不同粗饲料组合全混合日粮对泌乳奶牛体外瘤胃挥发性脂肪酸生成动力学特性的影响
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动物营养学报2013,25(12):2920—2927 Chinese Journal ofAnimal Nutrition doi:10.3969/j.issn.1006-267x.2013.12.019 不同粗饲料组合全混合日粮对泌乳奶牛体外瘤胃 挥发性脂肪酸生成动力学特性的影响 白萨茹拉杨红建 李胜利 (中国农业大学动物科学技术学院,动物营养学国家重点实验室,北京100193) 摘 要:本试验旨在研究不同粗饲料组合全混合日粮(TMR)对泌乳奶牛体外瘤胃挥发性脂肪 酸生成动力学特性的影响。选用4头体重、年龄、泌乳期和日均产奶量相近、安装有永久性瘤胃 瘘管的荷斯坦奶牛作为试验动物,分别饲喂4种TMR。TMR精饲料组成相同,精粗比为61:39, 粗饲料组合分别为100%玉米秸(TMR1)、50%玉米秸+50%玉米秸黄贮(TMR2)、50%玉米秸 黄贮+50%羊草(TMR3)、50%羊草-4-50%全株玉米青贮(TMR4)。在预试期15 d后,晨饲前 采集各头奶牛瘤胃液,分别以各头奶牛所饲喂的TMR为底物,进行体外批次培养试验,采样时 间点分别为发酵后2、5、l0、l4、20、27、36、48和72 h。结果表明:TMR4乙酸产量潜在增幅 (46.8 mmoL/L)最低,极显著低于其他TMR(P<0.01);TMR2乙酸产量增速常数(0.14%/h) 和日产量(29.01 mol/d)最高,分别显著(P<0.05)和极显著(P<0.O1)高于其他3种TMR。 TMR2丙酸产量潜在增幅(8.0 retool/L)最低,极显著低于其他TMR(P<0.01),TMR1 (13.5 mmoVL)最高,但与TMR3和TMR4之间差异不显著(P>0.05);不同TMR丙酸产量增 速常数差异不显著(P>0.05);TMR2丙酸日产量最低(1.35 moVd),显著低于TMR3和TMR4 (P<0.05)。不同TMR丁酸产量潜在增幅差异不显著(P>0.05);TMR3丁酸产量增速常数 (0.091%/h)和日产量最高(2.82 mol/d),分别极显著(P<0.01)和显著(P<0.05)高于其他 TMR。综上所述,不同粗饲料组合TMR瘤胃微生物发酵乙酸、丙酸和丁酸生成动力学参数存在 显著差异,但采用体外批次培养法测算的奶牛瘤胃乙酸、丙酸、丁酸日产量较同位素示踪体内法 偏低,故不适于测算奶牛体内挥发性脂肪酸日产量。 关键词:粗饲料组合;泌乳奶牛;挥发性脂肪酸;体外批次培养法 中图分类号:¥823 文献标识码:A 文章编号:1006—267X(2013)12—2920-08 肪酸(VFA)产量 J。早在20世纪60和70年 近十年来,我国奶牛养殖业发展迅速,但与发 达国家相比,苜蓿等优质牧草供给不足成为制约 提高产奶量及奶品质的重要影响因素。为了提高 奶品质及养殖效益,缓解草、畜供给矛盾,如何进 一代,就有研究得出奶牛和绵羊瘤胃微生物消化代 谢主要VFA产物乙酸、丙酸和丁酸产量约占总挥 发性脂肪酸(TVFA)的95%E4 ,不仅可为宿主机 步提高我国农作物秸秆等粗饲料资源饲用效率 体提供能量,而且是乳脂和体脂合成的重要前体 物 J。有研究报道,瘤胃中产生的76%VFA可被 瘤胃上皮吸收 ,有一些研究采用同位素示踪法 备受关注。瘤胃是反刍家畜进行微生物消化主要 场所,饲粮养分结构和组成可以改变瘤胃微生物 区系和数量,进而影响养分消化分解及挥发性脂 收稿日期:2013—07—22 测定了绵羊瘤胃中VFA日产量 ’加J,发现因部 基金项目:国家重点基础科学研究计划(2011CB100801);国家科技支撑计划项目(2012BAD12B02) 作者简介:白萨茹拉(1985一),女,内蒙古通辽人,硕士研究生,反刍动物营养研究方向。E—mail:bs1f.cau.edu.cn@163.COrn 通讯作者:杨红建,副教授,博士生导师,E-mail:yang—hongjian@sina.com 12期 白萨茹拉等:不同粗饲料组合全混合日粮对泌乳奶牛体外瘤胃挥发性脂肪酸 分VFA以不同速率被瘤胃壁吸收进入血液 卜H J, 很难通过体内法准确地测定各VFA产量。由于同 1材料与方法 1.1试验动物和饲粮设计 位素示踪法本身费时费力,且对试验动物和操作 者具有一定侵害性,近半个世纪以来并未被广泛 采用。Corley等 首次尝试利用体外批次培养 法,发现这一方法得到的VFA日产量与饲喂相同 饲粮的绵羊的体内法测定结果十分相近。