任 澎,馮娟,李若誠(chéng),劉建新,王迪銘
(浙江大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院,奶業(yè)科學(xué)研究所,浙江杭州 310058)
近年來(lái),我國(guó)奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅猛,2020 年12 月我國(guó)荷斯坦奶牛存欄506.0 萬(wàn)頭,較2019 年12 月增長(zhǎng)9.8%。苜蓿、燕麥草是奶牛重要的優(yōu)質(zhì)飼草,泌乳牛對(duì)苜蓿的需求量為3~5 kg/d、燕麥為4 kg/d,干奶牛/圍產(chǎn)牛對(duì)燕麥的需求量為2~4 kg/d,青年牛/育成牛對(duì)燕麥的需求量為2~3 kg/d。因此,每年我國(guó)都要消耗大量的苜蓿和燕麥。然而,隨著國(guó)民生活水平的提高,對(duì)生態(tài)環(huán)境的要求越來(lái)越高,對(duì)土地需求量不斷增加,大大減少了我國(guó)牧草種植面積,我國(guó)苜蓿、燕麥的種植規(guī)模和產(chǎn)量不能滿足我國(guó)奶業(yè)發(fā)展。2020 年我國(guó)進(jìn)口苜蓿干草135.8 萬(wàn)t,同比增加0.2%;進(jìn)口燕麥33.5萬(wàn)t,同比增加39.0%。因此,積極探索苜蓿、燕麥的廉價(jià)高質(zhì)替代品,是我國(guó)奶業(yè)保持高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑。
水培牧草概念的構(gòu)建有效地改善了牧草種植占用大量土地造成人畜爭(zhēng)糧的情況。本試驗(yàn)所用水培大麥苗具有節(jié)肥高產(chǎn)、產(chǎn)出穩(wěn)定均衡、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)。因此,本試驗(yàn)旨在研究體外模擬大麥苗替代苜蓿、燕麥對(duì)奶牛瘤胃發(fā)酵特性的影響,為大麥苗在奶牛養(yǎng)殖業(yè)中部分替代苜蓿、燕麥的可行性研究提供參考依據(jù)。
1.1 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)用水培大麥苗由四維生態(tài)科技(杭州)有限公司提供,試驗(yàn)其他飼料原料由杭州正興牧業(yè)有限公司提供。水培大麥苗采用長(zhǎng)12.2 m、寬2.4 m、高2.9 m 的集裝箱8 層立體種植,生長(zhǎng)1 周后株高10~23 cm,日產(chǎn)含水量87.3% 的新鮮草500~700 kg,干物質(zhì)(DM)基礎(chǔ)泌乳凈能為5.98 MJ/kg。飼料原料經(jīng)烘箱65℃干燥48 h 至恒重后在空氣中回潮粉碎過(guò)40目篩,4℃密封保存,用于后續(xù)常規(guī)營(yíng)養(yǎng)成分含量測(cè)定以及體外產(chǎn)氣試驗(yàn),試驗(yàn)水培大麥苗、苜蓿及燕麥的常規(guī)營(yíng)養(yǎng)成分如表1 所示。根據(jù)苜蓿干草質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),本試驗(yàn)所用苜蓿干草介于二級(jí)和三級(jí)之間。
表1 試驗(yàn)用大麥苗、苜蓿和燕麥營(yíng)養(yǎng)成分(DM 基礎(chǔ)) %
1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì),分為5 組,分別用0%(對(duì)照組)、25%、50%、75%、100%的水培大麥苗替代發(fā)酵底物中的苜蓿和燕麥,每組12 個(gè)重復(fù),發(fā)酵24 h 時(shí)隨機(jī)取出每組中的5 個(gè),用冰水浴終止發(fā)酵后測(cè)定24 h 干物質(zhì)降解率(IVDMD),剩余產(chǎn)氣瓶培養(yǎng)到48 h 后終止發(fā)酵用于后續(xù)指標(biāo)測(cè)定。試驗(yàn)各組發(fā)酵底物等能等氮,原料組成及營(yíng)養(yǎng)成分如表2 所示。
表2 試驗(yàn)各組發(fā)酵底物原料組成及營(yíng)養(yǎng)成分(DM 基礎(chǔ))
