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        外源性復合酶制劑對體外瘤胃發(fā)酵及奶牛產奶性能的影響

        2015-12-21 08:24:46李艷玲柴建民刁其玉
        動物營養(yǎng)學報 2015年9期
        關鍵詞:影響

        李艷玲 張 民 柴建民 刁其玉*

        (1.北京農學院動物科學技術學院,奶牛營養(yǎng)學北京市重點實驗室,北京 102206;2.湖南尤特爾生化有限公司上海分公司,上海201201;3.中國農業(yè)科學院飼料研究所,農業(yè)部飼料生物技術重點實驗室,北京100081)

        在動物生產中,改善飼料利用率和提高動物生產性能一直是生產者追逐的目標,其中,外源性酶制劑的應用可以作為一種有效手段。對于反芻動物而言,粗飼料消化率低下仍是限制反芻動物生產性能充分發(fā)揮的主要因素[1],近年來,隨著飼料價格的上升和外源酶發(fā)酵成本的降低,外源性酶制劑產品在反芻動物飼養(yǎng)中的應用研究受到了越來越廣泛的關注。有研究報道,含有纖維分解活性的外源性酶制劑有利于提高瘤胃的纖維消化[2-3],從而提高飼料轉化率;奶牛飼糧中添加外源纖維分解酶制劑可以提高泌乳前期和泌乳中期奶牛的產奶性能[4-5],而也有報道沒有效果。酶制劑應用效果的差異與動物種類(動物的能量需要量和飼養(yǎng)水平)、飼糧組成、酶制劑組分、添加量以及酶制劑產品的飼喂方式等都有關[6]。單一酶制劑是酶制劑運用于飼料的最初形式,由于成分單一,作用有限,現在一般不單獨作添加劑使用,如淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶、植酸酶等。復合酶制劑已成為飼料酶領域的主體,而應用于反芻動物的外源性酶制劑主要是由能夠降解細胞壁成分的纖維素酶和木聚糖酶組成[1]。本試驗將重點研究一種由纖維素酶和木聚糖酶組成的外源性復合酶制劑產品對奶牛產奶量和乳成分的影響及其適宜添加量,并結合體外瘤胃發(fā)酵試驗,研究其對瘤胃發(fā)酵和養(yǎng)分消化的影響,為生產中合理使用外源性復合酶制劑提高奶牛生產性能提供理論依據。

        1 材料與方法

        1.1 體外試驗

        1.1.1 復合酶制劑

        本試驗應用湖南尤特爾生化有限公司生產的復合酶制劑,有效成分包括纖維素酶3 000U/g、木聚糖酶10 000U/g。

        1.1.2 培養(yǎng)底物組成及試驗設計

        體外試驗的培養(yǎng)底物參考高產奶牛典型全混合日糧(TMR)的營養(yǎng)水平,以玉米秸青貯、苜蓿、羊草、玉米和豆粕作為原料,按一定比列配制底物,底物組成及營養(yǎng)水平見表1。不添加復合酶制劑的作為對照組,另設3個試驗組,分別在底物中添加0.5、1.0和2.0g/kg復合酶制劑[干物質(DM)基礎],每組設6個重復。

        1.1.3 體外發(fā)酵培養(yǎng)

        試驗采用Menke氏的體外產氣法,采集3只安裝永久瘤胃瘺管的瘺管奶牛瘤胃液,與緩沖液以1∶2的比例混合制成人工瘤胃培養(yǎng)液。稱取200mg(DM基礎)底物于100mL培養(yǎng)管(注射器)中,每種底物分別稱入6個培養(yǎng)管中,加入30mL人工瘤胃培養(yǎng)液,放置在39℃的恒溫氣浴培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48h,記錄培養(yǎng)管在不同時間點的刻度值,并于48h終止培養(yǎng),測定發(fā)酵液各項發(fā)酵參數和微生物蛋白(MCP)產量。

        試驗進行了2個批次的重復。

        表1 底物組成及營養(yǎng)水平(干物質基礎)Table 1 Composition and nutrient levels of the substrate(DM basis) %

        1.1.4 測定指標及方法

        1.1.4.1 產氣量

        分別 讀 取 0、1、2、3、4、5、6、8、10、12、16、20、24、28、32、36、40、44和48h的培養(yǎng)管刻度值,計算不同時間點的體外產氣量,并計算48h總產氣量。