本试验 基于体外批次培养法,测定不同粗饲料组合全混 合日粮(TMR)饲喂条件下,泌乳奶牛体外瘤胃微 生物发酵产物乙酸、丙酸和丁酸日产量。 选用4头体况良好,年龄为4岁,体重 [(543.4-45)kg]、泌乳期[(60±13)d]和日均产 奶量[(18.47±0.77)kg]相近,安装有大口径永 久性瘤胃瘘管的荷斯坦奶牛作为试验动物,每天 07:o0和l9:00分2次饲喂。 试验全混合日粮组成及营养水平见表1,全天 自由饮水。试验期为18 d,前l5天为预试期,后3 天为瘤胃液采样期。 表1试验全混合日粮组成及营养水平(干物质基础) Table 1 Composiiton and nutrient levels of experimental TMRs(DM basis) % ”精饲料组成Concentrate composiiton:玉米corn 53%、豆粕soybeanmeal14%、棉籽粕coaonseedmeal 7%、菜籽粕rape— seed meal 4%、小麦麸wheat bran 5%、酒糟disitller’S grains 12%、石粉limestone 1%、磷酸氢钙CaHPO4 1%、食盐NaC1 1%、 小苏打NaHCO3 l%、预混料premix 1%。 产奶净能为计算值 ,其余营养水平为实测值。非纤维性碳水化合物(%)=1(中性洗涤纤维+粗蛋白质+粗脂 肪+粗灰分)。NEI.was a calculated value,while the other nutrient levels were measured values.NFC(%)=1 x(NDF+CP+ EE+Ash1. 1.2体外批次培养 在65℃分别烘干各试验TMR样品,粉碎过 2 mm分级筛后作为发酵底物。称取每种TMR 500 mg置于总容积为140 mL具有气、液取样口 的厌氧发酵瓶中。参考Corley等 副的体外批次 在试验奶牛食糜采样期内,晨饲前分别自饲喂 TMR1、TMR2、TMR3、TMR4奶牛瘤胃不同部位采 集瘤胃液,4层纱布过滤后,分别置于39℃预热保 温瓶中带回实验室。用50 mL注射器向上述发酵 瓶中加入饲喂相应TMR奶牛的瘤胃液25 mL,加 培养法,向每个发酵瓶中加入50 mL配制好的pH 6.85缓冲液 ,通人CO 5 s后,加上几丁质胶 塞,拧紧瓶盖,在恒温生化培养箱中预热至39℃。 上胶塞和拧紧瓶盖后,置于39℃恒温生化培养箱 中进行培养。每种TMR设5个重复,分别于发酵 后0、2、5、10、14、20、27、36、48和72 h时,用1 mL 动物营养学报 医用注射器自发酵瓶液体取样口采集l mL发酵 液,立即加入300 L的25%偏磷酸溶液,4℃静 放30 rain后,10 000×g离心,取上清样于一20℃ 冻存,待测VFA产量。 1.3分析测定与计算 发酵液上清液样品解冻后,用微量进样器吸 取0.5 IxL待测样,通过安装有15 m×0.53 mm毛 细管柱和氢火焰离子化检测器的GC522型气相色 谱仪(上海伍丰科学仪器有限公司)以高纯氮气为 载气分析测定VFA产量。色谱条件:气化室温度 250 oC、柱箱温度120 oC。 利用SAS 9.1.3统计软件NLIN过程按照以 下函数模型 副进行非线性拟合计算: Y=a—b×e-cxt (1) 式中:l,为VFA产量(mmol/L),a为发酵液 中VFA理论最大产量(mmol/L),b为随发酵时间 延长VFA产量潜在增幅(mmol/L),C为VFA产 量增速常数(%/h);t为发酶时间(h)。 根据式(1),随发酵时间延长,发酵瓶中底物 不断减少,VFA产量不断增加达到最大值时,对上 面的指数函数进行一阶导数转换后,VFA生成速 率可以表述为以下函数模型: dy/dt=b X C X e-C Xt (2) 式中:dy/dt为VFA生成速率(mmol/h)。 根据式(2),当发酵时间t iD 0时,可以回推得 到晨饲前泌乳奶牛瘤胃液采样时的VFA生成速率 为b X C。假定4头体重为(543±45)kg奶牛瘤胃 平均容量54 L_l ,则可根据式(3)分别计算出饲 喂TMR对应的奶牛乙酸(Yac。)、丙酸(y口 。)和丁酸 日产量(yh )。以乙酸日产量为例,计算公式为: yac。=b X C X T X D X 54/1 000 (3) 式中:ya。 为乙酸El产量(mol/d),b 。。为随发 酵时间延长乙酸产量潜在增幅(mmol/L),C 。。