1.3 體外發(fā)酵 用精度為0.000 1 的分析天平稱取對(duì)照組和試驗(yàn)組DM 含量為0.500 0 g 的試驗(yàn)樣品。參照Menke 等提出的方法配制培養(yǎng)液,向配制好的人工唾液中通入二氧化碳(CO)氣體,使人工唾液由藍(lán)色變?yōu)榉奂t色,最終為無(wú)色。用分樣器向裝有樣品的產(chǎn)氣瓶中分裝45 mL 人工唾液,并用CO飽和。產(chǎn)氣瓶蓋緊橡膠塞后,在(39±0.5)℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)過(guò)夜。按照Shen 等方法,瘤胃液于試驗(yàn)當(dāng)天晨飼前通過(guò)口腔采集軟管采集3 頭成年荷斯坦奶牛,保存于保溫杯中,迅速帶回實(shí)驗(yàn)室,等體積混合均勻過(guò)濾后,用10 mL 注射吸取5 mL 瘤胃液注入上述過(guò)夜并排空瓶?jī)?nèi)氣體的產(chǎn)氣瓶中,放入恒溫培養(yǎng)箱中(39±0.5)℃培養(yǎng)。試驗(yàn)牛日糧由試驗(yàn)?zāi)翀?chǎng)配制,其粗蛋白質(zhì)含量為15.23%,泌乳凈能為6.86 MJ/kg,試驗(yàn)牛干物質(zhì)采食量為25.0 kg/d 左右,每天飼喂3 次,奶牛可自由飲水。分別在培養(yǎng)第2、4、6、9、12、24、36、48 小時(shí),用壓力傳感器讀取產(chǎn)氣瓶?jī)?nèi)壓力(Pt)并放氣。24、48 h 后冰水終止發(fā)酵并測(cè)定IVDMD、IVDMD和發(fā)酵參數(shù)。
1.4 檢測(cè)指標(biāo)及方法
1.4.1 產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣動(dòng)力學(xué)參數(shù) 2、4、6、9、12、24、36、48 h 產(chǎn)氣量(GPt)的值由讀取的壓力值通過(guò)以下公式計(jì)算:
式中,GP為樣品在t 時(shí)間段的產(chǎn)氣量(mL/g DM),P為t 時(shí)間段讀取的壓力(mPa),P為空白樣品在t 時(shí)間段讀取的壓力(mPa),V為產(chǎn)氣瓶體積(mL),W 為樣品干物質(zhì)重(g)。產(chǎn)氣過(guò)程的總累計(jì)產(chǎn)氣量為各時(shí)間段產(chǎn)氣量之和。
將試驗(yàn)組各時(shí)間點(diǎn)的產(chǎn)氣量代入FitCurve 軟件公式計(jì)算產(chǎn)氣動(dòng)力學(xué)參數(shù),計(jì)算公式:
式中,GP為樣品在t 時(shí)間段的產(chǎn)氣量(mL/g DM),a 為快速產(chǎn)氣量(mL),b 為慢速產(chǎn)氣量(mL),c 為產(chǎn)氣常數(shù),a+b 為潛在產(chǎn)氣量(mL)。
1.4.2 發(fā)酵參數(shù) 使用pH 計(jì)測(cè)定發(fā)酵液pH;揮發(fā)性脂肪酸(VFA)和氨態(tài)氮(NH-N)含量根據(jù)Hu 等的方法測(cè)定;微生物蛋白(MCP)含量參照Makkar 等提出的考馬斯亮藍(lán)比色法進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定VFA、NH-N、MCP 時(shí),每個(gè)樣品設(shè)置3 個(gè)平行。
1.4.3 IVDMD 根據(jù)發(fā)酵前后發(fā)酵底物的DM 含量,通過(guò)差減法計(jì)算得到IVDMD。
1.5 統(tǒng)計(jì)分析 試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)通過(guò)Excel 軟件整理后,采用SPSS 26.0 軟件進(jìn)行單因素方差(One-Way AVOVA)分析,使用Duncan's 法進(jìn)行多重比較,≤0.05 為差異顯著。