        1.1.4.2 體外發(fā)酵參數

        在體外培養(yǎng)48h后,將培養(yǎng)管取出,迅速放入冰水浴中終止發(fā)酵,并將培養(yǎng)管中的發(fā)酵液排出,立即測定發(fā)酵液pH;然后將其中3只培養(yǎng)管的發(fā)酵液離心(800×g,15min),取1mL上清液于1.5mL離心管中(預裝0.2mL 25%偏磷酸溶液冷凍保存)混勻,用于總揮發(fā)性脂肪酸(TVFA)濃度和各揮發(fā)性脂肪酸(VFA)含量測定;另取1mL上清液于1.5mL離心管中(預裝0.2mL 1%硫酸冷凍保存)用于氨態(tài)氮(NH3-N)濃度測定。所有待測樣品均保存于-20℃。

        1.1.4.3 DM 和中性洗滌纖維(NDF)降解率

        將以上離心取上清液后的培養(yǎng)管發(fā)酵液棄去上清液,底物顆粒殘渣烘干稱重并測定其中的DM和NDF含量,從而計算DM和NDF降解率。

        1.1.4.4 MCP產量

        另外3只培養(yǎng)管的發(fā)酵液先低速離心(800×g,15min,4 ℃),去除飼料顆粒,然后將上清液高速離心(20 000×g,30min,4 ℃)分離MCP,測定發(fā)酵液中的MCP產量。

        1.1.5 數據統(tǒng)計分析

        試驗數據采用SAS 9.0的廣義線性模型(GLM)進行統(tǒng)計分析,試驗結果均以效應的最小二乘平均值表示,按單因子試驗設計進行方差分析和多重比較,對不同添加量復合酶制劑對體外發(fā)酵的影響采用線性和二次曲線比較,顯著性水平定為P<0.05,變化趨勢范圍定在0.05≤P≤0.10。

        1.2 動物試驗

        1.2.1 試驗動物與試驗設計

        本試驗在北京三元綠荷奶牛養(yǎng)殖中心某養(yǎng)殖場進行,從全場1 000多頭奶牛中,選擇相近胎次經產荷斯坦奶牛80頭,平均產奶量為(49.77±5.43)kg,泌乳天數在60~120d之間,按照完全隨機區(qū)組設計,將相同胎次的牛隨機分配到4組中,每組20頭牛。其中對照組不添加復合酶制劑,另設3個試驗組,分別飼喂10、20和40g/(頭·d)的復合酶制劑(材料同1.1.1)。

        1.2.2 試驗飼糧

        試驗全期采用TMR,奶牛基礎飼糧組成及營養(yǎng)水平見表2。預試期14d(2周),飼喂基礎飼糧;試驗期56d(8周),按試驗分組分別添加不同添加量的復合酶制劑產品。

        表2 奶牛基礎飼糧組成及營養(yǎng)水平(干物質基礎)Table 2 Composition and nutrient levels of the basal diet for dairy cows(DM basis) %

        續(xù)表2

        1.2.3 試驗動物飼養(yǎng)管理

        試驗奶牛飼喂TMR,每日飼喂3次,分別在早中晚(06:00、14:00和19:30),自由采食,控制每天的飼喂量使剩料量在5%~10%;每日擠奶3次,早晨和中午分別在喂料前擠奶,晚上在21:00擠奶。采用帶有臥床的開放式散欄飼養(yǎng),奶牛采食時利用頸夾固定,以保證更好的采食效果。水槽式自由飲水。

        1.2.4 產奶量和乳成分測定

        本試驗場采用以色列阿菲金系統(tǒng),每天擠奶時可自動在線紀錄產奶量并測定乳成分,包括水分、乳脂、乳蛋白、乳糖含量以及體細胞數(SCC)。預試期每天測定產奶量和乳成分,作為試驗分組的基礎數據。試驗期每天測定并記錄產奶量和乳成分數據。每月采集1次奶樣,送至北京市奶牛中心進行DHI測定,并對阿菲金系統(tǒng)數據進行校正。