为 TMR发酵乙酸产量增速常数(%/h),T昼夜总时 长24 h,D为瘤胃液的稀释系数(本试验中 D n--3)。 1.4数据处理及统计分析 数据经Excel整理后,采用SAS 9.1.3统计软 件直接读取Excel数据,并用GLM过程进行单因 素方差分析,采用Duncan氏法和Means语句过程 统计不同TMR间差异。 2 结 果 2.1 体外瘤胃发酵乙酸生成动力学参数 由表2可知,不同TMR乙酸72 h产量差异不 显著(P>0.05)。TMR2乙酸理论最大产量显著 高于TMR3和TMR4(P<0.05),TMRl、TMR3和 TMR4之间差异不显著(P>0.05)。TMR4乙酸 产量潜在增幅最低,极显著低于其他3种TMR (P<0.01),TMR1、TMR2和TMR3之间差异不 显著(P>0.05)。TMR2乙酸产量增速常数及日 产量最高,分别显著(P<0.05)和极显著(P< 0.O1)高于其他3种TMR,其他3种TMR间差异 不显著(P>0.05)。 2.2体外瘤胃发酵丙酸生成动力学参数 由表3可知,各TMR丙酸72 h产量、理论最 大产量差异不显著(P>0.05)。丙酸产量潜在增 幅存在极显著差异(P<0.O1),其中TMR2丙酸 产量潜在增幅最低,极显著低于其他TMR(P< 0.O1),TMR1最高,但与TMR3和TMR4之间差 异不显著(P>0.05)。不同TMR间丙酸产量增 速常数差异不显著(P>0.05)。丙酸Et产量 TMR3>TMR4>TMR1>TMR2,TMR3、TMR4与 TMR2之间差异显著(P<0.05)。 2.3体外瘤胃发酵丁酸生成动力学参数 由表3可知,不同TMR丁酸72 h产量及理论 最大产量存在极显著差异(P<0.01),其中TMR2 丁酸72 h产量及丁酸理论最大产量最高,极显著 高于其他TMR(P<0.01)。丁酸产量潜在增幅在 不同TMR间差异不显著(P>0.05)。TMR3丁酸 产量增速常数及日产量最高,分别极显著(P< 0.O1)和显著高于其他3种TMR(P<0.05),其他 TMR间差异不显著(P>0.05)。 3讨论 瘤胃微生物通常可将饲粮中纤维素、淀粉和 可溶性糖等碳水化合物首先转化为丙酮酸,丙酮 酸进入三羧酸循环(TCA)通过不同的代谢途径分 别生成乙酸、丙酸和丁酸。对泌乳奶牛来说,乙酸 是乳腺合成乳脂中重要原料。乙酸在体内也可以 用于合成少量的葡萄糖和酮体,但乙酸在体内主 要通过乙酰辅酶A在还原性辅酶Ⅱ(NADPH)作 用下合成体脂和乳脂,并以此在体内储存能量;乙 酸在体内也可以进入TCA分解成CO。和H ,同 12期 白萨茹拉等:不同粗饲料组合全混合日粮对泌乳奶牛体外瘤胃挥发性脂肪酸 时释放出ATP供能。反刍动物消化吸收碳水化合 物的主要形式为VFA,而不是葡萄糖,但其血液中 却维持着较高水平的血液葡萄糖浓度,其中丙酸 起着非常重要作用,因此丙酸对泌乳奶牛来说是 乳糖合成的重要前体物。丁酸被瘤胃壁吸收过程 中先转化为 一羟基丁酸进入肝脏和乳腺组织,参 与体内物质的代谢,尤其作为肌肉组织的能量来 源。因此乙酸、丙酸和丁酸对泌乳奶牛是不可或 饲粮精粗比的影响较大 ,而各VFA组成则主要 与饲粮NFC/NDF有关。有研究报道,不同品质粗 饲料饲粮可改变瘤胃发酵方式和发酵功能,在精 粗比(20:80)相同条件,随着分级指数(GI)的升 高,瘤胃中乙酸产量具有降低的趋势,而丙酸产量 有上升的趋势,但TVFA产量在不同品质粗饲料 饲粮间差异不显著 。胡红莲 研究表明,随饲 粮NFC/NDF的增加,瘤胃中乙酸产量呈现降低而 丙酸和丁酸产量呈现增加的趋势。 缺的代谢产物。一般认为,瘤胃中TVFA产量受 表2不同粗饲料组合TMR体外瘤胃发酵乙酸生成动力学参数 Table 2 Kinetic parameters of acetate production of TMRs with different roughage combinations after in vitro lumen fermentation 同行数据肩标不同小写字母表示差异显著(P<0.05),不同大写字母表示差异极显著(P<0.01),相同或无字母肩标 表示差异不显著(P>0.05)。下表同。 Values in the same rOW wih ditfferent small letter superscripts mean signiifcant difference(P<0.05),and wih ditfferent capital letter superscripts mean signiifcant difference(P<0.01),while with he tsame or no letter superscripts mean no signiifcant difference(P>0.05).The same as bellow. 