關性分析，結果由表7 可知，SCP的含量與酰胺I 區高度和β-折疊區中心高度相關性不顯著（P＞0.05），與酰胺I 區面積（r=0.824，P=0.044）、酰胺II 區面積（r=0.826，P =0.043）、酰胺I 區與酰胺II 區面積和（r=0.827，P =0.042）、酰胺II 區高度（r=0.817，P =0.047）和α-螺旋區中心高度（r=0.815，P =0.048）呈顯著正相關（P＜0.05），其中與酰胺I 區與酰胺II 區面積和的相關系數最高達到0.827。CP 含量與酰胺I 區高度和β-折疊區中心高度相關性不顯著（P＞0.05）， 與酰胺I區面積（r=0.918，P＜0.010）、酰胺II 區面積（r=0.952，P＜0.010）、 酰胺I 區與酰胺II 區面積和（r=0.930，P＜0.010）、酰胺II 區高度（r=0.957，P＜0.010）和α-螺旋區中心高度（r=0.923，P＜0.010）呈極顯著正相關（P＜0.01），其中與酰胺II 區高度的相關系數最高達到0.957。

表7 玉米小麥NPN、SCP、CP 與二級分子結構特征參數的相關性%

3 討論

3.1 常規營養組分測定結果 在動物飼料營養成分分析中， 常規營養組分測定可用于快速有效判斷飼料品質優劣（張鵬，2013）。日糧中DM 含量過多會造成日糧適口性下降，從而影響牛的食欲，使牛體重下降； 在本試驗中小麥組的DM 含量極顯著高于玉米組，所以在小麥替代玉米的應用中，可通過膨化等方法改變適口性。 CP 和EE 的含量都會影響牛的發情、受胎和妊娠；纖維素含量高低可反映粗飼料質量， 其中NDF 是維持乳脂率、正常反芻等功能的重要營養成分。 SCP 是一種體內重要的滲透功能調節的物質和營養物質， 對細胞的生命物質及細胞生物膜能起到一定保護作用。反芻動物瘤胃微生物能夠利用其日糧中的NPN轉化并合成其他可供其機體自身利用的蛋白質（張靜波，2021）。 張輝耀等（2022）研究結果表明，小麥的CP、NDF 含量都高于玉米，EE 含量低于玉米，本試驗結果與其一致，說明在這2 種樣品中，小麥在補充蛋白方面價值更高， 適用于飼喂需高蛋白飼料的動物; 玉米中EE 的含量較高，Ash、Ca、ADF 和P 的含量適中， 說明玉米在供應儲存能量方面能起到一定作用（江國慶，2016）。

3.2 碳水化合物測定結果 在本試驗中，玉米組的總糖、阿拉伯木聚糖含量都顯著低于小麥組。玉米組與小麥組的淀粉和可溶性糖含量相比都差異不顯著。有研究數據表明，小麥碳水化合物中含有的非淀粉多糖物質 （NSP） 的含量遠高于谷物玉米， 其中與營養關系影響最大的物質是阿拉伯木聚糖（郭偉等，2020）。小麥中阿拉伯木聚糖的抗營養作用會影響營養物質的吸收，降低消化能力。有研究表明在動物日糧中適量添加可溶性糖可改善瘤胃內環境，并能夠提高對纖維物質的降解率（尤亮亮，2015；劉才福，2008）。在這一個營養指標上，小麥組與玉米組可溶性糖的差異可以忽略不計。由于小麥淀粉在瘤胃中的降解速度很快， 為防止酸中毒， 可對小麥進行適當加工或者控制添加比例，提高小麥的利用效率，減少瘤胃酸中毒的發生（盧萍等，2003）。兩組的分析結果中碳水化合物相關指標出現差異性的原因， 可能是不同的分子結構營養價值也不同（Liu 等，2011）。

3.3 瘤胃體外發酵參數的分析 研究發現，瘤胃體外發酵是評估飼料營養價值的快速方法（雒瑞瑞等，2018）。 瘤胃pH 是可消化吸收營養成分的主要決定因素（吳萬成等，2020）。瘤胃中長時間處于低pH 會影響動物采食量。體外發酵pH 指標的變化主要與發酵底物干物質有效微生物降解率強弱有關，降解率主要會受到底物來源的影響（馬紹南等，2018；Lei 等，2018）。 瘤胃內環境pH 的高低能夠決定微生物活性，一般瘤胃pH 控制在5.5 ～7.5（邢星，2021）。 本試驗中，在相同發酵時間小麥組的pH 極顯著高于玉米組，且玉米組pH 在6.3 ～6.6，小麥組pH 在6.3 ～7.0，因此，本試驗表明小麥替代玉米不會對瘤胃微生物產生不利影響。Omar 等（2021）研究證明，pH 6.0 ～6.4 是瘤胃發酵的最佳范圍， 玉米組更加能為反芻動物提供適當健康狀態。