        1.2.5 數據統(tǒng)計分析

        試驗期56d,將每7d數據的平均值作為1周的數據,試驗期共8周。以胎次作為區(qū)組進行隨機區(qū)組試驗設計,試驗數據采用SAS 9.0的Mix模型進行統(tǒng)計分析,將處理(飼糧)作為固定效應,奶牛作為隨機效應,以周為重復測量模型進行統(tǒng)計分析;對不同添加量復合酶制劑對產奶量和乳成分的影響采用線性和二次曲線比較,試驗結果均以效應的最小二乘平均值表示,顯著性水平定為P<0.05,變化趨勢范圍定在0.05≤P≤0.10。

        2 結果與分析

        2.1 體外試驗

        2.1.1 復合酶制劑對體外發(fā)酵產氣量和發(fā)酵參數的影響

        由表3可以看出,底物中添加復合酶制劑對體外發(fā)酵培養(yǎng)48h總產氣量沒有顯著影響(P>0.05),但顯著影響發(fā)酵液的pH(P=0.04),其中,0.5(P=0.01)和1.0g/kg組(P=0.03)pH顯著高于對照組,隨底物中復合酶制劑添加量的增加,pH呈二次曲線升高(P=0.02)。

        底物中添加復合酶制劑對體外發(fā)酵培養(yǎng)的TVFA濃度沒有顯著影響(P>0.05),但隨底物中復合酶制劑添加量的增加,TVFA濃度線性下降(P=0.04)。各種 VFA含量除異戊酸(P=0.02)外,均不受復合酶制劑添加的影響(P>0.05)。0.5(P=0.01)和2.0g/kg組(P<0.01)的異戊酸含量顯著低于對照組;隨底物中復合酶制劑添加量的增加,乙酸含量在數值上呈線性增加的趨勢(P=0.10),丁酸含量在數值上呈線性下降的趨勢(P=0.07),戊酸(P=0.03)和異戊酸含量(P=0.01)呈現顯著的線性下降。底物中添加復合酶制劑對體外發(fā)酵培養(yǎng)液的NH3-N濃度沒有顯著影響(P>0.05)。

        2.1.2 復合酶制劑對體外發(fā)酵DM和NDF降解率以及MCP產量的影響

        由表4可以看出,底物中添加復合酶制劑對底物DM降解率沒有顯著影響(P>0.05),但顯著提高了底物NDF的降解率(P<0.01),不同添加量的復合酶制劑組間NDF降解率沒有顯著差異(P>0.05),但0.5g/kg組在數值上最高。底物中添加復合酶制劑對MCP產量沒有顯著影響(P>0.05),但隨底物中復合酶制劑添加量的增加,MCP產量在數值上呈線性增加的趨勢(P=0.07)。

        表3 復合酶制劑對體外發(fā)酵產氣量和發(fā)酵參數的影響Table 3 Effects of compound enzyme preparation on in vitro fermentation gas production and fermentation parameters

        表4 復合酶制劑對體外發(fā)酵DM和NDF降解率以及MCP產量的影響Table 4 Effects of compound enzyme preparation on in vitro degradation rates of DM and NDF,and MCP production

        2.2 動物試驗——復合酶制劑對奶牛產奶量和乳成分的影響

        統(tǒng)計分析表明,整個試驗期,時間(周)×處理的互作效應不顯著(P>0.05)。由表5可以看出,與對照組相比,10、20和40g/(頭·d)組產奶量分別提高0.1、0.3和1.4kg/d,4%校正乳產量分別提高1.8、0.4和2.6kg/d,但差異均不顯著(P>0.05)。除非脂固形物率,飼糧中添加復合酶制劑對各種乳成分含量以及產量均沒有顯著影響(P>0.05),但10、20和40g/(頭·d)組與對照組相比,乳脂率分別提高0.25、0.02和0.19個百分點,乳脂產量分別提高0.12、0.02和0.14kg/d;乳糖率分別提高0.02、0.01和0.05個百分點,乳糖產量提高0.01、0.03和0.09kg/d;隨飼糧中復合酶制劑添加量的增加,乳脂產量(P=0.10)和乳糖率(P=0.05)在數值上呈線性增加的趨勢;乳蛋白率只有10g/(頭·d)組比對照組提高了0.01個百分點,乳蛋白產量10、40g/(頭·d)組比對照組分別提高0.01kg/d和0.04kg/d;與對照組相比,10g/(頭·d)組的非脂固形物率顯著增加(P<0.01),其他試驗組在數值上略高但差異不顯著(P>0.05)。試驗結果表明,飼喂10g/(頭·d)復合酶制劑,奶牛乳脂率、乳蛋白率和非脂固形物率在數值上最高。各組的奶牛乳中體細胞數沒有顯著差異(P>0.05),且通過對試驗動物每日健康狀況以及糞便的觀察記錄,各組間奶牛的健康狀況沒有明顯差別。