2.1 不同比例水培大麥苗替代苜蓿和燕麥對(duì)體外瘤胃發(fā)酵產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響 由表3 可知,不同比例水培大麥苗替代苜蓿和燕麥后48 h 累計(jì)產(chǎn)氣量相近(>0.05)。50%、75%和100%大麥苗組的快速產(chǎn)氣量高于對(duì)照組(<0.05),25%大麥苗組與對(duì)照組無(wú)顯著性差異。各試驗(yàn)組的慢速產(chǎn)氣量和潛在產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣常數(shù)與對(duì)照組無(wú)顯著性差異。
表3 不同比例大麥苗替代苜蓿和燕麥對(duì)體外瘤胃發(fā)酵產(chǎn)氣量及動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響
2.2 不同比例水培大麥苗替代苜蓿和燕麥對(duì)體外IVDMD的影響 由表4 可知,不同比例大麥苗替代苜蓿、燕麥后均提高了發(fā)酵底物體外IVDMD,但各組間IVDMD無(wú)顯著性差異;75%和100%大麥苗組IVDMD高于其他3 組(<0.05)。
表4 不同比例大麥苗替代苜蓿和燕麥對(duì)體外干物質(zhì)降解的影響 %
2.3 不同比例水培大麥苗替代苜蓿和燕麥對(duì)體外發(fā)酵參數(shù)的影響 由表5 可知,經(jīng)48 h 體外發(fā)酵后各組發(fā)酵液pH 無(wú)顯著性差異。50%、75% 和100% 大麥苗組的總揮發(fā)性脂肪酸(TVFA)濃度高于對(duì)照組(<0.05),而25% 大麥苗組與對(duì)照組無(wú)顯著性差異。乙酸濃度隨著替代比例的增加而增加,50%、75%和100%大麥苗組高于對(duì)照組(<0.05),而25% 大麥苗組與對(duì)照組無(wú)顯著性差異。丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸、戊酸濃度隨著替代比例的增加呈先降低后增加的趨勢(shì)。75%和100% 大麥苗組丙酸濃度高于對(duì)照組(<0.05),而25% 和50% 大麥苗組丙酸濃度與對(duì)照組無(wú)顯著性差異。100%大麥苗組異丁酸、異戊酸濃度高于對(duì)照組(<0.05),而25%、50% 和75% 大麥苗組異丁酸、異戊酸與對(duì)照組無(wú)顯著性差異。50%、75%和100%大麥苗組丁酸濃度高于對(duì)照組(<0.05),而25% 大麥苗組與對(duì)照組無(wú)顯著性差異。100%大麥苗組戊酸濃度高于25%和50%大麥苗組(<0.05),但整體上各試驗(yàn)組戊酸濃度與對(duì)照組間無(wú)顯著性差異。各組間乙丙比無(wú)顯著性差異。25% 大麥苗組MCP 含量低于對(duì)照組(<0.05),100% 大麥苗組MCP 含量高于對(duì)照組(<0.05),而50%和75%大麥苗組與對(duì)照組無(wú)顯著性差異。25%、75% 和100% 大麥苗組NH-N 濃度高于對(duì)照組(<0.05),50%大麥苗組與對(duì)照組間無(wú)顯著性差異。
表5 不同比例大麥苗替代苜蓿和燕麥對(duì)體外發(fā)酵參數(shù)的影響
3.1 不同比例水培大麥苗替代苜蓿和燕麥對(duì)體外瘤胃發(fā)酵產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響 體外產(chǎn)氣法通常用來(lái)評(píng)價(jià)飼草料資源的飼用價(jià)值。在一定程度上,體外發(fā)酵產(chǎn)氣量可以反映飼料在反芻動(dòng)物體內(nèi)的消化降解特性。瘤胃微生物的活性、微生物對(duì)底物的利用程度以及飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值均與產(chǎn)氣量有關(guān),發(fā)酵底物發(fā)酵越充分,產(chǎn)氣量就越高。本試驗(yàn)各組間48 h 累計(jì)產(chǎn)氣量及潛在產(chǎn)氣量均無(wú)顯著性差異,這可能與各組間發(fā)酵底物等能等氮、營(yíng)養(yǎng)水平相近有關(guān)??焖佼a(chǎn)氣量為負(fù)數(shù),表現(xiàn)的是飼料發(fā)酵的延遲性,負(fù)數(shù)越大(非絕對(duì)值)延遲時(shí)間越短。隨著水培大麥苗替代比例的增加,快速產(chǎn)氣量出現(xiàn)顯著性差異,說(shuō)明水培大麥苗替代苜蓿和燕麥后改善了底物發(fā)酵的延遲性。