NH3-N 濃度是反映瘤胃內環境的重要指標（張一為等，2020）。瘤胃內NH3-N 濃度過低時，分解纖維素和微生物合成蛋白質的效率受到明顯限制；濃度過高時，會造成氮的資源浪費（ 牛驍麟等，2020）。 NH3-N 濃度在6 ～30 mg/100 mL 時，不會影響動物的正常生理活動 （ 張艷玲等，2022）。本試驗中，玉米組的NH3-N 的平均濃度在9.97 ～12.56 mg/100 mL，小麥組的NH3-N 平均濃度在21.52 ～25.52 mg/100 mL， 均屬在正常生理范圍內， 說明使用小麥中蛋白質代替玉米中蛋白質不會影響蛋白質降解。

乙酸與丙酸的比值能夠反映瘤胃的發酵類型（邢星，2021）。瘤胃乙酸發酵有助于反芻動物的乳脂合成（張麗媛等，2021）。在本試驗中小麥組乙酸與丙酸的比值極顯著高于玉米組，因此，在奶牛生產中小麥替代玉米有助于提高牛奶的乳脂率。

3.4 碳水化合物分子結構分析 不同的分子結構在理論上會產生不同的營養價值 （Liu 等，2011） 。 本試驗中玉米組的TCHO1A 和TCHO2A均顯著高于小麥組。 說明2 種樣品內不同碳水化合物官能團吸收值不同， 相應的分子結構和營養價值也存在差異， 需要進一步對分子結構的影響進行深入的探索。

3.5 蛋白質分子結構分析 蛋白質的生理活性在很大程度上與其二級結構有關 （趙茉含等，2019）。 本試驗中玉米組的酰胺I 區峰面積和峰高、酰胺II 區峰面積和峰高、α－螺旋區峰高和β－折疊區峰高均顯著低于小麥組， 玉米組的酰胺I區與酰胺II 區面積和、面積比和高度比均顯著高于小麥組， 說明玉米組和小麥組之間存在蛋白質二級結構的差異。 Yu（2007）研究指出，蛋白質二級結構α 螺旋和β 折疊的比值和飼料對蛋白質的有效降解率有高度相關。本研究中，玉米小麥的α－螺旋和β－折疊的比值沒有顯著差異，說明小麥替代玉米不會對飼料蛋白質的有效降解率造成影響。

3.6 碳水化合物組分與二級分子結構特征參數的相關性 張曉紅等（2021）研究顯示，NDF 與測定中TCHO1A、TCHO2A 均呈正相關， 本試驗結論與該試驗結果不一致， 可能與所取樣品不同有關； 可能還有一些其他外源因素或其他分子結構特征會對碳水化合物組分造成影響， 這也是今后可進行研究的一個方向。

3.7 蛋白質組分與二級分子結構特征參數的相關性 當飼料進入牛瘤胃中， 瘤胃微生物會對其飼料成分進行分解， 若瘤胃降解蛋白含量仍過高會影響消化率（袁翠林等，2015）。 本研究顯示，可溶性蛋白與酰胺I 區面積、酰胺II 區面積、酰胺I區與酰胺II 區面積和、 酰胺II 區高度、α－螺旋區中心高度有強烈的相關性。 這證實了玉米小麥的蛋白質二級結構可直接作為分析反芻動物蛋白消化率的理論依據。

4 結論

綜上所述，從營養學角度分析，用小麥代替玉米是可行的。 小麥作為一種蛋白質、碳水化合物含量高，粗脂肪含量較低的谷物，在反芻動物日糧中能否代替玉米取決于阿拉伯木聚糖等多種非淀粉多糖的含量；此外，小麥在反芻動物日糧中應用時的添加比例也會對小麥替代玉米造成影響，未來應根據我國奶牛的飼養水平、日糧的組成及小麥的種類、 加工方式等來對其進行深入研究， 進一步確定其在反芻動物日糧中應用時的添加比例。