        表5 復合酶制劑對奶牛產奶量和乳成分的影響Table 5 Effects of compound enzyme preparation on milk production and milk composition in dairy cows

        3 討 論

        奶牛飼糧中應用外源性酶制劑對生產性能的影響結果很不一致,大多數的研究表明其對產奶量和乳成分沒有顯著影響[7]。但一些研究報道了添加外源性酶制劑對產奶量和乳成分有正面影響,例如,Beauchemin等[8]報道奶牛飼糧中添加酶制劑可使乳蛋白率增加2%。類似地,Bowman等[9]以及Eun等[10]也報道了酶制劑提高乳脂率和乳蛋白率的效果;另一些研究觀察到了酶制劑的添加對產奶量的提高作用,例如,Yang等[2]發(fā)現在干草中添加2g/kg的復合酶制劑(主要含纖維素酶和木聚糖酶),DM消化率增加12%,并提高了產奶量,且產奶量的提高幅度與酶的添加量有關,但對乳成分的影響較小。國內學者的研究也發(fā)現,奶牛飼糧中添加含纖維素酶和木聚糖酶的復合酶制劑,與對照組相比,能不同程度地提高奶牛的產奶量、乳脂率、乳蛋白率和乳中DM含量,降低乳中體細胞數,但大多數的研究結果未達到顯著水平[11-15]。在本試驗條件下,高產奶牛飼糧中添加不同劑量的含纖維素酶和木聚糖酶的復合酶制劑,與對照組相比,在數值上提高了奶牛產奶量和4%校正乳產量,且隨添加量的增加,產奶量在數值上也有所增加;同時,酶制劑的添加對乳成分也有一定程度的影響,但除非脂固形物率差異均不顯著;其中,飼喂低劑量的復合酶制劑,乳脂率、乳蛋白率和非脂固形物的含量在數值上最高。由此表明,復合酶制劑對奶牛產奶量和乳成分的影響與復合酶制劑的添加量有關,這與前人的研究結果一致[5]。若在奶牛生產中使用本試驗研究的復合酶制劑產品,綜合考慮生產和經濟成本,推薦奶牛飼喂10g/(頭·d)的低劑量的復合酶制劑。

        前人在對酶制劑開展動物試驗研究的同時,也開展了體外試驗研究。Holtshausen等[5]在將纖維分解酶飼喂泌乳荷斯坦奶牛前,先進行了體外試驗研究5種不同添加量纖維分解酶對瘤胃發(fā)酵的影響,并采用尼龍袋試驗進行了進一步的評估,動物試驗表明酶制劑提高了4%校正乳產量,并與添加量有關。類似地,Arriola等[4]在動物飼養(yǎng)試驗前,通過尼龍袋試驗對纖維分解酶的不同添加量進行了研究,結果表明在低精料飼糧中添加酶制劑,與對照組和高精料飼糧相比,提高了產奶量。由此可見,在將酶制劑應用于奶牛飼糧時,需考慮飼糧的種類及酶制劑添加量。體外試驗可以幫助篩選酶制劑合適的添加量并預測對于生產性能的影響,然而,對于同樣的酶制劑,由于試驗條件的變化,很難對動物達到一致性的應答。本研究在開展動物試驗前也進行了不同添加量復合酶制劑的體外產氣試驗,研究其對瘤胃發(fā)酵、營養(yǎng)物質降解率以及MCP產量的影響。