表3不同粗饲料组合TMR体外瘤胃发酵丙酸生成动力学参数 Table 3 Kinetic parameters of propionate production of TMRs with different roughage combinations after in vitro lumen fermentation 2924 动物营养学报 25卷 72 h产量 Production in 72 h/(mmol/L) 12.0 15.1 l2.1c 理论最大产量 Theological maximum production/(mmol/L) 13.5 15.3 12.10。 产量潜在增幅 Potentila ampliifcation of produciton/(mmol/L) 7.9 6.9 . 产量增速常数 Accelerate constant of production/(%/h) 0.041 0.040 0.091 0.044 0.007 0.008 日产量 Daily production/(mol/d) 1.29 1.08 2.82 1.23 0.092 0.012 在本试验中,经体外批次培养法估测,乙酸、 丙酸和丁酸产量有不同程度的变化。这可能与不 TMR2乙酸日产量最高。这可能是因为玉米秸黄 贮易于被微生物降解,有利于微生物繁殖。本试 验中NFC/NDF为TMR2<TMR3<TMR4,由于 同粗饲料组合饲粮影响瘤胃微生物纤维素降解酶 活性有关;另一方面,不同粗饲料组合饲粮对主要 瘤胃纤维素降解菌溶纤维丁酸弧菌、产琥珀酸杆 菌和瘤胃白色球菌数量也有不同程度影响,从而 NFC比NDF更容易被微生物发酵,这或许也是 TMR2乙酸日产量相对较高的原因,同时也解释了 为什么TMR3乙酸日产量高于TMR4。不同TMR 影响饲料纤维素降解,改变乙酸、丙酸和丁酸的产 生 。Silva等 认为,只饲喂秸秆类粗饲料会 导致瘤胃微生物缺乏易于消化的养分底物,限制 瘤胃微生物的生长与增殖;当同时饲喂秸秆和易 于消化的纤维性饲料时,纤维素分解菌则会首先 丙酸生成动力学参数中丙酸产量增速常数没有显 著差异,但TMR3和TMR4丙酸日产量比TMR1 和TMR2高,这可能是因为TMR1和TMR2粗饲 料来源均为秸秆类,纤维素等不易消化的饲料细 胞壁含量较高所致;而后2种TMR中含有相对秸 附着于优质粗饲料上,瘤胃微生物快速增殖,进而 提高秸秆的利用率,影响乙酸、丙酸和丁酸的产 生。本体外研究结果与其体内结论相似,TMR1只 由单种玉米秸秆组成,而TMR2、TMR3和TMR4 都由不同的2种粗饲料组成,TMR2、TMR3和 TMR4乙酸日产量均高于TMR1,而未发现TMR1 秆易于消化的羊草,提高了饲粮中可消化纤维素 的比例,因此导致TMR3和TMR4丙酸日产量高 于TMR1和TMR2。据高巍等 及张倩等 。 试 验结果,体外发酵72 h全株玉米青贮和羊草丙酸 产量显著高于玉米秸黄贮和玉米秸秆,这或许也 可以解释TMR3和TMR4丙酸日产量高于TMR1 丙酸和丁酸日产量低于其他TMR的趋势,同时丙 酸和丁酸日产量与乙酸相比极少。有些文献报 和TMR2。不同TMR丁酸产量增速常数和日产量 具有显著差异,其中TMR3丁酸产量增速常数及 日产量最高,与高巍等 和张倩等 踟得出的全株 玉米青贮和玉米秸秆丁酸产量分别高于玉米秸黄 贮和羊草结果相反。这可能是单一粗饲料与组合 道,粗饲料之间组合效应,可通过营养素间的互补 有效平衡单一粗饲料碳、氮不平衡的缺陷,为瘤胃 微生物创造分解纤维素的条件,进而有利于瘤胃 微生物的生长繁殖,提高组合粗饲料的整体可发 酵水平 。 I2 。 在本研究中,奶牛瘤胃体外发酵乙酸生成动 力学参数中乙酸产量潜在增幅、增速常数及日产 量在不同TMR间差异显著或极显著,TMR2乙酸 产量增速常数显著高于其他TMR,从而导致 粗饲料对丁酸产量影响不同所致,关于此问题可 在今后试验中进一步求证。 在已有的大量奶牛试验研究报道中,有关瘤 胃内VFA变化比较,大多以TVFA和各VFA产量 进行报道,并未考虑到奶牛个体瘤胃容积和瘤胃 壁VFA吸收效率差异所造成的影响。