3.2 不同比例水培大麥苗替代苜蓿和燕麥對(duì)體外IVDMD的影響 IVDMD 是評(píng)價(jià)飼料飼用價(jià)值的一個(gè)重要指標(biāo),反映了動(dòng)物對(duì)飼料的消化能力,IVDMD 越高表明微生物活性越高,底物發(fā)酵效果越好。本試驗(yàn)中,75%和100%大麥苗組的 IVDMD顯著高于對(duì)照組,IVDMD 變化可能與大麥苗本身的特性有關(guān)。大麥苗作為一種青綠飼料,柔嫩多汁,易消化。大麥種子在生長(zhǎng)7 d 后,仍有少量種子未能正常生長(zhǎng)為大麥苗,增加了發(fā)酵底物的淀粉含量。當(dāng)水培大麥苗替代苜蓿、燕麥后,為瘤胃微生物提供了更多的易消化碳水化合物,進(jìn)而提高了微生物對(duì)底物的利用程度。
3.3 不同比例水培大麥苗替代苜蓿和燕麥對(duì)體外發(fā)酵參數(shù)的影響 瘤胃液pH 是反映瘤胃環(huán)境穩(wěn)態(tài)情況和發(fā)酵特征的重要指標(biāo),是瘤胃微生物正常生存和發(fā)揮正常功能的必要條件。有研究表明,瘤胃液pH 的正常范圍是5.5~7.5。本試驗(yàn)各組發(fā)酵液pH 均在正常范圍內(nèi),且各組間無(wú)顯著性差異,這表明當(dāng)大麥苗不同比例替代苜蓿、燕麥后,對(duì)奶牛瘤胃內(nèi)環(huán)境均無(wú)不良影響。
VFA 是瘤胃微生物對(duì)碳水化合物發(fā)酵消化的主要產(chǎn)物,是奶牛的主要能量來(lái)源,提供的能量約占反芻動(dòng)物總代謝能的75%。本試驗(yàn)中,替代組TVFA和乙酸濃度(50%、75%、100% 大麥苗組)、丙酸濃度(75%和100%大麥苗組)、異丁酸和異戊酸濃度(100%大麥苗組)、丁酸濃度(50%、75%和100%大麥苗組)顯著高于對(duì)照組,且各組間乙丙比無(wú)顯著性差異,提示大麥苗替代苜蓿、燕麥后改善了瘤胃發(fā)酵狀況,且替代比例越高,改善效果越明顯??赡苁谴篼溍缰锌衫美w維含量較高,碳水化合物組分合理。大麥苗替代苜蓿、燕麥后改變了發(fā)酵底物中的碳水化合物組成結(jié)構(gòu),從而提高了瘤胃微生物發(fā)酵速率。
NH-N濃度是評(píng)價(jià)瘤胃發(fā)酵狀況的主要指標(biāo)之一,是日糧中蛋白質(zhì)在瘤胃內(nèi)發(fā)酵降解的產(chǎn)物,也是合成瘤胃MCP 的重要物質(zhì)。NH-N 濃度可反映微生物對(duì)日糧中蛋白質(zhì)的分解能力以及吸收速率的平衡狀態(tài)。本試驗(yàn)中,與對(duì)照組相比,25%、75%和100%大麥苗組NH-N 濃度顯著高于對(duì)照組。這可能是因?yàn)榇篼溍缰蟹堑鞍椎?、賴氨酸、蛋氨酸含量較高,氨基酸組成合理,不可降解粗蛋白質(zhì)含量較低,蛋白質(zhì)品質(zhì)優(yōu)良。大麥苗替代苜蓿、燕麥后,促進(jìn)了瘤胃微生物的生長(zhǎng),加快了發(fā)酵底物中含氮物質(zhì)的降解。
MCP 是反芻動(dòng)物瘤胃氮的主要來(lái)源。研究表明,反芻動(dòng)物60%~70%的蛋白質(zhì)需要量由MCP 提供,并且MCP 也可以表征瘤胃微生物對(duì)發(fā)酵底物中氮的利用效率和瘤胃微生物菌群的數(shù)量。瘤胃對(duì)碳水化合物和蛋白質(zhì)的利用效率會(huì)影響MCP 合成,當(dāng)瘤胃中能氮釋放不同步時(shí),發(fā)酵底物的利用效率降低,進(jìn)而導(dǎo)致MCP 的合成量減少。本試驗(yàn)中,25%大麥苗組MCP 含量顯著低于對(duì)照組,這可能與25%大麥苗組NH-N 含量較高,氨和能量的釋放不同步有關(guān);其余試驗(yàn)組MCP 含量與對(duì)照組無(wú)顯著性差異,表明對(duì)瘤胃微生物菌群數(shù)量及微生物對(duì)發(fā)酵底物氮的利用效率無(wú)不良影響。
本試驗(yàn)條件下,水培大麥苗替代苜蓿、燕麥后對(duì)瘤胃發(fā)酵特性具有改善效果。由體外消化試驗(yàn)可知,大麥苗可以作為一種牧草來(lái)替代苜蓿、燕麥,需要通過(guò)體內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證大麥苗作為奶牛日糧資源的可行性。