        本研究的體外試驗中發(fā)酵液的TVFA濃度在各組間沒有顯著差異,除異戊酸外,各VFA的含量以及乙酸/丙酸在各組間也沒有顯著差異,表明培養(yǎng)底物中添加復合酶制劑沒有明顯改變體外瘤胃發(fā)酵模式。關于酶制劑對瘤胃發(fā)酵的影響,已有文獻報道的結果并不一致。例如,Gado等[16]和Beauchemin等[8]報道,添加纖維分解酶使瘤胃液中乙酸含量增加,而Arriola等[4]報道,添加纖維分解酶使奶牛瘤胃液中TVFA濃度增加,乙酸/丙酸下降;Chung等[17]則發(fā)現添加纖維分解酶對瘤胃液中TVFA濃度、單個VFA含量以及NH3-N濃度和pH都沒有影響。在本試驗的體外發(fā)酵培養(yǎng)條件下,培養(yǎng)底物中添加復合酶制劑,對48h總產氣量沒有顯著影響,但數值上有增加,發(fā)酵液的pH也有所升高,表明復合酶制劑的添加可以促進底物的發(fā)酵,這可能也是動物試驗中復合酶制劑的應用能夠一定程度上提高奶牛產奶量的一個原因。

        本研究體外試驗中添加復合酶制劑,對底物DM降解率沒有顯著影響,但底物NDF的降解率顯著提高,表明復合酶制劑促進了NDF的降解。在已有的研究中,有學者認為瘤胃內存在大量的蛋白質分解菌,在飼糧中添加外源酶會受到蛋白質分解菌的破壞而失活,很難使瘤胃內酶活提高。但álvareza等[18]在奶山羊飼糧中添加纖維分解酶,結果發(fā)現提高了飼糧DM和CP消化率,也提高了燕麥秸NDF和ADF的瘤胃降解率,他們認為酶破壞了植物細胞壁,使得瘤胃微生物更易作用于纖維部分,從而提高飼料消化率。也有研究證實,酶制劑可吸附在飼料上,從而免受瘤胃蛋白酶的降解,并延長了在瘤胃的停滯時間[19]。Wang等[20]更早的研究已發(fā)現在TMR中添加外源性酶制劑,增加了飼料營養(yǎng)成分對瘤胃微生物的可利用性,表現在增加了瘤胃微生物在飼料上的附著和定植。本研究體外試驗中添加復合酶制劑促進了NDF的降解,表明該制劑具有促進飼料纖維消化的作用,并且低劑量組的NDF降解率在數值上最高,這也與動物試驗中低劑量組的乳脂率、乳蛋白率和非脂固形物率在數值上最高的結果相吻合。

        瘤胃微生物數量的增加被認為是外源性纖維分解酶增加飼料消化和提高動物生產性能的潛在作用模式[21]。Nsereko等[22]報道,高精料(52%飼糧DM)飼糧中添加酶制劑增加了細菌總數以及纖維利用菌的數量。Giraldo等[23]報道,在綿羊的高粗料(70%飼糧DM)飼糧中添加酶制劑,增加了纖維分解菌的數量。Yang等[2]報道,在泌乳牛飼糧中添加纖維素酶和木聚糖酶,不但提高了有機物和NDF的消化率,而且MCP產量也相應增加。本研究體外試驗中,發(fā)酵液MCP產量隨底物中復合酶制劑添加量的增加在數值上有增加的趨勢,表明復合酶制劑產品促進了MCP的合成,并且發(fā)酵液的NH3-N濃度在數值上有所降低,推測微生物對NH3-N的利用有所增加,這也進一步解釋了動物試驗中復合酶制劑的添加對奶牛產奶量有一定程度提高的原因。

        4 結 論

        ① 在本試驗研究條件下,添加含纖維素酶和木聚糖酶的不同劑量外源性復合酶制劑會在一定程度上影響體外瘤胃發(fā)酵,提高營養(yǎng)物質中NDF降解率并促進瘤胃MCP的合成,添加量為0.5g/kg時,對NDF降解率的提高最為顯著。

        ② 將外源性復合酶制劑應用于奶牛飼糧中能潛在地提高奶牛的產奶量并影響乳成分,且隨復合酶制劑添加量的增加,在數值上逐漸提高奶牛的產奶量,而飼喂10g/(頭·d)的低劑量復合酶制劑時,奶牛的乳脂率和乳蛋白率在數值上最高。

        ③ 綜合考慮生產和經濟成本,在奶牛生產中使用此復合酶制劑時,推薦飼喂量為10g/(頭·d)。

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