在Sutton l2期 白萨茹拉等:不同粗饲料组合全混合Et粮对泌乳奶牛体外瘤胃挥发性脂肪酸 2925 等 的研究中,试图使用同位素铬标记的乙二胺 四乙酸(Cr—EDTA)和聚乙二醇(PEG)标记法估测 泌乳奶牛(体重650 kg,日均产奶量为17.8 kg)瘤 胃容积,但因测定结果变异很大,最终不得不采用 瘤胃食糜掏空法估测瘤胃容积,结果发现,精粗比 为60:40时,固相食糜容量平均值为77.0 kg,液相 食糜容量平均值66.9 kg。Sutton等 剐的试验奶 牛产奶量与本试验中泌乳牛十分相近。综合考虑 到本试验中所使用奶牛体重差异,设定瘤胃容积 为54 L或许比较合理。 尽管Corley等 利用绵羊瘤胃液通过体外 批次培养发酵试验法所测得乙酸、丙酸、丁酸日产 量与文献报道的绵羊体内法测定结果_l 十分相 近,但与Sutton等E18]用碳同位素标记VFA所测定 的奶牛每天乙酸、丙酸和丁酸日产量分别为56.5、 16.8、6.5 mol/d,Davisl2 饲喂高精饲料低纤维素 饲粮奶牛,用碳同位素标记乙酸,测定的乙酸Et产 量为28.1 mol/d,Bauman等 用同种方法测定的 饲喂高精饲料低纤维素饲粮奶牛丙酸日产量 31.0 mol/d相比,本试验中体外批次法所测算获得 的这些VFA日产量偏低,说明体外批次法不能完 全真实而只能相对反映活体牛瘤胃内饲料的发酵 效率,与同位素示踪体内法VFA日产量测定值相 比,体外批次培养法不适于测算奶牛VFA日 产量。 4 结 论 不同粗饲料组合TMR瘤胃微生物发酵乙酸、 丙酸和丁酸生成动力学参数存在显著差异,但采 用体外批次培养法测算的奶牛瘤胃乙酸、丙酸、丁 酸Et产量较同位素示踪体内法偏低,故不适于测 算奶牛体内VFA Et产量。 参考文献: [1] GRUBB J A,DEHORITY B.Effects of an abrupt change in ration from a1l roughage to high concentrate upon lumen microbial numbers in sheep[J].Applied Microbiology,1975,30(3):404—412. 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No signiicant difference ifn the potential amplification of butyrate production was observed among different TMRs(P>0.05);TMR3 had the greatest accelerate constant of butyrate production(0.091%/h,P<0.01) and daily butyrate production(2.82 mol/d,P<0.05),which were signiifcantly higher than those in other TMRs.In conclusion.TMRs with different roughage combinations exhibit remarkable difference in the kinetic parameters of acetate,propionate and butyrate production.The values of daily acetate,propionate and butyrate production estimated by in vitro batch culture method are lower than those estimated by in vivo isotopic tracing method.which suggests that the fn vitro batch culture method can not be used to estimate dairy VFA production in the rumen for daiy COWS.『r inese Journal ofAnimal№trition,2013,25(12):2920-2927] Key words:roughage combination;daiy cow;volatrile fatty acid;in vitro batch culture Correspongding author,associate professor,E-mail:yang—hongjian@sina.com (编辑王智航)